LABORATORIUM FIZYKI OGÓLNEJ
SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA NR 89
TEMAT: BADANIE WYMUSZONEJ AKTYWNOŚCI OPTYCZNEJ.
1. OPIS 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.
2. PRZEBIEG ĆWICZENIA.
Wyznaczanie stałej Verdeta dla dwóch próbek ze szkła SF - 3 i SF - 10
Wyznaczanie stosunku e/m elektronu.
3. UKŁAD POMIAROWY.
DANE UKŁADU POMIAROWEGO
Próbka |
SF - 3 |
SF - 10 |
|
Długość fali świetlnej |
|
589.3 nm |
|
Liczba zwojów |
N |
1230 |
|
Długość solenoidu |
l |
197 mm |
|
Długość próbki |
d |
154.8 mm |
155.5 mm |
4. TABELE POMIAROWE I OBLICZENIA.
POMIAR KĄTA SKRĘCENIA PŁASZCZYZNY POLARYZACJI
PRZY ODŁĄCZONYM ZASILACZU
|
PRÓBKA SF - 3 |
PRÓBKA SF - 10 |
||
L.p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
176.20 |
0.10 |
179.20 |
0.10 |
2 |
176.30 |
0.00 |
179.30 |
0.00 |
3 |
176.40 |
0.20 |
179.20 |
0.10 |
4 |
176.30 |
0.00 |
179.50 |
0.20 |
5 |
176.20 |
0.10 |
179.30 |
0.00 |
Wartości średnie |
176.30 |
0.10 |
179.03 |
0.10 |
POMIAR KĄTA SKRĘCENIA PŁASZCZYZNY POLARYZACJI
PO DOŁĄCZENIU ZASILACZA
PRÓBKA SF - 3
L.p |
I |
' (+) |
' (+) |
' (+) |
' (-) |
' (-) |
' (-) |
|
[A] |
|
|
[rad] |
|
|
[rad] |
1 |
0.5 |
175.5 |
0.8 |
0.0140 |
177.1 |
-0.8 |
-0.0140 |
2 |
1.0 |
174.7 |
1.6 |
0.0280 |
178.0 |
-1.7 |
-0.0297 |
3 |
1.5 |
173.8 |
2.5 |
0.0436 |
178.9 |
-2.6 |
-0.0454 |
4 |
2.0 |
172.8 |
3.5 |
0.0611 |
179.8 |
-3.5 |
-0.0611 |
5 |
2.5 |
172.1 |
4.2 |
0.0733 |
180.6 |
-4.3 |
-0.0750 |
6 |
3.0 |
171.2 |
5.1 |
0.0890 |
181.3 |
-5.0 |
-0.0873 |
7 |
3.5 |
170.5 |
5.8 |
0.1012 |
182.1 |
-5.8 |
-0.1012 |
Obliczając metodą najmniejszych kwadratów otrzymujemy parametry prostej:
a = 0.0293 [rad/A]
a = 0.0003 [rad/A]
b = 2.21 * 10-4
b = 7 * 10-4
PRÓBKA SF - 10
L.p |
I |
' (+) |
' (+) |
' (+) |
' (-) |
' (-) |
' (-) |
|
[A] |
|
|
[rad] |
|
|
[rad] |
1 |
0.5 |
178.5 |
0.8 |
0.0140 |
180.0 |
-0.7 |
-0.0122 |
2 |
1.0 |
177.8 |
1.5 |
0.0262 |
180.7 |
-1.4 |
-0.0244 |
3 |
1.5 |
176.9 |
2.4 |
0.0419 |
181.6 |
-2.3 |
-0.0401 |
4 |
2.0 |
176.2 |
3.1 |
0.0541 |
182.5 |
-3.2 |
-0.0559 |
5 |
2.5 |
175.4 |
3.9 |
0.0681 |
183.3 |
-4.0 |
-0.0699 |
6 |
3.0 |
174.8 |
4.5 |
0.0785 |
183.9 |
-4.6 |
-0.0803 |
7 |
3.5 |
174.1 |
5.2 |
0.0908 |
184.4 |
-5.1 |
-0.0890 |
Obliczając parametry prostej metodą najmniejszych kwadratów otrzymujemy :
a = 0.0263 [rad /A]
a = 0.0005 [rad /A]
b = 6.42 * 10-4
b = 0.0011
Obliczanie stałej Verdeta:
V= /I * l / 0 N d
( /I ) = 3a
V = ( /I ) + l + 0 + N + d
Dla próbki SF - 3
V= 0.0293 * 823 = 24.1 [rad /Tm]
( /I ) = 0.0009 [rad /A]
( /I ) = 3.1 %
d = 0.06 %
V = 3.7 %
V = 0.0011 [rad /Tm]
Dla próbki SF - 10
V= 0.0263 * 823 = 21.6 [rad /Tm]
( /I ) = 0.0015 [rad /A]
( /I ) = 5.7 %
d = 0.06 %
V = 6.3 %
V = 0.0017 [rad /Tm]
Wyznaczanie stosunku e/m elektronu.
e/m = -V 2c/ (dn/d)-1
Dla próbki SF - 3
dn/d = (n - n1)/( 1) = -124300 [1/m]
e/m = 1.97 * 1011 [C/kg]
(e/m) = (1.57 * 1011 - 1.7588 * 1011) = 0.21 *1011 [C/kg]
(e/m) = 11.9 %
Dla próbki SF - 10
dn/d = (n - n1)/( 1) = -138300 [1/m]
e/m = 1.59 * 1011 [C/kg]
(e/m) = (1.7588 * 1011 - 1.59 * 1011) = 0.17 * 1011 [C/kg]
(e/m) = 9.7 %
5. UWAGI I WNIOSKI.
Wykonane ćwiczenie potwierdziło założenia teoretyczne. Można było zaobserwować skręcenie płaszczyzny polaryzacji pod wpływem pola magnetycznego wywołanego przepływem prądu. Na podstawie pomiarów wyznaczono zależność kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji od prądu płynącego przez solenoid. Z zależności tej obliczono stałą Verdeta dla dwóch próbek szkła.
Wyznaczenie stałej Verdeta umożliwiło obliczenie stosunku ładunku do masy elektronu (e/m). W wyniku tych obliczeń uzyskano wynik zbliżony do rzeczywistego (odczytanego z tablic e/m = 1.7588 * 1011 C/kg). Różnice między tymi wartościami są rzędu 10 %.