Закон Ампера Земной магнетизм Проверка второго закона Ньютона Изучить затухающие колебания Интерференция света Естественный и поляризованный свет Оптическая пирометрия Внешний фотоэффект Изучение цепи переменного тока

Курс лекций и лабораторных по физике

Лабораторная работа 309

ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ ОПТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Цель работы – изучить возникновение внутренних напряжений в деформированных аморфных телах методом интерференции поляризованных лучей.

Обнаружено, что оптически изотропное тело под влиянием механической деформации становится оптически анизотропным. Например, при одностороннем сжатии или растяжении стеклянной пластинки она приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает с направлением СС’ сжатия или растяжения (рис. 24).

Таким образом, поместив деформированную стеклянную пластинку В между поляризатором и анализатором вместо кристаллической пластинки К (рис. 11), можно наблюдать интерференционную картину, аналогичную рассмотренной в разделе 3. Разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси, пропорциональна при этом нормальному напряжению Т[3]:

,

где с - коэффициент, зависящий от свойств среды (константа фотоупругости). Согласно формуле (8), оптическая разность хода s этих лучей для пластины толщиной d будет равна

. (11)

(Предполагается, что при сжатии изменение толщины пластины несущественно.)

По виду изохромат интерференционной картины можно судить о распределении внутренних напряжений в образце. Каждая изохромата проходит через точки, в которых величины оптической разности хода s обыкновенного и необыкновенного лучей, а следовательно, и напряжений Т одинаковы. Таким образом, изохроматам с одинаковой окраской соответствуют одинаково деформированные области образца.

Явление интерференции поляризованного света в прозрачных деформированных материалах используется для обнаружения остаточных внутренних напряжений, которые могут возникнуть, например, вследствие нарушения технологии изготовления изделий. Данное явление используют также для изучения внутренних напряжений и в непрозрачных деталях (частях машин, сооружений). При этом интерференцию осуществляют на моделях исследуемых деталей, которые изготовляют из целлулоида или другого прозрачного материала. Модель подвергается действию нагрузок, подобных тем, которые испытывает сама деталь. Такой метод изучения деформаций на прозрачных моделях образцов, называемый «методом фотоупругости», получил широкой распространение. Он позволяет непосредственно увидеть распределение деформаций в образце.

Описание прибора

Исследование напряжений в прозрачных деталях проводится при помощи полярископа ПКС-56 (рис. 25), состоящего из осветителя 1, поляризатора (поляроида) 2, расположенного непосредственно за осветителем 1, корпуса 3, сектора с чувствительной пластинкой 4, головки анализатора 5 и предметного столика 6. Поляроидная пленка изготовлена из сернокислого йод-хинина, нанесенного на целлулоид. Свет от лампочки 1 попадает на поляроид 2, в котором осуществляется двойное лучепреломление. Вследствие характерного для материала поляроида явления дихроизма из него выходит только плоско поляризованный необыкновенный луч. Далее свет проходит через испытуемое тело, помещенное на предметный столик 6, и попадает на анализатор 5, функцию которого выполняет еще один поляроид. Перед анализатором укреплен сектор 4 с кварцевыми пластинками, которые обладают свойством двойного лучепреломления. При прохождении света через кварцевую пластинку обыкновенный и необыкновенный лучи приобретают дополнительную разность хода, зависящую от толщины пластинки. Пластину вводят в том случае, если разность хода обыкновенного и необыкновенного лучей в испытуемом образце недостаточна для наблюдения интерференционной картины в видимом свете. Введенная пластина искусственно увеличивает разность хода s лучей до величины, достаточной для выполнения условия максимума интерференции (s = ml, где m – целое число). По цвету интерференционной картины в принципе можно определить разность хода s обыкновенного и необыкновенного лучей, и при известных толщине образца d и константе фотоупругости с, по формуле 11 можно восстановить картину распределения напряжений в образце.

