Marcin Sroczyk

WPPT

Inżynieria Biomedyczna

Nr indeksu 93380

Pomiar wymuszonej aktywności optycznej

Ćwiczenie 89

Cel ćwiczenia: zapoznanie się ze zjawiskiem Faradaya, polegającym na indukowaniu polem magnetycznym dwójłomności kołowej w ośrodkach pierwotnie izotropowych, pomiar stałej Verdeta.

  1. Wstęp teoretyczny

W 1845 r. Michael Faraday zaobserwował, że płaszczyzna polaryzacji światła, które przechodzi przez próbkę szkła typu flint, umieszczoną w polu magnetycznym, ulega skręceniu. Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji jest proporcjonalny do indukcji magnetycznej B i do drogi światła w polu magnetycznym d :

= V B d

gdzie V - stała Verdeta.

Powyższy wzór jest słuszny w przypadku, gdy światło biegnie w kierunku równoległym do wektora indukcji B. Zjawisko skręcenia płaszczyzny polaryzacji w polu magnetycznym nazywamy zjawiskiem Faradaya albo sztuczną (wymuszoną) aktywnością optyczną. Zjawisko Faradaya występuje w ciałach stałych, cieczach i gazach. Zwykle wartość stałej Verdeta jest niewielka. Dużą wartość stałej V mają substancje o dużej dyspersji, np. niektóre gatunki szkieł i niektóre ciecze. Bardzo duże skręcenie płaszczyzny polaryzacji obserwuje się w cienkich warstwach metali ferromagnetycznych.

Różne substancje skręcają płaszczyznę polaryzacji w różnym kierunku. Substancjami prawoskrętnymi nazywamy te substancje, które skręcają płaszczyznę polaryzacji zgodnie z ruchem wskazówek zegara w stosunku do obserwatora, patrzącego wzdłuż wektora B w kierunku źródła światła. Natomiast substancje, które skręcają płaszczyznę polaryzacji w kierunku przeciwnym, nazywamy substancjami lewoskrętnymi. Gdy więc światło przechodzi przez ośrodek dwukrotnie, kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji podwaja się. Cecha ta odróżnia zjawisko Faradaya od naturalnej aktywności optycznej.

Zasada pomiaru.

0x08 graphic
Do pomiaru zjawiska Faradaya stosuje się polaryskop, czyli urządzenie złożone z polaryzatora P i analizatora A. Między nimi mieści się solenoid z badanym obiektem. Analizator należy skrzyżować z polaryzatorem tak, aby uzyskać wygaszenie światła w polu widzenia. Analizator jest podzielony na trzy części. Kierunek przepuszczania części zewnętrznych tworzy z kierunkiem przepuszczania części środkowej tzw. kąt półcienia wynoszący około 3 stopni.

Układ do pomiaru wymuszonej aktywności optycznej: P - polaryzator, A - analizator, S - solenoid z prętem szkła w środku, λ - światło monochromatyczne, Z - zasilacz, K - przełącznik zmieniający kierunek przepływu prądu przez solenoid, M - miernik prądu

  1. Tabele pomiarów i obliczenia

  1. Parametry próbki SF3

Próbka

SF - 3

Długość fali świetlnej

589,3 nm

Liczba zwojów

n

1230

Długość solenoidu

l

197 mm

Długość próbki

d

160,00 mm

  1. Pomiar kąta przy wyłączonym prądzie płynącym przez solenoid.

Lp

α [°]

Δα [°]

1

177,1

0,025

2

177

0,075

3

177,15

0,075

4

177,05

0,025

5

177,1

0,025

6

177

0,075

7

177,1

0,025

8

177,1

0,025

9

177,05

0,025

10

177,1

0,025

Średnia

177,075

0,04

αn = 177,65 °

αn0śr = 177,075 °

Δα= (kl x z)/360° = 0,025°

Średnie odchylenie od wartości średniej Δαśr = 0,46 °

αn [° ] - w lewo

αl =

|α n - α0|[°]

αn [° ] - w prawo

αp =

|α n - α 0|[°]

I [A]

1

2

3

śr

1

2

3

Śr

177,65

177,55

177,6

177,6

0,525

176,65

176,7

176,65

176,67

0,405

0,5

178,1

178,15

178,1

178,12

1,045

176,1

176,25

176,15

176,17

0,905

1,0

178,55

178,65

178,6

178,6

1,525

175,5

175,65

175,6

175,58

1,495

1,5

179,25

179,15

179,15

179,18

2,105

175,1

175,1

175,05

175,08

1,995

2,0

179,6

179,65

179,7

179,65

2,575

174,55

174,55

174,45

174,52

2,555

2,5

180,25

180,1

180

180,12

3,045

174,1

174,0

174,05

174,05

3,025

3,0

180,6

180,8

180,65

180,68

3,605

173,5

173,45

173,4

173,45

3,625

3,5

181,4

181,3

181,3

181,3

4,225

172,8

172,9

173

172,9

4,175

4,0

α = (αl + αp)/2

α [°]

α [rad]

I [A]

0,465

0,008

0,5

0,975

0,017

1,0

1,510

0,026

1,5

2,050

0,036

2,0

2,565

0,045

2,5

3,035

0,053

3,0

3,615

0,063

3,5

4,200

0,073

4,0

Obliczając parametry prostej y=A+Bx metodą najmniejszych kwadratów otrzymujemy :

A = -0,00143 B = 0,01848

  1. Indukcja magnetyczna w ośrodku

0x01 graphic

n = 998,985 zwojów / 0,160 m

μ0 = 4*π E-7 H/m

μ 1

I [A]

B [T]

0,5

627,68E-6

1,0

1255,36E-6

1,5

1883,04E-6

2,0

2510,72E-6

2,5

3138,40E-6

3,0

3766,08E-6

3,5

4393,76E-6

4,0

5021,45E-6

  1. Stała Verdeta

0x01 graphic

d = 0,160 m.

I [A]

α [rad]

B [T]

V [rad/T*m]

0,5

0,008

627,68E-6

79,658

1,0

0,017

1255,36E-6

84,637

1,5

0,026

1883,04E-6

86,297

2,0

0,036

2510,72E-6

89,616

2,5

0,045

3138,40E-6

89,616

3,0

0,053

3766,08E-6

87,956

3,5

0,063

4393,76E-6

89,616

4,0

0,073

5021,45E-6

90,860

Vśr = 87,282 rad/T*m.

  1. Wyznaczanie stosunku e/m elektronu.

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

  1. Spostrzeżenia i wnioski

1

4