МАГНИТНОЕ ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ
СВЕТА
Ц е л ь р а б о т ы :
1. Ознакомиться с явлением магнитного вращения плоскости поляризации
2. Установить зависимость угла поворота плоскости поляризации от длины волны света;
3. Определить зависимость угла поворота плоскости поляризации от напряженности магнитного поля;
4. Определить постоянную Верде.
О б о р у д о в а н и е : Поляриметр полутеневой с электромагнитом, трансформатор, выпрямитель, амперметр.
Теоретические сведения
Существует ряд веществ, которые способны поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света. Такие вещества получили название оптически активных. Причем одни из них обладают этим свойством в обычных условиях (естественное вращение плоскости поляризации), а другие приобретают его в магнитном поле. Явление вращения плоскости поляризации впервые наблюдалось Фарадеем.
В целом магнитное вращение обусловлено возникновением ассиметрии оптических свойств вещества под действием магнитного поля. Эта асиметрия вызвана в свою очередь прецессией вращения зарядов, имеющихся в теле.
Предположим, что на некоторое тело, находящееся в магнитном поле, падает плоскополяризованный свет. Колебания вектора 
, имеющегося в плоскополяризованной волне, можно разложить на два вращательных движения, совершаемых в противоположных направлениях.
Таким образом, плоскополяризованная волна может быть разложена на две волны, поляризованные по кругу, одна из которых будет левоциркулярной, другая – правоциркулярной. В силу отмеченной выше прецесии вращения зарядов в магнитном поле скорости распространения волн, поляризованных по часовой стрелке и против нее, оказываются в этой среде различными. Различными окажутся и коэффициенты преломления для правоциркулярной и левоциркулярной волн. Поэтому при прохождении в данном веществе равного геометрического пути lобе волны в действительности пройдут разный оптический путь, благодаря чему между этими волнами возникает разность фаз:
,
где nн - коэффициент преломления волны правоциркулярной;
nл - коэффициент преломления волны левоциркулярной;
l(nн - nл) – оптическая разность хода обеих волн.
На выходе из оптически активного вещества этот сдвиг фаз сохраняется, что и обуславливает поворот плоскости поляризации. Угол поворота плоскости поляризации света определяется соотношением
,
где l - длина пути света параллельно силовым линиям в образце,
H - напряженность магнитного поля, в котором находится вещество,
- постоянная Верде (величина, показывающая на сколько угловых минут повернет плоскость поляризации активное вещество длиной 1 м при напряженности магнитного поля 1 А/м).
Зависимость поворота плоскости поляризации от длины волны света является вращательной дисперсией. В первом приближении угол вращения обратно пропорционален квадрату длины волны (закон Био): 
 |
Рис.15
Направление вращения плоскости поляризации зависит от природы вещества и направления магнитного поля.
Если свет распространяется в направлении силовых линий (от N к S ) и плоскость поляризации вращается по часовой стрелке от наблюдателя, смотрящего огт источника света, то направление вращения является положительным.
Блок- схема установки приведена на рис.15. Из источника 1 (лампа накаливания) свет направляется на сменные светофильтры и далее в объектив 2. Из объектива узкий параллельный пучок попадает в поляризатор 3, на выходе которого мы имеем плоскополяризованный пучок света. Далее пучок входит в соленоид 4 параллельно магнитным силовым линиям.
Внутри соленоида в специальной кювете расположен кристалл FeCl2 . пройдя через кристалл 5. Свет попадает в анализатор и далее через окуляр в глаз наблюдателя.
В отсутствии магнитного поля FeCl2 не обладает оптической активностью. Анализатор 6 и окуляр 7 жестко соединены между собой и могут поворачиваться вокруг оси ОО¢ относительно других частей прибора. Угол поворота может быть определен по лимбу, на котором нанесены деления в градусах. Кроме того, имеется нониус, позволяющий снимать показания с точностью до 0,1°. Вращение подвижной системы (анализатор-окуляр) производится с помощью ручки окуляра.
