物理研究性实验报告_法拉第磁光效应.docx

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1、根底物理试验争辩性报告试验编号：S10根底物理试验争辩性报告法拉第磁光效应试验院系名称材料科学与工程学 生 姓 名学号学 生 姓 名学号学 生 姓 名学号根底物理试验争辩性报告名目摘要2关键词2第一局部：试验过程及结果2一：试验重点2二：试验原理21. 法拉第效应32. 法拉第效应的唯象解释33. 磁光调制原理74. 磁光调制器的光强调制深度错误!未定义书签。三：仪器介绍9四：试验内容111. 电磁铁磁头中心磁场的测量图 5.16.7112. 正交消光法测量法拉第效应试验图 5.16.8123磁光调制试验图 5.16.914五：留意事项15六：数据及其处理151. 电磁铁磁头中心磁场的测量15

2、2. 正交消光法测量法拉第效应试验163. 磁光调制试验17其次局部：试验后争辩分析19一：试验中误差来源与分析19二：我争辩的内容19其次种方法测量法拉第效应试验20三：磁光效应的应用231 磁光调制器232 磁光隔离器243 磁光传感器244 磁光记录245 磁光环行器25四：试验后收获与感想25主要参考文献：251根底物理试验争辩性报告摘要本文对磁光效应试验的原理、步骤、仪器进展了简要的介绍，并对试验数据进展处理以及误差分析。另外依据我们争辩的内 容，1本报告以“费尔德常数 V 的测量”试验为争辩对象，除使用了“正交消光法”M.Faraday (1791-1876)外还争辩了“调制倍频法

3、”，同时比照争辩了两种方法的优缺点，并得出了一些结论。争辩后还进一步改进了“调制倍频法”，使试验结果更准确。2本报告中举例说明磁光效应在我们生活中的应用。此外，我们深入理解试验，最终说明白试验的收获与感想。关键词法拉第效应、电磁感应强度、费尔德常数 调制倍频法第一局部：试验过程及结果一：试验重点 用特斯拉计测量电磁铁磁头中心的磁感应强度，分析线性范围。 法拉第效应试验：正交消光法检测法拉第旋光玻璃的费尔德常数。 磁光调制试验：生疏磁光调制的原理，理解倍频法准确测定消光位置。 磁光调制倍频法争辩法拉第效应，准确测量不同样品的费尔德常数。二：试验原理2根底物理试验争辩性报告1. 法拉第效应试验说明

4、，在磁场不是格外强时，如图 5.16.1 所示，偏振面旋转的角度q 与光波在介质中走过的路程 d 及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的重量 B 成正比，即：q =VBd5.16.1比例系数 V 由物质和工作波长打算，表征着物质的磁光特性，这个系数称为费尔德Verdet常数。费尔德常数 V 与磁光材料的性质有关，对于顺磁、弱磁和抗磁性材料如重火石玻璃等，V 为常数，即q 与磁场强度 B 有线性关系；而对铁磁性或亚铁磁性材料如 YIG 等立方晶体材料，q 与 B 不是简洁的线性关系。图 5.16.1法拉第磁致旋光效应不同的物质，偏振面旋转的方向也可能不同。习惯上规定，以顺着磁场观看偏振面旋转绕向

5、与磁场方向满足右手螺旋关系的称为“右旋”介质，其费尔德常数 V0；反向旋转的称为“左旋”介质，费尔德常数 V n 时，q 0，表示右旋；当 n 0，表示左旋。假设 n 和 n 的差值正比于磁感应强度 B，由5.16.5式便可以得到法拉第效应公式5.16.1。式中的qF= p (nlRn ) 为单位长度上的旋转角，称为比法拉第旋转。由于在铁磁-L或者亚铁磁等强磁介质中，法拉第旋转角与外加磁场不是简洁的正比关系，并且4根底物理试验争辩性报告F存在磁饱和，所以通常用比法拉第旋转q的饱和值来表征法拉第效应的强弱。式(5.16.5)也反映出法拉第旋转角与通过波长l 有关，即存在旋光色散。微观上如何理解磁

