Słapiński Mariusz Białystok 03.10.1999
Elektronika i Telekomunikacja
Grupa C5
Ćwiczenie O-6
Sprawdzanie prawa Malusa
Zadanie 1. Omówić zjawisko dwójłomności i zasadę działania polaryzatorów dichroicznych (polaroidy).
Zjawisko dichroizmu polega na niejednakowym pochłanianiu promienia zwyczajnego i nadzwyczajnego przez daną substancję. Można tak dobrać grubość warstwy krystalicznej, że po jej przejściu jeden z promieni ulega całkowitemu wygaszeniu. Na drugą stronę warstwy przejdzie wówczas jedynie promień pozostały o mniejszym natężeniu, ale spolaryzowany liniowo. Zjawisko to znajduje zastosowanie przy wytwarzaniu cienkich warstewek polaryzujących światło liniowo, zwanych polaroidami albo filtrami polaryzującymi.
Poleryzacja światła przez płytkę dichroiczną
Zadanie 2. Sprawdzenie prawa Malusa
Promieniowi światła przypisujemy wektor świetlny E. Reprezentuje on natężenie pola elektrycznego, drgającego prostopadle do kierunku promieniowania. W fali świetlnej niespolaryzowanej drgania te są nieuporządkowane, prostopadłe do promienia, leżą w różnych płaszczyznach przechodzących przez ten promień. W fali spolaryzowanej liniowo drgania wektora E odbywają się w jednej płaszczyźnie. Istnieje możliwość rozkładu drgań wektora E na kierunki składowe (taka możliwość ma miejsce przy przechodzeniu światła przez kryształy). W krysztale drgania wektora E nie mogą odbywać się w kierunku dowolnym, lecz tylko w dwu możliwych kierunkach :
- równoległym do przecięcia głównego OO1
prostopadłym do przecięcia głównego BB1
Płaszczyznę przecięcia głównego wyznaczają: kierunek promienia i kierunek osi optycznej. Ponieważ kryształ narzuca promieniowaniu padającymi dwa możliwe kierunki drgań, więc wektor E rozkłada się na dwa drgania składowe En i Ez
gdzie:
- kąt zawarty między płaszczyznami drgań w promieniu padającym i promieniu załamanym zwyczajnym
Ez - wektor świetlny promienia zwyczajnego, prostopadły do płaszczyzny przecięcia głównego
En - wektor świetlny promienia nadzwyczajnego
Ponieważ strumień świetlny jest proporcjonalny do kwadratu amplitudy drgań wektora świetlnego E, stąd otrzymujemy:
gdzie:
strumień światła padającego na płytkę
Korzystając z zależności fotoprądu i strumienia świetlnego otrzymujemy:
gdzie:
I - światłość (natężenie światła) spolaryzowanego liniowo po przejściu przez polaryzator optyczny,
I0 - światłość (natężenie światła) padającego,
- kąt między płaszczyzną polaryzacji światła padającego na i płaszczyzną polaryzacji światła po przejściu przez polaryzator (płaszczyznę polaryzatora).
Zadanie 3.Wyjaśnić zjawisko skręcenia płaszczyzny polaryzacji przez ośrodki optycznie czynne.
Jeśli pomiędzy dwa polaroidy wstawić płytkę kwarcu wyciętą prostopadle do osi optycznej, to w świetle jednorodnym zauważymy rozjaśnienie pole widzenia. Rozjaśnienie to można usunąć obracając analizator o pewien kąt . Jest oczywiste, że potrzeba skręcania analizatora wynika na skutek działania płytki kwarcowej, która spowodowała skręcenie płaszczyzny polaryzacji. Ciała wykazujące tą właściwość nazywamy ośrodkami optycznie czynnymi. Ciało optycznie czynne dzieli padającą wiązkę spolaryzowaną liniowo na składową spolaryzowaną kołowo.Zjawisko to nosi nazwę dwójłomności kołowej - oznacza takie uporządkowanie drgań, przy której wektor świetlny E obraca się naokoło promienia światła; jego koniec zakreśla linię śrubową.
Wykonanie ćwiczenia:
Schemat optyczny układu do sprawdzania prawa Malusa
Sposób wykonania ćwiczenia:
podłączyć układ do sieci zasilającej,
- wyzerować wskazania konwertera I/U (przy zasłoniętym fotoogniwie regulować potencjometrem ZERO konwertera na zakresie 200 nA aż do otrzymania wskazania 0,00),
wyzerować polaroid, na który pada strumień świetlny z oświetlacza (polaryzator),
wyzerować polaroid, na który pada strumień świetlny spolaryzowany (analizator),
- odsłonić fotoogniwo i zanotować wskazania konwertera tj. wartość fotoprądu i0 (fotoprąd jest wprost proporcjonalny do natężenia oświetlenia, a tym samym do światłości I0 źródła światła),
skręcać analizator co 50 i zapisywać wskazania konwertera „i”,
wykreślić na papierze milimetrowym zależność i/i0 w funkcji kąta .
L.p. |
Natężenie promieniowania [Lux]
|
Kąt między polaroidami |
cos2 |
i/i0 |
|
|
i0 |
i |
|
|
|
1 |
11,00 |
10,85 |
5 |
0,992 |
0,982 |
2 |
|
10,60 |
10 |
0,970 |
0,964 |
3 |
|
10,40 |
15 |
0,933 |
0,945 |
4 |
|
9,90 |
20 |
0,883 |
0,900 |
5 |
|
9,20 |
25 |
0,821 |
0,836 |
6 |
|
8,50 |
30 |
0,750 |
0,770 |
7 |
|
7,60 |
35 |
0,671 |
0,691 |
8 |
|
6,80 |
40 |
0,587 |
0,618 |
9 |
|
5,60 |
45 |
0,500 |
0,509 |
10 |
|
5,00 |
50 |
0,413 |
0,431 |
11 |
|
4,00 |
55 |
0,328 |
0,363 |
12 |
|
3,20 |
60 |
0,250 |
0,290 |
13 |
|
2,50 |
65 |
0,179 |
0,227 |
14 |
|
1,60 |
70 |
0,117 |
0,145 |
15 |
|
0,90 |
75 |
0,067 |
0,082 |
16 |
|
0,50 |
80 |
0,030 |
0,045 |
17 |
|
0,20 |
85 |
0,008 |
0,018 |
18 |
|
0,05 |
90 |
0 |
0,004 |
Zadanie 4. Przeprowadzić graficzną analizę błędów na wykresie. Przeanalizować przyczyny powstawania błędów.
Jedną z przyczyn powstawania uchybu jest światło które dostało się do układu pomiarowego z zewnątrz. Spowodowało ono zafałszowanie w niewielkim stopniu wyników pomiarów. Innym dość istotnym uchybem był błąd paralaksy związany z analogowym Lux'omierzem.
Dokładność pomiarów w znacznym stopniu zależy od dokładności odczytu oraz dokładności ustawienia kątów skręcenia analizatora.
Ława optyczna
Konwerter I/U
Fotoogniwo
Analizator
Polaryzator
Matówka
Oświetlaczz
En
Ez
E
O
O1
B
B1
A
A
Wyszukiwarka