法拉第效应实验报告完整版

南昌大学物理实验报告

学生姓名：学号：5502210039 专业班级：应物101班

实验时间：教师编号：T017成绩：

法拉第效应

一、实验目的

1.了解和掌握法拉第效应的原理；

2.了解和掌握法拉第效应的实验装置结构及实验原理；

3.测量法拉第效应偏振面旋转角 与外加磁场电流I的关系曲线

二、实验仪器

本实验采用FD-FZ-I型法拉第-塞满效应综合试验仪，仪器结构示意图如下:

三、实验原理

1.法拉第效应

1845年法拉第发现磁场会引起磁性介质折射率变化而产生旋光现象，即加在介质上的磁场引起了平行于磁场方向传播的线偏振光偏振面的旋转，且光波偏振面偏转角（磁致旋光角）与光在介质中通过的长度D及介质中磁感应强度在光传播方向上的分量B成正比。此即为法拉第效应。

法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。大部分物质的法拉第效应很弱，掺稀土离子玻璃的法拉第效应稍明显些，而有些晶体如YIG等的法拉第效应较强。同时，由于法拉第效应弛豫时间极短，对温度稳定性要求低。故法拉第效应有许多重用的应用，如光纤通讯中的磁光隔离器、单通器，激光通讯，激光雷达等技术中的光频环行器、调制器等，以及磁场测量的磁强计等。磁光隔离器可减少光纤中器件表面反射光对光源的干扰；磁光隔离器也被广泛用于激光多级放大技术和高分辨的激光光谱技术，激光选模等技术中。在磁场测量和电流方面，可测量脉冲强磁场、交变强磁场、等离子体中强磁场、低温超导磁场、几千-几千KV的高压电流等。此外，利用法拉第效应还可研究物质结构、载流子有效质量、能带等。

不同物质偏振面旋转方向可能不同。通常规定：振动面的旋转方向和产生磁

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学生姓名： 刘惠文 学号： 5502210039 专业班级：应物101班

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场的螺旋线圈中电流方向一致，称为正旋(V ＞0)；反之，叫做负旋(V ＜0)。

对于给定物质，其固有旋光效应沿顺光线和逆光线方向观察时线偏振光的振动面的旋向完全相反，因此，当光波往返两次穿过固有旋光物质时振动面复位。而法拉第效应则不然，其旋转方向仅由磁场方向决定，而与光传播方向无关。若磁场方向不变，光线往返穿过磁致旋光物质时，法拉第转角将加倍。利用该特性，可令光线在介质中往返数次，从而加强旋转效应。

与固有旋光效应类似，法拉第效应也有旋光色散，即V 随波长λ而变。一束白色线偏振光穿过磁致旋光物质，紫光振动面要比红光振动面转角大。

2. 法拉第效应的旋光角及其计算

如图，一束平面偏振光可看作由两个等振幅、不同频率的左旋和右旋圆偏振光构成，如（图1）。设线偏振光的电矢量为E ，角频率为ω，则E 为左旋圆偏振光E L 和右旋圆偏振光E R 之和。通过长度D 的介质后, E L 和E R 之间产生相位差

图1 旋光示意图

()(

)()R L R L R L D D D t t n n V V c

ωθωω=-=-=- (1) 式中v L 、t L 、n L 及v R 、t R 、n R 分别为E L 及E R 通过磁场中磁性介质时的传播速度、

时间及介质折射率。

出射介质后的线偏振光的转角（法拉第效应旋光角）为

()22F R L D n n c θωα==-

(2)

在磁场B 中介质中原子的电子具有势能U,即

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2B eB U B L m μ=-= 式中e 为电子电荷,m 为电子质量,LB 为电子的轨道角动量在磁场方向的分量。

在磁场B 的作用下,当平面偏振光通过介质时,光子与轨道电子发生相互作用,使轨道电子从基态跃迁到较高能级，并获得角动量B L L ?=?= 。跃迁后电子动能不变,而势能增加△U ，即

2eB U m

?=± （+对应于左旋光子；-对应于右旋光子）

由于 ()n n ω= ，因此，在磁场作用下,能量为ω 的左旋圆偏振光子所激发的跃迁电子的能级结构等于无外磁场时能量为U ω-? 的左旋光子所激发的跃迁电子的能级结构相同。因此

()()L n n U ωω=-?

