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(xué)理學(xué)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(xué)理學(xué)院,河北秦皇島 066004)

本文在概括了法拉第效應(yīng)的現(xiàn)象及意義的基礎(chǔ)上,提出了一種簡便可行的測量費爾德常數(shù)的實驗方案,通過實驗測量并得出了實驗結(jié)果,最終分析了該方案的優(yōu)缺點并提出了改進措施.

法拉第效應(yīng);磁場;費爾德常數(shù);振動面

1 引言

磁致旋光現(xiàn)象是法拉第于1845年發(fā)現(xiàn)的,目前它有許多重要應(yīng)用,如在半導(dǎo)體物理中測量有效質(zhì)量、遷移率;在激光技術(shù)中制造光調(diào)制器、光隔離器和光頻環(huán)行器等.因此在各高校開設(shè)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(shè)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(xiàn)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(yīng)也就是法拉第效應(yīng),是指光在外加磁場的作用下,通過介質(zhì)使光波的振動面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,它的定量描述是法拉第-費爾德定律.其內(nèi)容說明振動面旋轉(zhuǎn)的角度θ與光在介質(zhì)中經(jīng)過的路程D以及外加磁場的磁感應(yīng)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(shù)V稱為費爾德常數(shù).幾種物質(zhì)的費爾德常數(shù)如表1所示,費爾德常數(shù)還隨光波頻率及環(huán)境溫度的變化而變化.

表1 物質(zhì)的費爾德常數(shù)

續(xù)表1

實驗的目的就是了解磁致旋光現(xiàn)象;掌握光波振動面旋轉(zhuǎn)角度的測量方法;通過對樣品介質(zhì)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(jié)果

3.1 實驗儀器組成

實驗主體部分之一是浙江光學(xué)儀器廠生產(chǎn)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(zhuǎn)的角度θ,這個儀器幾乎每個學(xué)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(chǎn)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(jì)中科儀器有限公司生產(chǎn)的電子束實驗儀上的磁聚焦用的螺線管,其長度為0.229m、內(nèi)徑為0.090m、外徑為0.095m、總匝數(shù)為1230.輔助設(shè)備為具有恒流功能的穩(wěn)壓電源一個、鈉光燈一個、底座一個、光學(xué)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(wěn)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(jié)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(shù)據(jù)見表2.用M atlab進行線性回歸求出費爾德常數(shù)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(guān)系數(shù) r=0.998.

表2 實驗數(shù)據(jù)表

圖2 旋光角與磁感應(yīng)強度擬合曲線

4 實驗存在的不足及改進措施

為了旋光現(xiàn)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(yán)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(jù)制約因素提出相應(yīng)的改進措施:

第一,因為費爾德常數(shù)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(yīng)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(shù)多的螺線管即可.另外還可以購買費爾德常數(shù)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(shù)的一個內(nèi)容,有條件的還可以讓學(xué)生自行設(shè)計在一定磁場下測量旋光角與波長的關(guān)系.最后讓學(xué)生考慮現(xiàn)代通信中采用的磁光調(diào)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(shù)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(xué)生考慮如何能實現(xiàn)恒溫條件.

5 結(jié)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(xué)生留有思考的余地,實驗結(jié)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(yōu)缺點,可以很好地達到教學(xué)的目的.另外,它更適合作為一個設(shè)計性實驗項目來開設(shè),教師只要給出實驗?zāi)康?、任?wù)及要求,讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識查資料弄懂原理并設(shè)計實驗方案,再根據(jù)已有實驗器材進行可行性論證,最后讓學(xué)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(xù)深入思考和研究.這樣不僅可以提高學(xué)生做實驗的積極性和主動性,還可以鍛煉學(xué)生的發(fā)散思維,更能提高學(xué)生解決實際問題的能力.

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[4] 張?zhí)靻?董有爾.近代物理實驗[M].北京:科學(xué)出版社,2004.214～220

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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(xué)理學(xué)院,研究方向:大學(xué)物理實驗教學(xué).

胡亞范,女,黑龍江,本科,副教授,燕山大學(xué)理學(xué)院,研究方向:大學(xué)物理教學(xué).

王鎖明(1978年出生),男,陜西楊陵.中級實驗師,碩士,現(xiàn)于燕山大學(xué)從事大學(xué)物理實驗教學(xué)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(xué)理學(xué)院,研究方向:大學(xué)物理實驗教學(xué).