自行组装磁致旋光实验装置

朱二旷 胡亚范 陈海良 王锁明(燕山大学理学院,河北秦皇岛 066004)

自行组装磁致旋光实验装置

朱二旷 胡亚范 陈海良 王锁明(燕山大学理学院,河北秦皇岛 066004)

本文在概括了法拉第效应的现象及意义的基础上,提出了一种简便可行的测量费尔德常数的实验方案,通过实验测量并得出了实验结果,最终分析了该方案的优缺点并提出了改进措施.

法拉第效应;磁场;费尔德常数;振动面

1 引言

磁致旋光现象是法拉第于1845年发现的,目前它有许多重要应用,如在半导体物理中测量有效质量、迁移率;在激光技术中制造光调制器、光隔离器和光频环行器等.因此在各高校开设磁致旋光实验有着极其重要的意义,实验所需仪器已有成套设备,只是价格较贵,一般院校购买有一定的困难,针对这一矛盾,本文介绍一种简易可行的方法实现磁致旋光的基本实验,仅供同行参考.

2 实验原理及目的

磁致旋光效应也就是法拉第效应,是指光在外加磁场的作用下,通过介质使光波的振动面发生旋转的现象,它的定量描述是法拉第-费尔德定律.其内容说明振动面旋转的角度θ与光在介质中经过的路程D以及外加磁场的磁感应强度B在光线传播方向上的分量成正比,即

θ=VDB

式中,比例常数V称为费尔德常数.几种物质的费尔德常数如表1所示,费尔德常数还随光波频率及环境温度的变化而变化.

表1 物质的费尔德常数

续表1

实验的目的就是了解磁致旋光现象;掌握光波振动面旋转角度的测量方法;通过对样品介质的测试来验证法拉第-费尔德定律.

3 实验仪器组成及测量结果

3.1 实验仪器组成

实验主体部分之一是浙江光学仪器厂生产的精度为0.05°的 WXG—4型旋光仪,利用它测旋光角的巧妙方法来测本实验的振动面旋转的角度θ,这个仪器几乎每个学校都有,如图1所示,将测量主体部分安装在底座上.实验的另一主体部分是产生匀强磁场的螺线管,有条件的可以自己做,笔者采用的是成都世纪中科仪器有限公司生产的电子束实验仪上的磁聚焦用的螺线管,其长度为0.229m、内径为0.090m、外径为0.095m、总匝数为1230.辅助设备为具有恒流功能的稳压电源一个、钠光灯一个、底座一个、光学支架两个(将旋光仪主体部分支起,图中未画)、重火石玻璃棒两个.仪器组成参见图1.其中,1:稳压电源;2:钠光灯;3:底座;4:螺线管;5:旋光仪主体;6:重火石玻璃棒样品.

图1 磁致旋光实验仪器组成简图

3.2 实验结果

笔者用这套仪器对重火石玻璃棒进行了测量,测得样品在不同的磁场下的旋光角,实验数据见表2.用M atlab进行线性回归求出费尔德常数V=4.59×104(′/T ·m),拟合曲线如图 2所示 ,同时用最小二乘法求得其不确定度为0.09×104(′/T ·m),线性相关系数 r=0.998.

表2 实验数据表

图2 旋光角与磁感应强度拟合曲线

4 实验存在的不足及改进措施

为了旋光现象明显,本实验用了两根重火石玻璃棒,这样很难保证整个样品所在位置的磁场一样强,光线方向严格与磁场方向一致,这样,上述方法基本上能达到实验的目的,但在精度上受到很大的限制.以下根据制约因素提出相应的改进措施:

第一,因为费尔德常数一般都很小,为了提高测量旋光角的精度,一方面可以考虑增加样品的长度,由于螺线管的边缘效应而保持大空间磁场的均匀性是很难的,这一方法不可取.另一方面可以考虑增强磁场的强度,这一方法是可行的,只要专门加工匝数多的螺线管即可.另外还可以购买费尔德常数大的样品,如稀土玻璃棒等.

第二,上述实验只是测量重火石玻璃棒费尔德常数的一个内容,有条件的还可以让学生自行设计在一定磁场下测量旋光角与波长的关系.最后让学生考虑现代通信中采用的磁光调制原理是什么,要研究这一原理需要哪些仪器及什么样的材料做样品.

第三,费尔德常数会随温度而变化,因此测量速度要快,否则因螺线管长时间通电会使周围温度上升而引入测量误差.让学生考虑如何能实现恒温条件.

5 结论

自行组装的磁致旋光实验装置成本低、简便可行,虽然测量精度不是很高,但它是一个开放式的实验,能给学生留有思考的余地,实验结束后可与目前教科书中的方法及所采用的成套仪器加以比较分析各自的优缺点,可以很好地达到教学的目的.另外,它更适合作为一个设计性实验项目来开设,教师只要给出实验目的、任务及要求,让学生结合所学知识查资料弄懂原理并设计实验方案,再根据已有实验器材进行可行性论证,最后让学生自行动手组织安排实验全过程,通过测量分析不足,寻找改进措施,并可以对存在的问题继续深入思考和研究.这样不仅可以提高学生做实验的积极性和主动性,还可以锻炼学生的发散思维,更能提高学生解决实际问题的能力.

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[5] 吴思诚,王祖铨.近代物理实验[M].北京:北京大学出版社,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)

朱二旷(1979年出生),男,河南开封,硕士,初级实验师,燕山大学理学院,研究方向:大学物理实验教学.

胡亚范,女,黑龙江,本科,副教授,燕山大学理学院,研究方向:大学物理教学.

王锁明(1978年出生),男,陕西杨陵.中级实验师,硕士,现于燕山大学从事大学物理实验教学工作.

陈海良(1980年出生),男,河北邯郸,硕士,初级实验师,燕山大学理学院,研究方向:大学物理实验教学.