Порядок выполнения работы

1. Включить лампу осветителя полярископа в сеть 220 В.

2. Вращая головку анализатора 5, установить анализатор на нулевое деление, что соответствует скрещенному положению поляризатор-анализатор (темное поле зрения).

3. Установить сектор 4 в такое положение, при котором кварцевая пластина выведена из поля зрения. Для этого рукоятку сектора, расположенную под головкой анализатора 5, необходимо повернуть в крайнее правое положение.

4. Прозрачную модель №1 (рис. 26) установить в пресс для сжатия (рис. 27), не зажимая его, и поместить между поляризатором и анализатором на столик 6. Рассмотрите интерференционную картину в окуляр полярископа. Если наблюдаемая интерференционная картина размыта, то, повернув рукоятку сектора 4, вводят кварцевую пластину. При этом за счет увеличения разности хода s обыкновенного и необыкновенного лучей наблюдаемая картина должна стать более четкой.

5. Затем, слегка завинтив винт пресса, задайте нагрузку на образец. Направление деформации, которые следует задать с помощью винта, указаны с помощью стрелок на рис. 26. Следите за тем, чтобы деформация не привела к разрушению образца!

6. Рассмотрите полученную интерференционную картину, и цветными карандашами зарисуйте изохроматические линии.

7. Выполните это задание и для других образцов № 2–6, укрепив их предварительно в пресс для сжатия.

8. Модель 6 испытайте на изгиб. При анализе интерференционной картины следует обратить внимание, во-первых, на направление черной линии, резко заметной между остальными цветными изохроматическими линиями, во-вторых, на изгибы в тех местах образца, на которые действует винт. Если черная линия видна не очень четко, то поворотом рукоятки сектора 4 вправо следует ввести кварцевую пластинку. Черная линия соответствует нейтральному слою при изгибе, а изгибы вблизи точек опоры образца и винта указывают на неоднородное распределение напряжений. Изохроматы, лежащие ближе к выпуклой стороне образца, характеризуют его растяжение, соответственно, изохроматы в области вогнутой стороны образца указывают на сжатие.

Контрольный вопросы

Интерференция поляризованных лучей.

От чего зависит разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей?

Какие линии называются изохроматическими?

Искусственная оптическая анизотропия.

Какую информацию содержит интерференционная картина о распределении напряжений в прозрачном твердом образце?

Для чего при наблюдении интерференционной картины в полярископе вводится кварцевая пластинка?

Что представляет собой поляризатор, используемый в данной работе? На чем основан принцип его действия?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 310

ЗАКОНЫ ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА

 При прохождении света через вещество электромагнитное поле световой волны возбуждает электороны атомов и молекул этого вещества. Энергия возбужденных электронов излучается в виде вторичной световой волны, распространяющейся в данном веществе, и частично поглощается атомами и молекулами в виде тепловой энергии. На практике поглощение света определяется по изменению его интенсивности.

 Бугер (1729 г.) экспериментальным путем, а Ламберт (1760 г.) теоретически установили связь между интенсивностью света I0, входящего в вещество, и интенсивностью света I, выходящего из него:

I = I0 е-kd ,

Где k – коэффициент поглощения, зависящий от вида вещества и длины волны падающего на него света (знак "минус" указывает на убывание интенсивности); d – толщина поглощающего слоя.

 Из уравнения следует, что коэффициент поглощения – величина обратная толщине слоя вещества, по прохождении которого интенсивность света уменьшается в е = 2,72 раза.

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны света называется спектральной характеристикой вещества, определяющей окраску тел в проходящем свете. Тела, имеющие малый коэффициент поглощения в видимой области спектра, являются прозрачными неокрашенными. Например, стекло толщиной 1 см поглощает лишь около 1% проходящих через него видимых лучей. Ультрафиолетовые и инфракрасные лучи то же стекло поглощает сильно. Цветными прозрачными телами называются тела, проявляющие селективность (избирательность) поглощения в видимой области спектра. Так, "красным" является стекло с малым коэффициентом поглощения красных и оранжевых лучей и большим коэффициентом поглощения зеленых, синих, фиолетовых.

