自行組裝磁致旋光實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jiǎn)便可行的測(cè)量費(fèi)爾德常數(shù)的實(shí)驗(yàn)方案,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量并得出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果,最終分析了該方案的優(yōu)缺點(diǎn)并提出了改進(jìn)措施.

法拉第效應(yīng);磁場(chǎng);費(fèi)爾德常數(shù);振動(dòng)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(cè)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(kāi)設(shè)磁致旋光實(shí)驗(yàn)有著極其重要的意義,實(shí)驗(yàn)所需儀器已有成套設(shè)備,只是價(jià)格較貴,一般院校購(gòu)買有一定的困難,針對(duì)這一矛盾,本文介紹一種簡(jiǎn)易可行的方法實(shí)現(xiàn)磁致旋光的基本實(shí)驗(yàn),僅供同行參考.

2 實(shí)驗(yàn)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(chǎng)的作用下,通過(guò)介質(zhì)使光波的振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,它的定量描述是法拉第-費(fèi)爾德定律.其內(nèi)容說(shuō)明振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度θ與光在介質(zhì)中經(jīng)過(guò)的路程D以及外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(fèi)爾德常數(shù).幾種物質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)如表1所示,費(fèi)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(fèi)爾德常數(shù)

續(xù)表1

實(shí)驗(yàn)的目的就是了解磁致旋光現(xiàn)象;掌握光波振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量方法;通過(guò)對(duì)樣品介質(zhì)的測(cè)試來(lái)驗(yàn)證法拉第-費(fèi)爾德定律.

3 實(shí)驗(yàn)儀器組成及測(cè)量結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器組成

實(shí)驗(yàn)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(cè)旋光角的巧妙方法來(lái)測(cè)本實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度θ,這個(gè)儀器幾乎每個(gè)學(xué)校都有,如圖1所示,將測(cè)量主體部分安裝在底座上.實(shí)驗(yàn)的另一主體部分是產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場(chǎng)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(shí)驗(yàn)儀上的磁聚焦用的螺線管,其長(zhǎng)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(gè)、鈉光燈一個(gè)、底座一個(gè)、光學(xué)支架兩個(gè)(將旋光儀主體部分支起,圖中未畫)、重火石玻璃棒兩個(gè).儀器組成參見(jiàn)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(shí)驗(yàn)儀器組成簡(jiǎn)圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

筆者用這套儀器對(duì)重火石玻璃棒進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)得樣品在不同的磁場(chǎng)下的旋光角,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.用M atlab進(jìn)行線性回歸求出費(fèi)爾德常數(shù)V=4.59×104(′/T ·m),擬合曲線如圖 2所示 ,同時(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖2 旋光角與磁感應(yīng)強(qiáng)度擬合曲線

4 實(shí)驗(yàn)存在的不足及改進(jìn)措施

為了旋光現(xiàn)象明顯,本實(shí)驗(yàn)用了兩根重火石玻璃棒,這樣很難保證整個(gè)樣品所在位置的磁場(chǎng)一樣強(qiáng),光線方向嚴(yán)格與磁場(chǎng)方向一致,這樣,上述方法基本上能達(dá)到實(shí)驗(yàn)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(jìn)措施:

第一,因?yàn)橘M(fèi)爾德常數(shù)一般都很小,為了提高測(cè)量旋光角的精度,一方面可以考慮增加樣品的長(zhǎng)度,由于螺線管的邊緣效應(yīng)而保持大空間磁場(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)的強(qiáng)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(gòu)買費(fèi)爾德常數(shù)大的樣品,如稀土玻璃棒等.

第二,上述實(shí)驗(yàn)只是測(cè)量重火石玻璃棒費(fèi)爾德常數(shù)的一個(gè)內(nèi)容,有條件的還可以讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)在一定磁場(chǎng)下測(cè)量旋光角與波長(zhǎng)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(fèi)爾德常數(shù)會(huì)隨溫度而變化,因此測(cè)量速度要快,否則因螺線管長(zhǎng)時(shí)間通電會(huì)使周圍溫度上升而引入測(cè)量誤差.讓學(xué)生考慮如何能實(shí)現(xiàn)恒溫條件.

5 結(jié)論

自行組裝的磁致旋光實(shí)驗(yàn)裝置成本低、簡(jiǎn)便可行,雖然測(cè)量精度不是很高,但它是一個(gè)開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn),能給學(xué)生留有思考的余地,實(shí)驗(yàn)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(diǎn),可以很好地達(dá)到教學(xué)的目的.另外,它更適合作為一個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)開(kāi)設(shè),教師只要給出實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⑷蝿?wù)及要求,讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí)查資料弄懂原理并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,再根據(jù)已有實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行可行性論證,最后讓學(xué)生自行動(dòng)手組織安排實(shí)驗(yàn)全過(guò)程,通過(guò)測(cè)量分析不足,尋找改進(jìn)措施,并可以對(duì)存在的問(wèn)題繼續(xù)深入思考和研究.這樣不僅可以提高學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)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(shí)際問(wèn)題的能力.

[1] 楊述武.普通物理實(shí)驗(yàn)(光學(xué)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(cè)量費(fèi)爾德常數(shù)[J].應(yīng)用激光,1996,(5)

[3] 李長(zhǎng)江.物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.179～182

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

[5] 吳思誠(chéng),王祖銓.近代物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:北京大學(xué)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(kāi)封,碩士,初級(jí)實(shí)驗(yàn)師,燕山大學(xué)理學(xué)院,研究方向:大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)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(jí)實(shí)驗(yàn)師,碩士,現(xiàn)于燕山大學(xué)從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作.

陳海良(1980年出生),男,河北邯鄲,碩士,初級(jí)實(shí)驗(yàn)師,燕山大學(xué)理學(xué)院,研究方向:大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).