12123

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТООПТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ФАРАДЕЯ

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 8 ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТООПТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ФАРАДЕЯ Цель работы: ознакомиться с основанным на эффекте Фарадея магнитооптическим методом наблюдения доменной структуры вычислить постоянную Верде V для ферримагнетика проверить закон Малюса....

Русский

2013-04-24

824 KB

9 чел.

Лабораторная работа № 8

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТООПТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ФАРАДЕЯ

Цель работы: ознакомиться с основанным на эффекте Фарадея магнитооптическим методом наблюдения доменной структуры, вычислить постоянную Верде (V) для ферримагнетика, проверить закон Малюса.

Оборудование: микроскоп, поляризатор, анализатор, образец прозрачного ферримагнетика, источник света.

Краткие теоретические сведения

Вещества, способные вращать плоскость поляризации, называются оптически активными. Некоторые вещества становятся оптически активными в магнитном поле.

Впервые вращение плоскости поляризации при прохождении света через вещество, находящееся в магнитном поле, наблюдал Фарадей в 1846 году, поэтому это явление называется эффектом Фарадея. В магнитоупорядоченных веществах (ферромагнетиках, антиферромагнетиках, ферримагнетиках) угол поворота плоскости поляризации

j = V× l× Js ,                                                   (1)

где V – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойства вещества, температуры, частоты (длины волны) света, называющийся постоянной Верде; l – путь света в веществе; Js – намагниченность вещества.

Направление вращения плоскости поляризации зависит от направления магнитного поля,  направления вектора намагниченности и направления распространения света.

В магнитоупорядоченных веществах имеются области самопроизвольной намагниченности до насыщения Js, которые называются доменами. Несмотря на это, без внешнего магнитного поля магнетики находятся в размагниченном состоянии, то есть проекция магнитного момента всего образца на любое направление равна нулю.

В магнетиках с одноосной анизотропией имеется направление, называемое осью легкого намагничивания, вдоль которого выстраиваются магнитные моменты в доменах. В этом случае энергия (магнитного происхождения) всего образца будет минимальной и магнетики будут находиться в устойчивых равновесных состояниях.

Доменная структура для тонкого образца (пленки с подложкой) из феррита-граната (ферримагнетики) с осью легкого намагничивания, направленной перпендикулярно плоскости образца, показана на рис. 1.

Оптическая схема, представленная на рис. 2, позволяет наблюдать доменную структуру визуально. При прохождении линейно-поляризованного света через соседние домены вектор `Е поворачивается в противоположных направлениях на равные углы j (рис. 3, а). Если анализатор расположить так, чтобы проекция векторов `Е, прошедших через соседние домены, на плоскость пропускания анализатора была одинаковой, то согласно закону Малюса и интенсивность света после прохождения через домены будет одинаковой, т. е. домены не будут видны (будут видны только переходные области между соседними доменами (доменные границы)). Таких положений два: параллельное расположение плоскости пропускания анализатора и поляризатора и скрещенное. На рис. 3, б эти положения обозначены цифрами 1 и 2 соответственно.

Если анализатор, находящийся в положении 1 и 2, повернуть на малый угол, то появится изображение доменов, контраст между которыми возрастает с увеличением угла поворота анализатора. Различие в контрасте между доменами максимально тогда, когда угол между одним из векторов `Е и плоскостью пропускания анализатора p/2. При вращении анализатора в противоположном направлении темные домены становятся светлыми, а светлые темными. Измерив угол поворота плоскости пропускания анализатора от положения 1 или 2 до максимального контраста между доменами, можно определить угол поворота плоскости поляризации j.

Так как угол j для исследуемых материалов меньше 45°, то в положении анализатора 1 интенсивность света больше, чем в положении 2. Измерения  более точны, если в исходном состоянии поле зрения темное, т. е. анализатор находится в положении 2. В этом случае плоскость пропускания анализатора надо повернуть на угол j, чтобы добиться наиболее темного изображения одного из доменов (рис. 3, в).

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Измерение угла поворота плоскости поляризации j для данного образца (по известной толщине l и намагниченности насыщения Js) позволяет определить  постоянную Верде (V) с помощью формулы (1).

По закону Малюса

где IА и IП – соответственно интенсивности света, прошедшие через анализатор и поляризатор. В данном случае для одного домена угол  и он будет темным, для другого  и он будет светлым (рис. 3, в). Согласно закону Малюса контраст между доменами  не изменится при изменении угла  на 180°. Это свойство доменной структуры  можно использовать для проверки закона Малюса.

Устройство установки

Основой установки является микроскоп (рис. 4). Микроскоп состоит из тубуса 1, закрепленного на штативе  со станиной 2.
В нижней части тубуса расположен объектив 3,
а в верхней – окуляр 4. В тубус вставлен также анализатор. Тубус помещен над предметным столиком 5, на котором находится кассета
с поляризатором и образцом феррит-граната. Столик может вращаться, и для отсчета его угла поворота, а следовательно, и поляризатора имеется шкала с указателем. Под столиком находится осветительная система 6, в качестве которой может использоваться зеркало или лампа накаливания. Лампа осветителя рассчитана на 220 В. Для наводки на резкость штатив можно перемещать винтом наводки-юстировки 7.

