南京大学法拉第效应实验报告(共9篇)

1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划南京大学法拉第效应实验报告(共9篇)法拉第效应引言：实验利用励磁电流产生磁场，首先测量磁场和励磁电流之间的关系，利用磁场和励磁电流之间的线性关系，用电流表征磁场的大小，用消光的方法测定ZF6样品的旋光角和磁场的关系，用倍频法测量MR3样品的旋光角和磁场的关系。最后让偏振光分别两次通过MR3样品，区分自然旋光和法拉第旋光，验证法拉第旋光的非互易性。法拉第效应有许多方面的应用，它可以作为物质结构研究的手段，如根据结构不同的碳氢化合物其法拉第效应的表现不同来分析碳氢化合物导体物理的研究中，它可以用来测量载流子得得有效质量、迁移率和提供能带结构的信息；在激光技术中，利用法拉第效应的特性，制成了光波隔离、光频环形器、调制器等；在磁学测量方面，可以利用法拉第效应测量脉冲磁场。实验目的：1.了解法拉第效应的经典理论。2.初步掌握进行磁光测量的方法。实验原理：当线偏振光穿过介质时，若在介质中加一平行于光的传播方向的磁场，则光的振动面将发生旋转，这种磁致旋光现象是1845年由法拉第首先发现的，

2、故称为法拉第效应。振动面转过的角度称为法拉第效应旋光角。实验发现VBL其中为法拉第效应旋光角；L为介质的厚度；B为平行与光传播方向的磁感强度分量；V称为费尔德(Verdet)常数。一般约定，当光的旋转方向与产生磁场的电流的方向一致时，称法拉第旋转是左旋，v0;反之则叫右旋,v，有0，表示右旋；若0，法拉第旋转是左旋的。用消光法测量MR3-2的费尔德常数，得到的MR3-2的-B关系曲线如图7图7消光法测得的MR3-2的?关系曲线得到的与B的线性拟合关系式：=+，?2=，因为原测量值得到的为负值，此图像中，各点的取的是绝对值。MR3-2样品的厚度为6mm。所以可以得到费尔德常数为：?=?/?=?观察到旋转方向与产生磁场的螺线管中电流方向相反，所以?现了磁致旋光现象，称为法拉第效应。这是人类第一次认识到电磁现象与光现象的联系。后来，费尔德发现法拉第效应普遍存在于固体、液体和气体。法拉第效应只是磁光效应中的一种，磁光效应有很多类型，常见的有法拉第效应、塞曼效应、克尔效应、科顿-穆顿效应和磁激发光散射。法拉第效应的应用领域极其广泛。它可作为物质结构研究的手段，比如，根据结构来对法拉第效应的影响来

3、分析碳氢化合物的结构；在光谱学中，可以用以研究激发能级的有关信息；在电工测量中，可用来测量电路中的电流和磁场。如今利用法拉第效应原理制成的偏频盒、旋转器、环行器、相移器、锁式开关、Q开关、光纤隔离器等能快速控制激光参数的各种元器件，已广泛应用于激光雷达、激光测距、激光陀螺、光纤通信重。实验原理:所谓法拉第效应是指，在光的传播方向加一强磁场时，平面偏振光穿过磁场中样品后，偏振面将偏转一个角度，如图1-1所示。其偏转角满足关系式：VBL(1)图表1-1平面偏振光沿磁场通过介质时偏振面偏转其中V称为费尔德常数，由材料本身性质和工作波长决定，在顺磁、弱磁和抗磁性材料中，V通常为常数，即与B具有线性关系；而在铁磁或亚铁磁材料中，与B不再是简单的线性关系。在不同的介质中，光的偏振面旋转的方向也可能不同，且其方向与外磁场方向有关。一般约定，旋转方向与产生磁场的螺线管中电流方向一致时，法拉第旋转是左旋的，V0;反之则V，有0，表示右旋；若0;反之则叫右旋,V0;反之则叫右旋,V0。法拉第效应与自然旋光不同在于：法拉第效应对于给定的物质，偏振面的旋转方向只由磁场的方向决定而与光的传播方向无关，光线往返一

