Работа 4. Искусственное магнитное вращение плоскости поляризации света. Эффект фарадея.

 

Теоретические сведения

 

Свет представляет собой электромагнитные волны. Электрический вектор и магнитный вектор взаимно перпендикулярны. Они располагаются в плоскости, перпендикулярной направлению луча, задаваемому волновым вектором (рис.1). В любой точке пространства ориентация пары векторов и в плоскости перпендикулярной, может, вообще говоря, изменяться со временем. В зависимости от характера такого изменения различают естественный и поляризованный свет.

Обычные источники света являются совокупностью огромного числа быстро высвечивающихся (за времена порядка 10^-10 – 10^-8 с) элементарных источников (атомов или молекул). Эти источники испускают свет независимо друг от друга, с разными фазами и ориентациями векторов и . Ориентация векторов и в результирующей волне хаотически изменяется со временем, так что, в плоскости, перпендикулярной лучу , все направления оказываются в среднем равноправными. Такой свет называют естественным или неполяризованным.

При помощи поляризаторов естественный свет можно превратить в линейно поляризованный (или плоско поляризованный). В линейно поляризованной световой волне пара векторов и не изменяет с течением времени своей ориентации. Плоскость , называется в этом случае плоскостью поляризации света.

Наиболее общим типом поляризации является эллиптическая поляризация. Если наблюдать изменение электрического вектора в такой волне вдоль направления распространения, то окажется, что его конец описывает эллипс. Линейно поляризованный свет можно рассматривать как частный случай эллиптически поляризованного света, когда эллипс поляризации вырождается в отрезок

прямой линии; другим частным случаем является круговая поляризация (эллипс поляризации является окружностью).

 

Магнитное вращение плоскости поляризации. Вещества, не обладающие способностью вращать плоскость поляризации, приобретают такую способность под влиянием внешнего магнитного поля. Явление искусственного магнитного вращения плоскости поляризации было открыто в 1846 г. Фарадеем.

Магнитное вращение плоскости поляризации происходит при распространении света в прозрачном веществе вдоль линий напряженности магнитного поля. Поэтому наблюдать магнитное вращение можно, просверлив в наконечниках электромагнита узкие каналы. При отсутствии магнитного поля, для чего ток в электромагните выключается, при скрещенных поляризаторах N₁ и N₂ свет не проходит через оптическую систему. При включении тока в цепь электромагнита между полюсами возникает магнитное поле, плоскость поляризации света при прохождении через прозрачное тело C поворачивается, и свет начинает проходить через призму Николя N₂.

Угол поворота плоскости поляризации ψ пропорционален длине пути луча света l в веществе, находящемся в магнитном поле, и напряженности магнитного поля H:

 

;

коэффициент k характеризует способность данного тела вращать плоскость поляризации в магнитном поле. Численные значения k, вообще говоря, не велики. Способность вращать плоскость поляризации в магнитном поле обнаруживают как твердые прозрачные вещества, так жидкости и газы. Для некоторых сортов стекла (тяжелый флинт) величина k достигает значений 0.1, если угол ψ измерять в минутах, H – в эрстедах (1 Тесла =10000 эрстед) и l в сантиметрах.

Если тела обладают естественной оптической активностью, то при внесении их в магнитное поле их естественная способность вращать плоскость поляризации складывается со способностью вращать, возникшей под влиянием внешнего магнитного поля.

Особенно большое вращение наблюдается в очень тонких прозрачных слоях ферромагнитных металлов: железе, никеле, кобальте. Пленка железа толщиной в 0.1 микрон в магнитном поле напряженностью 10 000 эрстед поворачивает плоскость поляризации на угол 2º.

Разные тела вращают плоскость поляризации в различных направлениях. Правовращающими, или положительными называются вещества, поворачивающие плоскость поляризации вправо для наблюдателя, смотрящего вдоль магнитного поля. Если направлению линий напряженности магнитного поля сопоставить поступательное движение буравчика, то направление вращения головки буравчика укажет направление поворота плоскости поляризации. Для положительных веществ коэффициент k считается положительным. Вещества, вращающие вектор в противоположном направлении называются левовращающими, или отрицательными.

Направление вращения плоскости поляризации для данного вещества не зависит от направления распространения света.