Andrzej Kądziołka 23.11.2006

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 50

Badanie własności elastooptycznych materiałów przeźroczystych

1. Zagadnienia teoretyczne:

Elastooptyka to zespół metod doświadczalnych do badań stanu naprężeń i odkształceń w ciałach bezpostaciowych, normalnie izotropowych (m.in. szkliwa, polimery, celuloid), wykazujących pod obciążeniem właściwości anizotropowe, przejawiające się m.in. dwójłomnością optyczną. Pod wpływem naprężeń materiały te nabierają cech optycznych kryształu jednoosiowego o osi optycznej skierowanej równolegle do kierunku rozciągania lub ściskania i przy oświetleniu światłem spolaryzowanym, w wyniku zjawiska dwójłomności następuje rozszczepienie światła na dwie składowe i pojawienie się prążków interferencyjnych, tworzących dwa charakterystyczne rodzaje linii: izokliny i izochromy. Na ich podstawie możliwe jest wyznaczenie naprężeń w dowolnym punkcie ciała. Elastooptykę stosuje się głównie do badania naprężeń w częściach maszyn o skomplikowanych kształtach; wykonuje się ich modele z materiału o właściwościach elastooptycznych i poddaje obciążeniom analogicznym do rzeczywistych. Elastooptykę wykorzystuje się także do wykrywania szkodliwych naprężeń w przedmiotach szklanych i do badania struktur polimerów.

Polaryzacja to własność fali poprzecznej (np. światła). Fala spolaryzowana oscyluje tylko w pewnym wybranym kierunku. Fala niespolaryzowana oscyluje we wszystkich kierunkach jednakowo. Fala niespolaryzowana może być traktowana jako złożenie wielu fal drgających w różnych kierunkach.

W naturze większość źródeł promieniowania elektromagnetycznego wytwarza fale niespolaryzowane. Polaryzacja występuje tylko dla fal rozchodzących się w ośrodkach, w których drgania ośrodka mogą odbywać w dowolnych kierunkach prostopadłych do rozchodzenia się fali. Ośrodkami takimi są trójwymiarowa przestrzeń lub struna.

Gdy ośrodek fali nie może drgać w dowolnych kierunkach prostopadłych względem rozchodzenia się fali zjawisko polaryzacji jest niemożliwe. Dotyczy to np.: drgań na powierzchni membrany i na granicach faz. Przykładem tego są m.in. fale morskie. Fale dźwiękowe również nie podlegają zjawisku polaryzacji, bo są falami podłużnymi.

Polaryzator urządzenie optyczne przepuszczające światło o określonej polaryzacji liniowej.

Z padajacego światła naturalnego niespolaryzowanego przepuszcza fale elektromagnetyczne, których wektor elektryczny leży w określonym przez polaryzator kierunku, tworząc światło spolaryzowane. Z padającego światła spolaryzowanego przepuszcza składową w kierunku polaryzacji a nie przepuszcza składowej prostopadłej do kierunku polaryzacji. Dlatego układ dwóch polaryzatorów, które są obrócone względem swoich płaszczyzn polaryzacji o kąt prosty nie przepuszcza światła.

Polaryzatory są używane w przyrządach optycznych do badania materiałów, naprężeń w ośrodkach przeźroczystych (mikroskop polaryzacyjny), do eliminacji odbić.

Dwójłomność

Gdy światło pada na niektóre substancje rozdziela się na dwie wiązki o prostopadłych polaryzacjach liniowych. Zjawisko to zwane podwójnym załamaniem lub dwójłomnością, wykorzystuje się do otrzymywania wiązki światła spolaryzowanego w pryzmacie Nicola.

Światło padając prostopadle na substancje dwójłomne, w których oś optyczna jest równoległa, do powierzchni na którą pada światło, nie rozdziela się, ale jego składowe poruszają się z różnymi prędkościami, zjawisko to wykorzystywane jest do zmiany polaryzacji światła w płytkach ćwierćfalowych i płytkach półfalowych. Uzyskanie przez substancję dwójłomności w kierunku przyłożonego pola nosi nazwę Efekt Pockelsa i stosowane jest do uzyskiwania sterowanych napięciem elektrycznym płytek n-falowych zwanych komórkami Pockelsa.

