法拉第效应实验报告

实验报告

法拉第效应

学号:1010239 姓名:黄万通实验时间:2013年3月19日下午

一、实验背景

在磁场中,光与物质的电磁作用成为磁光效应，有三种表现：（1）塞曼效应

把具有光辐射的原子在磁场中，原子光谱发生分裂的现象；（2）法拉第效应

在磁场作用下，平面偏振光沿着磁场方向通过放在此磁场

中的透明介质时，光的偏振面发生旋转的现象；

（3）弗埃特效应

在磁场作用下，平面偏振光沿着垂直磁场方向通过放在此磁场

中的透明介质时，光便产生双折射的现象；

二、实验目的

(1)了解磁光效应现象和法拉第效应的作用机制；

(2)掌握旋光角的测量方法，学会使用有关仪器；

(3)学会用重要物理量的经典值验证实验原理和实验精度。

三、实验原理

把样品（任何透明固体和液体）介质放在均匀磁场中，使一束平面偏振光沿着磁场方向透过该样品，结果其透射光仍为平面偏振光，但偏振角却旋转了一个角度，旋转角度的大小正比于磁场强度。（1）在磁场作用下的旋光作用

在磁场作用下,处于磁场中的介质呈现各向异性,其光轴方向为

沿着磁场的方向。

把电矢量E 看成两个圆偏光成分（左旋偏振光E L 和右旋偏振光E R ）的矢量合成。则在磁场作用下通过介质时，由于E R 比E L 慢，通过介质后的E L 和E R 之间将产生位相差θ，合成矢量E 将旋转一个角度φ=θ

2，

有：

()

D D =R L R L D

n n V V c ωθω⎛⎫-=-

⎪⎝⎭

()

=

2R L D

n n c

ωϕ-

其中D 为介质厚度，n R 为在磁场作用下，右旋偏光通过介质的折射率，n L 为在磁场作用下，左旋偏光通过介质的折射率。 （2）法拉第旋光角的计算

介质中原子的轨道电子具有磁偶极矩和势能V 有：

平面偏振光通过介质时，光子与轨道电子发生交互作用，使轨道电子发生能级跃迁，势能增加。

介质对光的折射率为:

()n n ω=

在磁场作用下，具有能量ℏω的左旋光子所遇到的轨道电子能级结构，等价于不加磁场时能量为ℏω−∆U L 的左旋光子所遇到的轨道电子能级结构。因此有：

所以,

V (λ)称为费德尔常数。 四、 实验装置

1、 光源系统:白炽光源、单色仪、聚光镜筒、起偏镜。

2、 磁场系统:电磁铁、激磁电源、高斯计。

3、 样品介质系统:样品介质、样品盒和支架。

4、 旋光角检测系统:检偏测角仪、光电倍增管、直流复射式检流计、

高压电源。

5、 最小偏向角系统:白炽光源、单色仪、分光仪。 五、 实验内容

1.平面偏振光偏振方位φ0的测定

采用电光倍增管接收检偏后光信号，由检流光点偏转显示，并用消光位置附近对称测量法来测定消光位置，则

12

02

ϕϕϕ+=

2.旋光角的测量

测定有样品旋光时不同磁场强度、不同波长下旋光后的偏振面方位φ′，可得旋光角为φ=φ′−φ0。 3.对于不同磁场B ，作出λ~φ关系曲线 4.计算电子荷质比 5.计算样品介质费德尔常数 六、 实验数据处理及误差分析 样品(重火石玻璃)厚度D=2.970cm

磁场系统激磁电流与磁感应强度的关系

1. 平面偏振光的方位0ϕ的测定

测量前先调整光路使光电倍增光接收到的光信号最强，使检流光电偏转计能够偏转最大。采用测量法测得：

o 1212

0142.65,52.1597.402

o

o

ϕϕϕϕϕ==+∴==

2. 旋光角的测量

放置好样品后，先调节磁场对应的的激磁电流，分别测量I=2.2A 、4.4A 、7.4A 下不同波长对应的偏转角，由于铁磁体的磁

滞效应，在调节激磁电流时，不能往回调节。测量结果如下：

做出λ~φ曲线如下：

分析曲线可知：在相同磁场强度下，旋光角随着波长增加而减小；对同一波长，旋光角随着磁场强度增加而增加。从上图发现，曲线并不是完美的线性关系，误差主要来自仪器（光电倍增光）的不稳

定和读数误差。 3. 计算电子核质比

φ=−DBe 2mc ∙λ∙dn

dλ

∴

e m =−2cφDBλdn dλ

B=0.2T 的值误差太大，计算核质比时可忽略不计

111.92410/e

C Kg m ∴=⨯

4. 计算样品介质的费德尔常数

V (λ)=

φ(λ)

DB

作出样品介质的λ~V(λ)曲线：

本实验误差主要来自仪器的不稳定性，主要有光源的不稳定和光电倍增管的不稳定，在实际测量中发现，在同一磁场，同一波长下，用对称测量法测量时，检流光点偏转的最大值不一样。加上仪器的老化和人眼的读数误差，这些是本实验主要误差。