В 1862 году Беер применил закон Бугера–Ламберта для определения малых количеств вещества, растворенного в прозрачном растворителе. Он показал, что для растворенного вещества малых концентраций коэффициент поглощения линейно зависит от числа молекул растворенного вещества на единицу толщины слоя:

k = к′ с ,

где к′ - постоянная Беера, не зависящая от концентрации растворенного вещества, с - концентрация растворенного вещества.

 Объединенное уравнение Бугера-Ламберта-Беера имеет вид

.

 Этот закон справедлив для сред, в которых поглощающими центрами являются молекулярные образования только одного вида. Если при растворении вещества природа поглощающих образований будет изменяться (вследствие диссоциации или ассоциации), то к′ для различных концентраций растворенного вещества будет разной. Поэтому закон Беера применяется для разбавленных растворов, где отсутствует взаимодействие поглощающих молекулярных образований. Закон Бугера-Ламберта-Беера можно записать и в таком виде :

,

где ε = к′lge – молярный коэффициент поглощения.

 Молярный коэффициент поглощения - величина постоянная, зависящая от длины волны падающего света, природы растворенного вещества, температуры раствора. Отношение интенсивности светового потока I, прошедшего через раствор, к интенсивности падающего светового потока I0 называется прозрачностью, или пропусканием Т:

.

 Логарифм величины, обратной пропусканию, носит название экстинкции Е, или оптической плотности D:

.

 Зависимость Т (D) от длины волны падающего света называется спектральной характеристикой образца.

 В диэлектриках нет свободных электронов, и поглощение тесно связано с явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика. Поэтому диэлектрики поглощают свет более или менее избирательно в зависимости от частоты последнего. Поглощение велико лишь в областях частот, близких к частотам собственных колебаний электронов в атомах и молекулах. Для света всех других частот диэлектрик практически прозрачен, то есть его коэффициент поглощения k близок к нулю.

 Жидкие и твердые диэлектрики имеют сложные спектры поглощения, состоящие из сравнительно широких полос, в пределах которых k изменяется плавно. У газов с многоатомными молекулами наблюдается ряд тесно расположенных линий, образующих полосы поглощения.

 Наиболее ярко явление резонансного поглощения обнаруживается у разреженных одноатомных газов, имеющих линейчатый спектр поглощения. Металлы практически непрозрачны для света, что обусловлено наличием в них свободных электронов. Под действием электрического поля световой волны свободные электроны приходят в движение, создавая в металле быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением джоулева тепла. В результате энергия световой волны переходит во внутреннюю энергию металла.

 Рассмотрим теперь отражение света. Окраска тел в отраженном свете определяется спектральным составом отраженного излучения и характеризуется зависимостью коэффициента отражения R от длины волны.

 Коэффициентом отражения R называется отношение интенсивности отраженного света IR к интенсивности света I0, падающего на отражающую поверхность:

,

Зависимость коэффициента отражения R от длины волны называется спектральной характеристикой отражения.

Тело, коэффициент отражения которого равен единице во всей видимой области спектра, является идеально белым. Тело, коэффициент отражение которого близок к единице (например, в красной области спектра) а в остальных областях мал, в отраженном свете будет красным. Более сложная окраска определяется видом спектральной характеристики отражения, хотя связь между цветом и спектром отражения неоднозначна. Наиболее высоким коэффициентом отражения обладают металлы. Если у стекла коэффициент отражения примерно 4%, то у металлов он достигает 80% - 90%.

Лабораторная работа № 252

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА И ТРАНЗИСТОРА

Приборы и принадлежности: лабораторные стенды, источники питания.

Цель работы: изучение p – n переходов и устройств на их основе: диодов и транзисторов.