4、周，旋光角将倍增，这叫做法拉第效应的“旋光非互易性”。而自然旋光过程是可逆的。1、法拉第效应原理的菲涅尔唯象理论一束平面偏振光可以分解为两个不同频率等振幅的左旋和右旋圆偏振光。在没有外加磁场时，介质对它们具有相同的折射率和传播速度，他们通过距离为的介质后，他们产生的相位移相同，不发生偏转。当有外磁场时，由于磁场使物质的光学性质改变，两束光具有不同的折射率和传播速度，产生不同的相位移：?L?2?nLl?R?2?nRl其中，?L、?R分别为左旋、右旋圆偏振光的相位，nL、nR分别为其折射率，?为真空中的波长。线偏振光的电场强度矢量E应始终位于EL和ER的角平分线上，可以导出L+F=R?F，所以有?F?(?R?L)?利用经典电动力学中的介质极化和色散的振子模型，可以得到12?(n?n)l?RLNe2/m?0n?1?22(?0?L)?2RNe2/m?0n?1?22(?0?L)?2L其中N为单位体积的电子数，?0为电子的固有振动频率，?L是电子轨道磁矩在外磁场中的经典拉莫尔进动频率。m、e分别为电子质量和电子电荷。而无磁场时介质色散公式为Ne2/m?0n?1?2?0?22由以上推到得出如下结论：

5、在加磁场的作用下，电子作受迫振动，振子的固有频率由0变为0L，这正是对应的吸收光谱的塞曼效应；由于0的变化导致了折射率的变化，并且左、右旋圆偏振光的变化是不同的，尤其是在接近0时，差别更为突出，这就是法拉第效应。实际上，nR、nL、和n相差很小，可以近似认为22nR?nLnR?nL?2n2将式代入式，再用到条件?L?2项），整理可得?222cm2?0n(?0?2)2式中，c是光速。对式微分，再代入式，同时利用关系式?2?c/?，得?F?结合式可得e?dnBl2cmd?Vd(?)?V就是前面定义的费尔德常数，为入射光波长，dnde?dn2cmd?的函数，对于不同波长的入射光，物质对应的法拉第旋光角是不同的，这被称为旋光色散。2、磁光调制器倍频法在磁光调制器的检偏器前插入待测样品，经过调制的线偏振光通过样品，当样品被磁化时，偏振面由原来的方向旋转F角，并在F范围内摆动。若检偏器允许通过的光的偏振方向与F的夹角为，则光通过检偏器后的强度为II0cos()展开上式中的余弦项，在很小的前提下，利用近似关系sin0sinwt和cos1得1cos2(?)?cos2?2?0cos?sin?sin?t?

6、02sin2?(1?cos2?t)22上式第一项为一直流信号，第二项为基频信号，第三项为倍频信号。当90时，倍频信号与基频信号相比可以忽略，所以只有基频信号；当90时，但很接近90时，此时基频信号减小，开始出现倍频信号；当=90时，此时基频信号消失，只出现倍频信号。上式只有第三项，此时透过检偏器的强度为I?1I0?02(1?cos2?t)2测量时，根据放入样品前后出现倍频信号的位置就可以确定样品的法拉第旋光角。3、实验装置本实验使用的法拉第旋光角测量装置如图1所示，激光通过起偏器后成为线偏振光，经磁光调制器调制后进入被测样品，出射后偏振面旋转了F角。被调制和旋转后的线偏振光入射到检偏器，转换成光电流，经放大器放大后输入示波器信号通道，在示波器上就显示出被调制的信号。通过倍频信号的判断和消光法测量法拉第旋光角。图1法拉第旋光角测量装置图三、实验内容1、准备工作连接电路，打开氦氖激光的电源，预热约10分钟，使仪器处于稳定工作状态。调节光路，使各通光孔处于等高共轴的一条直线上。2、测量励磁电流I和磁感应强度B的关系不放样品，将特斯拉计的探头放入电磁铁的磁场中，改变励磁电流I，测量于其相对应的磁感应强度B。3、用倍频法测量MR32、ZF7样品在不同励磁电流下对应的旋光角，并利用上面所确定的BI关系作出样品的B曲线。4、设计光路区分自然旋光和法拉第旋光。四、数据处理与实验结果分析1、测定磁场的均匀性和磁场的标定在I=时，测量5处的磁感应强度，选择磁场最强处作为测量点，对应补充讲义的图6.N极指向S极。2、测量励磁电流I和磁感应强度B的关系,实验数据如表1表1励磁电流I(A)和磁感应强度B(T)的关系。用Excel拟合获得图像如图2图2励磁电流I和磁感应强度B数据拟合曲线由此可看出I、B满足线性关系B=+3、用倍频法测MR32样品的B关系实验所用样品厚度l。判断可知该样品的法拉第旋转方向为右旋，具体数据如表3。表3倍频法测得MR32样品的B关系用Excel拟合获得图像如图3。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。

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