幾種油的費爾德常量的測量

李苑喆,莊浩麗,張舒婷,林佳佳,韓俊彥,曾育鋒

(華南師范大學 物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006)

1845年，法拉第發現磁致旋光效應，并以水的旋光角為參考值，測出其他幾種介質相對參考值的倍數，大致給出了一些透明介質的旋光能力[1]. 后來，費爾德引入費爾德常量來衡量介質的旋光能力[2]，不同種類介質的費爾德常量一般不同. 但許多具有磁致旋光性質的介質，并沒有對應的費爾德常量的文獻記載. 而目前，現有的法拉第效應實驗儀大多也只能測算相應配套規格的固體介質的費爾德常量. 為此，筆者在原來實驗的基礎上進行了改進，探究生活中常見的各種透明液體物質的磁致旋光性，發現油類物質的旋光能力較強且有所差異. 本文主要測量出生活中常見的油類物質(花生油、調和油、色拉油、玉米油和汽車機油)的費爾德常量.

1 實驗原理

當線偏振光在介質中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光的振動方向將發生偏轉，偏轉角度θ與磁感應強度B和光在介質中經過的有效長度L的乘積成正比，即

θ=VBL,

(1)

式中，比例系數V即為費爾德常量，表征物質的磁光特性，由介質和工作波長決定.

磁場由通電螺線管產生，對于長直載流螺線管，其軸線上的磁感應強度B為

B=μ0nI,

(2)

其中真空磁導率μ0=4π×10-7T·m∕A，n為CC-1型法拉第效應實驗儀的螺線管的線密度，為10 500 m-1. 式(1)可改寫為

θ=Vμ0nLI.

(3)

顯然，只要已知流入螺線管的電流大小I，測出不同電流I對應的旋光角θ，利用式(3),求出斜率k可算出介質的費爾德常量.

2 實驗方法與分析

在CC-1型法拉第效應實驗儀的基礎上，實驗選用自制的螺線管(如圖1所示)和長度20 cm的玻璃樣品池(如圖2所示)，以方便更換不同透明液體和檢驗其是否具有磁致旋光效應. 但由于自制的螺線管磁場B較難確定，所以將具有磁致旋光性質的液體介質裝入長度20 cm的玻璃試管中(如圖3所示)，并放入原實驗儀的螺線管中. 實驗光路圖如圖4所示，利用消光法，測量在不同電流I下，線偏振光通過油類介質后旋光角θ的變化.

圖1 自制螺線管

圖2 玻璃樣品池

圖3 玻璃試管

圖4 實驗基本光路圖

本實驗對每種油類進行多次測量，選取相關系數最接近1的3組數據進行進一步的數據處理與相應的誤差分析，且都控制在遠小于0.05%的精確度內，保證了數據在零假設成立的情況下，符合F分布的統計量[3].

根據原理部分的相關計算公式，進行費德爾常量的計算，結果如表1所示.

表1 各種油的費爾德常量

本實驗由于磁場大小的限制，線偏振光在不同磁場大小下，旋光角θ變化較小，讀數時存在偶然誤差，測量精度有待提高，可以嘗試增大供給線圈的電流大小來增加磁場強度B，或者增加線偏振光在介質中走過的有效長度L.

如今市面上，油類質量參差不齊，地溝油問題嚴重，也存在用價格較低的調和油或其他油類摻雜花生油，以此冒充價格較高的純正花生油. 而通過本實驗的測量發現不同油類的費爾德常量存在差異. 因此，可利用旋光特性的差異來辨別不同油類及其油類的質量.

(a)玉米油

(b)花生油

(c)色拉油

(d)調和油

(e)機油圖5 常見油類的θ-I關系

3 結 論

根據實驗結果可知，花生油、調和油、玉米油、色拉油以及汽車機油都具有磁致旋光性質，不同油類的費爾德常量有一定的差異，但油類物質的費爾德常量范圍一般為230～260′/T·cm. 費爾德常量越大，表明物質的旋光能力越強，5種油的磁致旋光能力為：色拉油>玉米油>花生油>機油>調和油.

參考文獻：

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