Порядок выполнения работы

1. Перемещая винт грубой наводки на резкость и микровинт, настроить микроскоп так, чтобы отчетливо была видна доменная структура.

2. Контраст между доменами зависит от взаимного расположения анализатора и поляризатора, поэтому при вращении как поляризатора, так и анализатора будет изменяться яркость доменов. В данной установке удобнее вращать поляризатор путем вращения предметного столика микроскопа.

3. Вращая столик микроскопа, найти положение, при котором домены не видны (а видны только доменные границы) и поле зрения будет темно-серым. Записать угол j0, соответствующий этому положению (рис. 3, б).

4. Вращать столик микроскопа до тех пор, пока контраст между доменами не станет наибольшим, при этом темные домены наблюдаются как темно-коричневые, а светлые — как желтые. Записать угол  j1 (рис. 3, в).

5. Вычислить угол поворота плоскости поляризации j:

j =½j1-j0½.

6. Описанные выше эксперименты выполнить 5 раз и вычислить среднее значение <j>, данные занести в табл. 1, в которой приведены значения толщины образца l и намагниченности Js.

Таблица 1

j0

j1

j

<j>

Js

l

V

1

4160

А/м

5×10-6

м

2

3

4

5

7. Из формулы (1) вычислить постоянную Верде.

8. Выполнить пункт 3. Вращать столик до тех пор, пока не увидите в окуляре первоначально наблюдаемое поле зрения. Записать угол j1 и вычислить угол поворота поляризатора j.

9. Данные занести в табл. 2, аналогичную табл. 1, исключая три последних столбца.

10. Обработать результаты и сделать выводы.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается эффект Фарадея?

2. Почему не видны домены при двух положениях анализатора? Чем отличается поле зрения при этих положениях и почему?

3. Как измерить угол поворота плоскости поляризации, если за исходное положение взять светлое поле зрения, при котором домены не видны? Ответ проверьте экспериментально.

4. Почему изменяется контраст между доменами при повороте анализатора или поляризатора? При каком положении анализатора один из доменов будет наиболее темным? Соответствует ли это положение наибольшей яркости второго домена?

5. Изменится ли угол поворота плоскости поляризации, если прозрачный образец феррита-граната поместить на зеркальную поверхность и наблюдать доменную структуру в отраженном свете?

6. Изменится ли изображение доменной структуры, если перевернуть образец?

7. Как доказать, что в микроскоп видны домены? Свое предположение проверьте экспериментально.

Библиографический список

к лабораторной работе № 8

1. Савельев, И. В. Курс общей физики: учеб. пособие / И. В. Савельев. – СПб.: Лань, 2005. – Т. 2. – § 141.

2. Савельев, И. В. Курс общей физики. Волны. Оптика: учеб. пособие для втузов / И. В. Савельев. – М.: Астрель, 2003. – Т. 4. – гл. 6 § 6.8.

3. Кингсеп, А. С. Основы физики / А.С. Кингсеп, Локшин, Г. Р., Ольхов, О. А.. – М., 2001. –Т.1  – ч. 3 гл. 10.

4. Трофимова, Т. И. Курс физики / Т. И. Трофимова. – М., 1990. – § 135–136, 195.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

63560. Перспективы учения о ноосфере, философии космизма и «общего дела» 31 KB
  Ноосфера как особая оболочка земного шара становящаяся новым этапом развития биосферы атмосферы и гидросферы могущество вооруженного наукой и техникой человечества должно быть направлено на помощь силам природы в планетарном масштабе. Все природные процессы стали уже протекать не так как протекали бы в отсутствии человечества на планете.
63561. Знешняя палiтыка Беларусi на сучасным этапе 83 KB
  Сёння ў свеце існуе больш 220 вялікіх і малых дзяржаў, 187 з якіх з’яўляюцца членамі ААН. Пачэснае месца сярод гэтых краін займае Рэспубліка Беларусь. Яе, як незалежную краіну прызналі і устанавілі з ёй дыпламатычныя адносіны 153 краіны свету.
63562. Организация и проведение специальной обработки 94.5 KB
  Сущность приёмы и способы специальной обработки техники материальных средств. Заражение РВ ОВ БС может привести к потерям среди личного состава и вызовет необходимость проведения аварийноспасательных и других неотложных работ с применением...
63563. Специальные налоговые режимы. Патентная система налогообложения 252.5 KB
  Патентная система налогообложения При переходе на УСН ЕСхН ЕНВД предусматривается особый порядок определения прибыли или убытка оценки Д и Р учитываемых для цели н о особый порядок определения налоговых обязательств.
63565. Статистика. Вводная часть 116.5 KB
  Уважаемые студенты Вы приступаете к изучению новой учебной дисциплины статистики которая занимает важное место в системе высшего экономического образования как базовая дисциплина формирующая профессиональный уровень современного специалиста в области экономики и финансов.
63566. Струйные принтеры (Liquid ink-jet) 136.5 KB
  Схема устройства непрерывной струйной печати Устройства дискретного действия В настоящее время именно эти технологии струйной печати получили широкое распространение. Достигнутый в этой области прогресс приведший к повышению качества печати снижению ее себестоимости и удешевлению печатных устройств способствовал...