Краткая теория

К полупроводникам относятся элементы, по электрическому сопротивлению занимающие промежуточное положение между металлами и диэлектриками: удельное сопротивление металлов составляет 10-8 -10-6, диэлектриков - более 108, полупроводников -10-2 -106 Ом/м.

Энергетически возможные состояния электронов в веществе образуют разрешенные зоны, разделенные запрещенными зонами, охватывающими невозможные для электронов значения энергии. Если в верхней из зон, в которой имеются электроны, все уровни заняты и, кроме того, ширина вышележащей запрещенной зоны ΔЕ намного больше энергии, теплового движения электронов кТ, т.е. ΔЕ>>кТ, где к -постоянная Больцмана, Т- абсолютная температура, вещество является диэлектриком, так как свободные электроны в диэлектрике отсутствуют, и он не проводит электрический ток. Если же запрещенная зона узка, т.е. ΔЕ превышает кТ не более чем в несколько десятков раз, некоторые электроны могут переходить из заполненной зоны на уровни вышележащей, вакантной зоны проводимости. Появляются носители тока - отрицательные (электроны в зоне проводимости) и положительные (дырки, т.е. свободные связи атомов, не заполненные электронами). Такое вещество является полупроводником. Наконец, если в верхней зоне занята лишь часть уровней, либо соседние зоны перекрываются, электроны легко переходят на вакантные уровни и становятся носителями тока, т.е. вещество проводит электрический ток - это металл.

В чистом полупроводнике концентрация свободных электронов равна концентрации дырок и растет с повышением температуры. Соответственно увеличивается и проводимость. Широкое применение получили полупроводниковые элементы 1У группы таблицы Менделеева - германий и кремний. Небольшие добавки к ним элементов У группы, например, мышьяка, резко увеличивают концентрацию свободных электронов, поэтому такие примеси называют донорными; а возникающую электронную проводимость - проводимостью n -типа. Добавление же к кремнию или германию элементов III группы, например, индия, увеличивает концентрацию дырок и такие примеси называют акцепторными (проводимость p- типа). В любом случае примеси увеличивают проводимость полупроводника.

При контакте полупроводников с различными типами проводимости образуется p-n переход, В нем дырки из p-области будут диффундировать в n -область, оставляя в p-области некомпенсированный заряд отрицательных ионов, а электроны будут диффундировать в p-область, оставляя в n-области некомпенсированный заряд положительных ионов. Вследствие этого в области p-n-перехода образуется двойной электрический слой и возникает электрическое поле, препятствующее дальнейшей диффузии электронов и дырок. Изменение плотности электрического заряда q, напряженности поля E и потенциала φ вдоль p-n-перехода показано на рис. 1. Величина контактной разности потенциалов для германия примерно равна 0,2 В, для кремния - 0.7 В. Когда к p-n-переходу не приложено внешнее напряжение, то остаточные диффузионные потоки дырок и электронов, создающие ток в одну сторону, полностью уравновешены встречными дрейфовыми (т.е. под действием электрического поля) потоками дырок и электронов, создающими ток в другую сторону. Суммарный ток через p-n-переход при этом равен нулю. Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение плюсом к p-области и минусом к n-области, то внешнее электрическое поле уменьшит напряженность поля в области p-n-перехода и диффузионный поток дырок и электронов увеличится, что приведет к появлению значительного тока через p-n-переход, как показано на рис. 2 (область положительных значений U). Такая полярность внешнего напряжения называется прямой. Если же внешнее напряжение приложено плюсом к n-области, а минусом p-области, то внешнее поле увеличит напряженность поля в области p-n-перехода, что затрудняет диффузию носителей. Ток через p-n-переход резко уменьшается и переход оказывается запертым (см. рис. 2, область отрицательных значений U)

Устройство содержащее p-n-переход, называется полупроводниковым диодом. Диоды используются как электрические вентили, пропускающие ток только в одну сторону.


Курс лекций и лабораторных по физике