几种油的费尔德常量的测量

李苑喆,庄浩丽,张舒婷,林佳佳,韩俊彦,曾育锋

(华南师范大学 物理与电信工程学院，广东 广州 510006)

1845年，法拉第发现磁致旋光效应，并以水的旋光角为参考值，测出其他几种介质相对参考值的倍数，大致给出了一些透明介质的旋光能力[1]. 后来，费尔德引入费尔德常量来衡量介质的旋光能力[2]，不同种类介质的费尔德常量一般不同. 但许多具有磁致旋光性质的介质，并没有对应的费尔德常量的文献记载. 而目前，现有的法拉第效应实验仪大多也只能测算相应配套规格的固体介质的费尔德常量. 为此，笔者在原来实验的基础上进行了改进，探究生活中常见的各种透明液体物质的磁致旋光性，发现油类物质的旋光能力较强且有所差异. 本文主要测量出生活中常见的油类物质(花生油、调和油、色拉油、玉米油和汽车机油)的费尔德常量.

1 实验原理

当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光的振动方向将发生偏转，偏转角度θ与磁感应强度B和光在介质中经过的有效长度L的乘积成正比，即

θ=VBL,

(1)

式中，比例系数V即为费尔德常量，表征物质的磁光特性，由介质和工作波长决定.

磁场由通电螺线管产生，对于长直载流螺线管，其轴线上的磁感应强度B为

B=μ0nI,

(2)

其中真空磁导率μ0=4π×10-7T·m∕A，n为CC-1型法拉第效应实验仪的螺线管的线密度，为10 500 m-1. 式(1)可改写为

θ=Vμ0nLI.

(3)

显然，只要已知流入螺线管的电流大小I，测出不同电流I对应的旋光角θ，利用式(3),求出斜率k可算出介质的费尔德常量.

2 实验方法与分析

在CC-1型法拉第效应实验仪的基础上，实验选用自制的螺线管(如图1所示)和长度20 cm的玻璃样品池(如图2所示)，以方便更换不同透明液体和检验其是否具有磁致旋光效应. 但由于自制的螺线管磁场B较难确定，所以将具有磁致旋光性质的液体介质装入长度20 cm的玻璃试管中(如图3所示)，并放入原实验仪的螺线管中. 实验光路图如图4所示，利用消光法，测量在不同电流I下，线偏振光通过油类介质后旋光角θ的变化.

图1 自制螺线管

图2 玻璃样品池

图3 玻璃试管

图4 实验基本光路图

本实验对每种油类进行多次测量，选取相关系数最接近1的3组数据进行进一步的数据处理与相应的误差分析，且都控制在远小于0.05%的精确度内，保证了数据在零假设成立的情况下，符合F分布的统计量[3].

根据原理部分的相关计算公式，进行费德尔常量的计算，结果如表1所示.

表1 各种油的费尔德常量

本实验由于磁场大小的限制，线偏振光在不同磁场大小下，旋光角θ变化较小，读数时存在偶然误差，测量精度有待提高，可以尝试增大供给线圈的电流大小来增加磁场强度B，或者增加线偏振光在介质中走过的有效长度L.

如今市面上，油类质量参差不齐，地沟油问题严重，也存在用价格较低的调和油或其他油类掺杂花生油，以此冒充价格较高的纯正花生油. 而通过本实验的测量发现不同油类的费尔德常量存在差异. 因此，可利用旋光特性的差异来辨别不同油类及其油类的质量.

(a)玉米油

(b)花生油

(c)色拉油

(d)调和油

(e)机油图5 常见油类的θ-I关系

3 结 论

根据实验结果可知，花生油、调和油、玉米油、色拉油以及汽车机油都具有磁致旋光性质，不同油类的费尔德常量有一定的差异，但油类物质的费尔德常量范围一般为230～260′/T·cm. 费尔德常量越大，表明物质的旋光能力越强，5种油的磁致旋光能力为：色拉油>玉米油>花生油>机油>调和油.

参考文献：

[1] Faraday M．Faraday’s Diary Vol.4 [M]. Martin T Ed. London: G. Bell and Sons， Ltd， 1933:287．

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