Optikai alapfogalmak Az anyag és s a fény f kölcsk lcsönhatása Fény: transzverzális elektromágneses hullám n = c vákuum /c közeg Visszaverődés, reflexió Törés, kettőstörés, polarizáció Elnyelés, abszorpció, szórás Fénykibocsátás, fotoeffektus Fotokémiai reakciók Elektrooptikai, magnetooptikai hatás Az elektromágneses spektrum Visszaverődés Fresnel törvény merőleges beesésnél: (minden közeg határfelületén, iránytól független) Szögfüggés: (n 1 n 2 ) 2 R= (n 1 + n 2 ) 2 Brewster szög: polarizációs sík szerinti szétválás: a párhuzamos megtörik (R párh =0), a merőleges visszaverődik 1
Reflexió módosítása sa dielektrikum-rétegekkel tegekkel Antireflexiós (AR) bevonat: Átlagos üvegfelületről (n = 1,5), R 4% Rétegvastagság: n 1 d = λ/4 Két visszavert sugár gyengítő interferencia Teljes kioltás, ha: Függ: hullámhossz beesési szög Egyrétegű bevonat: R 1% Schnellius-Descartestörvény: n =sinα /sinβ =c 1 /c 2 A törésmutató függ a hullámhossztól Diszperzió Fény felbontása hullámhossz szerint, spektroszkópia, ékszerek csillogása Fénytörés Optikai adatátvitelben a jelsebesség függ a λ -tól, a jel kiszélesedik, csökken az átviteli kapacitás Anyagdiszperzió [ps/nm/km] Többrétegű bevonatok Szélesebb λ-tartomány Szabályozható áteresztés, visszaverés, pl: interferenciaszűrő Dielektrikum tükrt krök: k: visszaverés irányában erősítő interferencia Felváltva nagy és kis törésmutatójú rétegrendszer, λ/2, λ/4 rétegek, Fehér fényre: R 99%, csak egy λ -ra: R 99,999% pl. lézerek, rétegszám: 31-35 Lencsék, lencserendszerek kromatikus hiba: fehér fényt használva minden hullámhosszra máshol van az éles kép Korrekció: kétféle optikai üvegcsalád: korona és flint ν: Abbe-szám Alkalmazások: Kettőst störés, s, polarizáci ció Interferenciaszűrők Hidegtükrök (infrát nem veri vissza) pl. vetítőlámpa Lencsék tükrözésmentes bevonata Egyirányú tükrök Kirakatüveg Réteganyagok: Kis n: MgF 2, kriolit Nagy n: ZrO 2, TiO 2, ZnS A legjobban tükröző fémek reflexiós spektruma Anizotrópia: az anyagi tulajdonságok pl. n, ρ, D függenek a vizsgálati iránytól Izotróp anyagok: gázok, folyadékok, polikristályos anyagok, szimmetrikus rácsú egykristályos anyagok Anizotróp: nem szabályos rendszerű egykristályos anyagok, folyadékkristályok Anizotróp anyagokban kristálytani tengelyek irányában más más törésmutató n o (rendes, ordinárius), n eo (rendellenes, extraordinárius) SiO 2, kvarc: 1,544 1,553 TiO 2, rutil: 2,616 2,903 2
Két megtört fénysugár polarizációja egymásra merőleges A polarizáció síkja megegyezik a főtengelyek irányával. Kettőstörést / anizotrópiát okozhat: Mechanikai feszültség Makromolekulák rendeződése Elektromos, mágneses tér Mágneses tulajdonságok Polisztirol láncmolekulák rendeződése a fröccsöntő szerszámban Alkalmazás: Anyagvizsgálat, fényerő-szabályozás, reflexiócsökkentés (pl foto), LCD kijelző, optikai jelmodulálás Egy meteorit kőzetszemcse polarizációs mikroszkópi