6、场会使左旋、右旋圆偏振光的折射率或传播速度不同呢？ 上述解释并没有涉及这个本质问题，所以称为唯象理论。从本质上讲，折射率nR 和 nL 的不同，应归结为在磁场作用下，原子能级及量子态的变化。这已经超出了我们所要争辩的范围，具体理论可以查阅相关资料。其实，从经典电动力学中的介质极化和色散的振子模型也可以得到法拉第效应的唯象理解。在这个模型中，把原子中被束缚的电子看做是一些偶极振子，把光波产生的极化和色散看作是这些振子在外场作用下做强迫振动的结果。现在除r了光波以外，还有一个静磁场 B 作用在电子上，于是电子的运动方程是2 rrrrrm d r+ kr = -eE -e dr B5.16.6dt

7、2 dt r式中r 是电子离开平衡位置的位移，m 和 e 分别为电子的质量和电荷， k 是这个偶极子的弹性恢复力。上式等号右边第一项为哪一项光波的电场对电子的作用，其次项是磁场作用于电子的洛仑兹力。为简化起见，略去了光波中磁场重量对电子的作用及电子振荡的阻尼当入射光波长位于远离介质的共振吸取峰的透亮区时成立，由于这些小的效应对于理解法拉第效应的主要特征并不重要。r假定入射光波场具有通常的简谐波的时间变化形式 eiwt，由于我们要求的特解是在外加光波场作用下受迫振动的稳定解，所以 r 的时间变化形式也应是 eiwt，因此式5.16.6可以写成rerre r(w 2 -w2 )r + iwr B

8、= -E5.16.70mmk / m式中w0 =，为电子共振频率。设磁场沿 +z 方向，又设光波也沿此方向传播并且是右旋圆偏振光，用复数形式表示为E = E eiwt + iE eiwtxy将式5.16.7写成重量形式ewe(w 2 -w2 )x + i0By = -E mmxewe5.16.8(w 2 -w2 ) y - i0Bx = -E mmy55.16.9将式5.16.9乘i 并与式5.16.8相加可得ewe(w 2 -w2 )(x + iy) +0B(x + iy) = -(E mmx+ iEy)5.16.10因此，电子振荡的复振幅为x + iy =e(E+ iE)5.16.11m(

9、w02 - w2 ) + ewBxy设单位体积内有 N 个电子，则介质的电极化强度矢量rr。由宏观电动P = -Nerrr力学的物质关系式 =cc 为有效的极化率张量可得Pe0 Errc =Pr =- Nerr= - Ne(x + iy)eiwt5.16.12e Ee Ee (E000x+ iEy)eiwt将式5.16.10代入式5.16.12得到ewc =Ne2 / me05.16.13w 2 - w2 +B0m令w =eB/mw 称为盘旋加速角频率，则cccNe2 / me=05.16.14w 2 -w2 + ww0c由于n2 = e / e= 1 + c ，因此0Ne2 / men 2

10、= 1 +R0w 2 - w2 + ww0c5.16.15c对于可见光，w 为2.5-4.71015s-1，当B=1T 时，w 1.71011s-1 / 4 时,波形将发生畸变,且越大,畸变越严峻，对于本试验来说，打算准确度最重要的一点就是准确推断倍频的时刻，因此尽管无论取什么值, 当=/ 2 或=0 时都会消灭倍频位置,然而表现出的波形却不尽一样. 在试验中, 为了测量上的便利 ,需要清楚可辨的正 (余) 弦波形.所以只有当 / 4 时, 探测的波形才反映了调制器的实际波形, 才是我们所需要的。那么何为最抱负的大小呢？在试验测量过程中, 一方面为了得到清楚的倍频位置, 波形幅值应尽可能大,

11、此时需要增大;而另一方面,过大将造成波形畸变,又会对倍频位置推断造成影响. 抱负的应把握在/ 4 处,然而试验中调制幅度不行能被格外准确地定量把握,而且调制幅度还与磁光调制器内部具体的磁场大小以及所用磁光介质的费尔德常量有关. 所以, 试验中应边增大调制幅度边观看示波器上的波形 ,以调制幅度最大且又不发生波形畸变为标准。2. 改进从(4) 式和(5) 式还可以看出,=/ 2 或= 0 的位置波形频率加倍,是利用了 cos的偶函数性质,而与频率的大小无关, 因此,只要承受某些方法来实现22根底物理试验争辩性报告周期性的偏振变化,就都能够实现与磁光调制器完全一样的作用 , 实现磁光调制倍频法的试验测量, 这样就可以减小由于传统磁光调制器中的磁光介质性能的变化(如长期工作线圈发热等因素) 对试验结果产生的不良影响。此外,由于法拉第效应具有非