亦即

()()()()2L U d U d eB n n n n dn dn m

ωωωωωω??=-≈-≈-

同理，对右旋光子，有 ()()2R d eB n n dn m ωωω≈+

则

()()R L eB d n n m dn ω

ωω-=

(3)

将式（3）代入式（2）得 ()()22F DeB dn e dn DB V DB mc d mc d λωαλωλ

==-= 即

()F V DB λα= （4） 其中

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()()2e dn V mc d λλλ

=- (5) 为费尔德常数，反映了介质的特性，其值由介质和工作波长决定。

式（4）即为法拉第效应旋转角的计算公式。它表明法拉第旋光角的大小与样品厚度、磁场强度成成正比，并且与入射波光波长及介质的色散有密切关系。

四、 实验内容

1. 接通灯源，调整各个部件，使之在同一轴线上（接通电源，预热5分钟，使单色仪输出单色光）

（1）调节氦氖激光器使光完全通过纵向放置的电磁铁中心的小孔；

（2）调节刻度盘高度，使光斑正好打在光电转换盒的通光孔上，此时旋转刻度盘上的旋钮，可发现光度计读数发生变化；

(3) 调数显表灵敏度旋钮在合适位置(顺时针增加，逆时针降低)。灵敏度不同数显表数值跳动的快慢不同（注意：同一波长下选用同一灵敏度）。

(4) 将检偏镜测角手轮顺时针旋到头后，再逆时针旋转两周，按一下角度数显表的清零按钮，使角度显示值为零。

(5) 微动光电流数显表的调零旋钮，使其示值为零。

(6）调节样品测试台，并旋动测试台上的调节旋钮，使样品缓慢转动升起，此时光应完全通过样品；

(7) 旋动刻度盘上的按钮，改变刻度盘内偏振片的检偏方向。转动刻度盘，找到光度计示值最小时的角度（此时激光器发出的线偏振光的偏振方向与检偏方向垂直），通过游标盘读取此时的角度θ1。

2. 测量法拉第效应角

(1) 开启励磁电源，给样品加稳定磁场，法拉第效应产生。将励磁电流由零增加到1A ，观察数显表示值的变化，此时可以看到光度计读数增大。再次转动刻度盘，使光度计读数最小，读取此时读数θ2

(2) 关闭激光器电源，旋下样品，移动样品测试台，使磁场测量探头正好位于磁隙中心，读取此时的磁感应强度测量值B ，用游标卡尺测量样品厚度，根据公式求出样品的费尔德常数。

(3) 改变励磁电流，在不同磁场强度测量三次，取平均值。

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五、 实验数据处理

θ/

分B/mT

[2012/11/26 14:29 "/Graph1" (2456257)]

Linear Regression for Data1_B:

Y = A + B * X

Parameter Value Error

------------------------------------------------------------

A -6.57563 2.21212

B 0.02527 0.00286

------------------------------------------------------------ 从origin7.5软件分析的数据可知：

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V cm ==∴=? 分/mT=25.27分/T

弧分/T

由资料查的冕玻璃V 是53.6（弧分/特斯拉?厘米） 所以百分误差53.650.5410053.6

E -=?%=5.7% 六、 实验误差分析

1. 实验仪器本身存在的误差

2. 读数误差

七、 实验体会

通过做该实验，使我了解和掌握法拉第效应的原理，熟悉了该实验仪器的基本操作，学会测量法拉第效应旋光角、计算费尔德常数。