képe Alapfogalmak B = µ 0 µ rel H B: Indukció (T) H: Térerősség (A/m) µ 0 : vákuum permeabilitása = 4 10-7 Vs/Am µ rel : relatív permeabilitás, anyagi jellemző B = µ 0 H + M, ill. M = χ H M: mágnesezettség χ: mágn. szuszceptibilitás, anyagi jellemző µ rel = 1 + χ Fényelnyelés Foton energiája megfelel egy elektron energia-átmenetnek Fekete, fehér, átlátszó, színes anyagok: a látható spektrumból mást-mást nyelnek el Alaptípusok: Paramágneses: µ rel > 1 χ > 0 Diamágneses: µ rel < 1 χ < 0 Ferromágneses: µ rel >> 1 χ >> 0 (µ rel ~ χ ) 3
Atomi szintű értelmezés Elektron mágneses momentuma: Pályamenti mozgás, Spin Bohr-magneton: a mágneses dipólmomentum egysége: µ B = eh/4πm e = 9,27 10-24 Am 2 Pálymenti mozgás hozzájárulása: m µ B, ahol m az elektron mágneses kvantumszáma ( 0, ±1, ±2..) Spin hozzájárulása: ± µ B Eredő mágneses momentum: az elektronok momentumainak vektori eredője. Telített héjon, párosított spínű elektronok egymás hatását kioltják. Csak a külső pályán levő, párosítatlan spinű számít. Az atommag hozzájárulása elhanyagolható A doménfalak mozgása Fe egykristályban, növekvő térerősség hatására Lágy és kemény mágnes ideális mágnesezési görbéje Diamágneses anyagok: χ ~ -10-5, Alkalmazás ritka Szupravezetők: ideális diamágneses viselkedés: χ = -1 Paramágneses anyagok: χ ~ 1 100 10-5 Alkalmazás: mágneses szétválasztás, mérés (pl O 2 ) Ferromágneses anyagok: Fe, Co, Ni, Gd, Fe 2 O 3, CrO 2, ötvözetek, stb. Szerkezeti tulajdonság is: elemi dipólusok erősek, egymást is irányítják Rendezett tartományok, A domének átfordulása ferromágneses domének anyagok első mágnesezése során Lágymágnesekgnesek Nagy telítési indukció Kis hiszterézis Kis H c (< 300A/m), nagy fajlagos ellenállás Alkalmazás: Elektromágneses indukción alapuló: transzformátor, motor, generátor Elektromechanikus eszközök: emelők, relék, mágneskapcsolók Mágneses árnyékolók Ferromágneses jellemzők Anyagok: Hiszterézis Domén szerkezet 10-2 10-5 cm Weiss 1907, kimutatás Bitter 1931 Curie-hőmérséklet Magnetostrikció: a doménszerkezet átalakulásával méretváltozás (+ -), mechanikai feszültség Jellegzetes mágnesezési görbe Fe: nagy hiszterézis és örvényáram veszteség Fe-Si (1 4%) C és O szennyezés káros Erősáramú alk Ni Fe (80 : 20) permalloy, Ni,Fe, Mn,Mo: supermalloy Fémüvegek, nanokristályos ötvözetek Ferritek: MnFe 2 O 4 -ZnFe 2 O 4, NiFe 2 O 4 - ZnFe 2 O 4 Gránátok: 3M 2 O 3 5Fe 2 O 3 M: Y, Sm, Eu, Gd 4
Állandó mágnesek Nagy H c, B r, nagy energiaszorzat (BH max ) W = 1/2H B V Nagy hiszterézis Kicsi krisztallitok, benne már nincs doménfal, átmágnesezés nehezebb Anyagok: acél ötvözetek (Cr, Ni, Co, W, Ti, Al) Ferritek: MOFe 2 O 3, MO6Fe 2 O 3 M: Ba, Sr, Co Ritkaföldfém-Co ötvözetek: RCo 5, R 2 Co 17 R: Sm, Pr, Nd, La,Ce, Tb, Eu, Gd Alkalmazások Mágneses információ tárolás: merevlemez, floppy, magnó, videó Híradástechnika: hangszóró, mikrofon Mérőműszerek, galvanométer 5