自行組裝磁致旋光實驗裝置

朱二曠 胡亞范 陳海良 王鎖明(燕山大學理學院,河北秦皇島 066004)

自行組裝磁致旋光實驗裝置

朱二曠 胡亞范 陳海良 王鎖明(燕山大學理學院,河北秦皇島 066004)

本文在概括了法拉第效應的現象及意義的基礎上,提出了一種簡便可行的測量費爾德常數的實驗方案,通過實驗測量并得出了實驗結果,最終分析了該方案的優缺點并提出了改進措施.

法拉第效應;磁場;費爾德常數;振動面

1 引言

磁致旋光現象是法拉第于1845年發現的,目前它有許多重要應用,如在半導體物理中測量有效質量、遷移率;在激光技術中制造光調制器、光隔離器和光頻環行器等.因此在各高校開設磁致旋光實驗有著極其重要的意義,實驗所需儀器已有成套設備,只是價格較貴,一般院校購買有一定的困難,針對這一矛盾,本文介紹一種簡易可行的方法實現磁致旋光的基本實驗,僅供同行參考.

2 實驗原理及目的

磁致旋光效應也就是法拉第效應,是指光在外加磁場的作用下,通過介質使光波的振動面發生旋轉的現象,它的定量描述是法拉第-費爾德定律.其內容說明振動面旋轉的角度θ與光在介質中經過的路程D以及外加磁場的磁感應強度B在光線傳播方向上的分量成正比,即

θ=VDB

式中,比例常數V稱為費爾德常數.幾種物質的費爾德常數如表1所示,費爾德常數還隨光波頻率及環境溫度的變化而變化.

表1 物質的費爾德常數

續表1

實驗的目的就是了解磁致旋光現象;掌握光波振動面旋轉角度的測量方法;通過對樣品介質的測試來驗證法拉第-費爾德定律.

3 實驗儀器組成及測量結果

3.1 實驗儀器組成

實驗主體部分之一是浙江光學儀器廠生產的精度為0.05°的 WXG—4型旋光儀,利用它測旋光角的巧妙方法來測本實驗的振動面旋轉的角度θ,這個儀器幾乎每個學校都有,如圖1所示,將測量主體部分安裝在底座上.實驗的另一主體部分是產生勻強磁場的螺線管,有條件的可以自己做,筆者采用的是成都世紀中科儀器有限公司生產的電子束實驗儀上的磁聚焦用的螺線管,其長度為0.229m、內徑為0.090m、外徑為0.095m、總匝數為1230.輔助設備為具有恒流功能的穩壓電源一個、鈉光燈一個、底座一個、光學支架兩個(將旋光儀主體部分支起,圖中未畫)、重火石玻璃棒兩個.儀器組成參見圖1.其中,1:穩壓電源;2:鈉光燈;3:底座;4:螺線管;5:旋光儀主體;6:重火石玻璃棒樣品.

圖1 磁致旋光實驗儀器組成簡圖

3.2 實驗結果

筆者用這套儀器對重火石玻璃棒進行了測量,測得樣品在不同的磁場下的旋光角,實驗數據見表2.用M atlab進行線性回歸求出費爾德常數V=4.59×104(′/T ·m),擬合曲線如圖 2所示 ,同時用最小二乘法求得其不確定度為0.09×104(′/T ·m),線性相關系數 r=0.998.

表2 實驗數據表

圖2 旋光角與磁感應強度擬合曲線

4 實驗存在的不足及改進措施

為了旋光現象明顯,本實驗用了兩根重火石玻璃棒,這樣很難保證整個樣品所在位置的磁場一樣強,光線方向嚴格與磁場方向一致,這樣,上述方法基本上能達到實驗的目的,但在精度上受到很大的限制.以下根據制約因素提出相應的改進措施:

第一,因為費爾德常數一般都很小,為了提高測量旋光角的精度,一方面可以考慮增加樣品的長度,由于螺線管的邊緣效應而保持大空間磁場的均勻性是很難的,這一方法不可取.另一方面可以考慮增強磁場的強度,這一方法是可行的,只要專門加工匝數多的螺線管即可.另外還可以購買費爾德常數大的樣品,如稀土玻璃棒等.

第二,上述實驗只是測量重火石玻璃棒費爾德常數的一個內容,有條件的還可以讓學生自行設計在一定磁場下測量旋光角與波長的關系.最后讓學生考慮現代通信中采用的磁光調制原理是什么,要研究這一原理需要哪些儀器及什么樣的材料做樣品.

第三,費爾德常數會隨溫度而變化,因此測量速度要快,否則因螺線管長時間通電會使周圍溫度上升而引入測量誤差.讓學生考慮如何能實現恒溫條件.

5 結論

自行組裝的磁致旋光實驗裝置成本低、簡便可行,雖然測量精度不是很高,但它是一個開放式的實驗,能給學生留有思考的余地,實驗結束后可與目前教科書中的方法及所采用的成套儀器加以比較分析各自的優缺點,可以很好地達到教學的目的.另外,它更適合作為一個設計性實驗項目來開設,教師只要給出實驗目的、任務及要求,讓學生結合所學知識查資料弄懂原理并設計實驗方案,再根據已有實驗器材進行可行性論證,最后讓學生自行動手組織安排實驗全過程,通過測量分析不足,尋找改進措施,并可以對存在的問題繼續深入思考和研究.這樣不僅可以提高學生做實驗的積極性和主動性,還可以鍛煉學生的發散思維,更能提高學生解決實際問題的能力.

[1] 楊述武.普通物理實驗(光學部分)[M].北京:高等教育出版社,2000.230～238

[2] 錢小陵.用氦氖激光精密測量費爾德常數[J].應用激光,1996,(5)

[3] 李長江.物理實驗[M].北京:化學工業出版社,2002.179～182

[4] 張天喆,董有爾.近代物理實驗[M].北京:科學出版社,2004.214～220

[5] 吳思誠,王祖銓.近代物理實驗[M].北京:北京大學出版社,1995.228～236

SELF-ASSEMBL INGMAGNETIC ROTATION EXPERIM ENTDEVICE

Zhu Erkuang Hu Yafan Chen Hailiang Wang Suom ing

(College of Science,Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei 066004)

A convenient and feasible experimental method of measuring Verdet constant has been p rovided on the basis of Faraday effect.Experiment result w as offered.Through the analysis of advantages and disadvantages of the method,we have given the imp rovement.

Faraday effect;magnetic field;Verdet constant;vibration p lane

2009-06-15)

朱二曠(1979年出生),男,河南開封,碩士,初級實驗師,燕山大學理學院,研究方向:大學物理實驗教學.

胡亞范,女,黑龍江,本科,副教授,燕山大學理學院,研究方向:大學物理教學.

王鎖明(1978年出生),男,陜西楊陵.中級實驗師,碩士,現于燕山大學從事大學物理實驗教學工作.

陳海良(1980年出生),男,河北邯鄲,碩士,初級實驗師,燕山大學理學院,研究方向:大學物理實驗教學.