Wiele substancji przeźroczystych, które w normalnych warunkach nie są dwójłomne, pod wpływem pola elektrycznego, pola magnetycznego stają się dwójłomne. Zjawisko to na cześć odkrywcy nosi nazwę efektu Kerra i znalazło zastosowanie do modulacji światła polem elektrycznym w przyrządach zwanych komórkami Kerra.

2. Wykonanie ćwiczenia:

1. Ustawić przyrząd w sposób umożliwiający realizację polaryzacji kołowej:

- płaszczyzny polaryzacji polaryzatora i analizatora ustawić w pozycji skrzyżowanej: podziałkę matówki na stoliku polarymetru ustawiamy w położeniu 90°, natomiast położenie analizatora ustawiamy w maksymalnym zaciemnieniu pola widzenia,

- włączyć ćwierćfalówkę analizatora w położenie robocze (dźwignia na stoliku

polarymetru w pozycji
.

- dysk rewolwerowy głowicy pomiarowej zespołu analizatora ustawić w położenie к - co odpowiada wprowadzeniu ćwierćfalówki analizatora w pole widzenia,

- wprowadzić filtr monochromatyczny zielony w pole widzenia w zespole głowicy analizatora.

2. W urządzeniu zginającym umieszczamy belkę z materiału przezroczystego na stoliku polarymetru.

3. Po przygotowaniu całego zestawu do procedury pomiarowej, dokonujemy obserwacji kolejnych izochrom za pomocą polarymetru, zwiększając obciążenie odkształcanej belki przez odpowiednie dokładanie odważników na szalce.

Rejestracji wartości kolejnych obciążeń dokonujemy w momencie pojawienia się izochrom o coraz wyższych rzędach w tym samym miejscu pola widzenia, szukając maksymalnego zaciemnienia kolejnych izochrom poprzez manewry analizatorem.

4. Polarymetr ustawić w wersji wzajemnie równoległych płaszczyzn analizatora

i polaryzatora oraz dokonać pomiarów izochrom połówkowych, zamieszczając je w przygotowanej tabelce.

5. Uzyskane wyniki przedstawić na papierze milimetrowym w formie diagramu, odkładając na osi rzędnych wartości obciążeń, zaś na osi odciętych rzędy izochrom.

6. Stałą elastooptyczną wyznaczyć metodą najmniejszych kwadratów.

3. Tabela pomiarowa:

Rząd izochrom

Ćwierćfalówka

Kąt analizatora

Obciążenie

Masa

Rząd izochrom połówkowych

Ćwierćfalówka

Kąt analizatora

Obciążenie

Masa

Stała elastooptyczna

polaryzatora

analizatora

polaryzatora

analizatora

[m]

[m]

[stopnie]

[N]

[kg]

[m]

[m]

[stopnie]

[N]

[kg]

[kP]

0 1 2 3 4 5

0

9,81 14,72 29,43 49,05 58,86 68,67

1 1,5 3 5 6 7

0 1 2 3 4

90

9,81 19,62 39,24 49,05 63,77

1 2 4 5 6,5

16,17 17,71

4. Obliczenia i rachunek błędów:

Przy obliczeniach przyjmuję przyśpieszenie ziemskie:

Obciążenie:

Dla izochrom:

Dla izochrom połówkowych:

Naprężenia liczymy ze wzoru:

Dla izochrom:

14014,29Pa

21021,43Pa

42042,86Pa

70071,43Pa

84085,71Pa

98100,00Pa

Dla izochrom połówkowych:

14014,29Pa

28028,57Pa

56057,14Pa

70071,43Pa

91092,86Pa

Wyznaczenie stałej elastooptycznej metodą najmniejszych kwadratów:

Rząd izochromy oznaczam przez m

Wartość naprężenia oznaczam przez

Obliczenia dla izochrom:

Zapis wyniku:

Obliczenia dla izochrom połówkowych:

Zapis wyniku:

5. Wykresy:

6. Wnioski

Celem ćwiczenia było wyznaczenie stałej elastooptycznej poprzez badanie właściwości elastooptycznych materiału przeźroczystego. Na podstawie wykresów, przy użyciu metody najmniejszych kwadratów zostały wyznaczone dwie stałe odpowiednio dla izochrom i izochrom połówkowych. Ćwiczenie zostało wykonane poprawnie, ilośc odczytanych izochrom wystarczyła do sporządzenia wykresu oraz obliczeń.

---