Исследование внутренних напряжений в твердых телах оптическим методом: Методические указания к выполнению лабораторной работы № 9о

Министерство образования Российской Федерации Сибирский государственный индустриальный университет

Кафедра физики

ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ ОПТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу "Общая физика"

Новокузнецк 2001

УДК 536.7:519.2(07)

Исследование внутренних напряжений в твердых телах оптическим методом: Метод, указ./ Сост.: З.А-Масловская, Н.К.Дорошенко, Т.Г.Бокова: СибГИУ.- Новокузнецк, 2001 - 10 с.

В работе исследуется напряженное состояние в твердых прозрачных телах с помощью поляризационно-оптического метода.

Работа предназначена для студентов всех специальностей.

Рецензент - кафедра высшей математики СибГИУ (завкафедрой С.А.Лактионов).

Печатается по решению редакционно-издательского совета универ­ситета.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ

В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ ОПТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Теория исследуемого явления

Согласно теории Максвелла свет представляет собой поперечную электромагнитную волну, у которой векторы Е и Ннапряженностей электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны и образуют с вектором скорости v распространения волны правовинтовую систему (рис.1).

Рис.1  Моментальный снимок электромагнитной волны

У естественного света колебания Еи Н в различных направлениях быстро и беспорядочно сменяют друг друга. Свет, у которого направления колебаний упорядочены, называется поляризованным. Если колебания происходят только в одной плоскости, то свет называется плоскополяризо­ванным. Получить такой свет можно, если пропустить его через поляризатор, например, через призму Николя (николь). Это призма из исландского шпата, разрезанная по диагонали и склеенная канадским бальзамом (рис.2).

Рис.2  Ход лучей в призме Николя

При прохождении света через николь световой луч испытывает двойное лучепреломление, т.е. делится на 2 луча: обыкновенный (о), который под­чиняется обычному закону преломления и лежит в одной плоскости с па­дающим лучом и нормалью, и необыкновенный (е), который не подчиня­ется обычному закону преломления. Колебания вектора Е у обыкновен­ного луча показаны точками, а у необыкновенного - стрелками.

Показатель преломления канадского бальзама п лежит между пока­зателями преломления n_o обыкновенного луча и n_e необыкновен-ного луча (n_o>n> n_e). Обыкновенный луч на прослойке канадского бальзама испыты­вает полное внутреннее отражение и не выходит из поляризатора, а не­обыкновенный луч проходит через прослойку и дает поляризованный свет.

Некоторые изотропные прозрачные вещества (стекло, эпоксидная смола плексиглас) под действием механических напряжений приобретают свойства двойного лучепреломления. На этом основан поляризационно-оптический метод исследования напряжений. Двойное лучепреломление объясняется анизотропией вещества. Анизотропной называется среда, фи­зические свойства которой различны по разным направлениям. В кристал­лах некубической системы диэлектрическая проницаемость e, которая связана с показателем преломления  обнаруживает зависимость от направления. Электромагнитным волнам с разными направлениями колебаний вектора Е соответствуют разные значения показателя преломления n. Поэтому скорость световых волн в образце будет зависеть от направления колебаний вектора Е .

Для изучения искусственной анизотропии применяется следующая схема: поток естественного света направляется на поляризатор Р. Поляризованный свет падает на образец К, деформируемый силой F , и разлага­ется в нем на 2 луча - обыкновенный CDR и необыкновенный CFS. Точно также идет 2-ой луч Вв’ и в точке М тоже делится на обыкновенный луч MFS и необыкновенный MGT. Обыкновенный луч MFS и необыкновен­ный CFS накладываются друг на друга и идут по одному направлению, но интерферировать они не могут, т.к. векторы Е у них колеблются в перпен­дикулярных направлениях. Интерферировать они будет, проходя через анализатор А, который от каждого луча пропускает только составляющую, параллельную своему главному сечению (рисунок 3 а,б).

Рис. 3.а.  Схема получения поляризованных лучей

Рис.3,б.  Прохождение обыкновенного (MFS) и необыкновенного (CFS) лучей через анализатор

Установлено, что интерферировать могут только такие лучи, которые яв­ляются когерентными и у которых совпадают плоскости колебаний векто­ров Е (ОА и 0В). В результате интерференции возникает картина цвет­ных полос в белом свете или темных и светлых полос в монохроматиче­ском свете. По характеру наблюдаемой картины можно судить о распреде­лении напряжений внутри деформированного образца.

Вследствие различных скоростей обыкновенного и необыкновенного лучей между ними возникает оптическая разность хода d, которая при данной толщине образца d оказывается пропорциональной разности глав­ных нормальных напряжений или разности показателей преломления обыкновенного (n_o) лучей и необыкновенного (n_e) лучей.

d=C_b×d(s₁ - s₂) = d (n_o - n_e)                           (1)

где C_b - постоянная фотоупругости, она характеризует упругие