Питание электромагнита осуществляется от сети переменного тока 220 В через выпрямитель. ..регулировка тока выполняется реостатами, а величина тока контролируется по амперметру. С помощью перекидного ключа можно менять направление тока в обмотке электромагнита.
Для подготовки прибора к работе необходимо:
1. Подключить установку к сети 220 В и установить соответствующий светофильтр.
2. Вращая ручку окуляра, добиться минимальной освещенности поля зрения.
3.После выполнения указанных мероприятий можно приступить к выполнению лабораторной работы.
Измерение и обработка результатов:
1. Определение нулевого отсчета j1 на лимбе. Найти показания на лимбе, соответствующие наименьшей освещенности при токе I0=0 и зеленом светофильтре.
Вращая ручку окуляра, найдите такое положение, при котором поле зрения имеет наименьшую освещенность. Снимите показания на лимбе (с учетом нониуса) и занесите в таблицу 7.
Таблица 7
| № пп | Показания на лимбе j1 | Среднее значение 
| 
| 
|
Окончательный результат измерений: 
2. Зависимость угла поворота плоскости поляризации от длины волны l Между источником свет а и объективом установите светофильтр, перекидной ключ поставьте в положение (+), ток в электромагните плавно поднимается до +Imaх. Вращая ручку окуляра, добейтесь минимальной освещенности поля зрения. Плавно уменьшите величину тока до нуля, ключ поставьте в положение (- ) и снова ток поднимите до +Imaх. Результаты занесите в таблицу 2. Измерения выполните для всех светофильтров.
Постройте график. По оси абсцисс отложите длину волны в 
, а по оси ординат - суммарный угол поворота плоскости поляризации при измерении тока от +Imaх до -Imaх. Для светофильтров приняты следующие значения: красный - l = 700 , зеленый - l = 5500 , синий - l = 4700 .
Таблица 2
| Длина
волны l ( )
| № измерения | Угол поворота j | Суммарный угол поворота 
| |
| При +I maх | При – Imaх | |||
| Красный 7700 | ||||
| Зеленый 5500 | ||||
| Синий 4700 |
3. Зависимость угла поворота плоскости поляризации от напряженности магнитного поля H. Для использованного в настоящей работе электромагнита связь 
с силой тока I можно выразить соотношением
, k = 70,
где 
- магнитное поле, А/м; I - сила тока в обмотке, А; k - постоянный коэффициент. Установив светофильтр и поставив ключ в положение (+), поднимите ток до I1 и, вращая ручку окуляра, добейтесь минимума освещенности. Данные занесите в таблицу 3. Измерения повторите для токов I2 и +Imaх при положении ключа (+). При каждом изменении тока измерения угла проведите три раза. Измерение повторите при положении ключа (+).
Таблица 3
| № измерения | l | Направление тока | Угол поворота плоскости поляризации при | ||
| I1 | I2 | Imaх | |||
| + | |||||
| _ | |||||
4. Вычисление постоянной Верде для кристалла FeCl2. Используя данные предыдущих задач, вычислить постоянную Верде.
Длину кристалла принять равной l = 7,0 см.
Примечания:
1. Наблюдаемые в опыте углы поворота плоскости поляризации малы по абсолютной величине. Поэтому процедура измерений требует особого внимания и каждый отсчет необходимо повторять не менее трех раз.
2. При токе Imaх обмотка электромагнита нагревается. В этом случае необходимо измерения производить достаточно быстро.
Контрольные вопросы
1. Какой свет называется поляризованным?
2. Какие вещества называются оптически активными?
3. Что называется плоскостью поляризации?
4. В чем заключается явление Фарадея?
5. Какая картина будет наблюдаться. Если через соленоид пропускать переменный ток?
6. Объясните физический смысл постоянной Верде?
Литература
1. Кортнев А.В. и др. Практикум по физике. М.: Высшая школа, 1965, раб. 76.
2. Физический практикум: В 2-х т. /Под ред. В.И.Ивероновой. М.: Наука, 1968, т.2, задача 148.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 9