CN105788418A - 一种磁学实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁学实验装置，包括设置在台架上并沿光路从下至上依次设置的光源、起偏器、待测试件、检偏组件、劈尖组件、半透反射镜、测微目镜，还包括围绕所述待测试件设置的励磁线圈及其驱动电路；所述检偏组件包括连接套筒、固定顶杆、旋转手轮、动作转换装置；所述连接套筒内设滑槽，旋转手轮可旋转地设于滑槽内；所述旋转手轮底部设置检偏器，旋转手轮与所述检偏器形成的腔室中设置光强探头；所述动作转换装置用于将旋转手轮的旋转转换为滑动顶杆的纵向运动。以及基于该实验装置的实验方法。本发明基于同一装置同时测量磁致伸缩轴向长度变化和磁致旋光两种磁效应的方法和装置，提高了测量效率，并且特别适用于磁学教学实验中。

Description

一种磁学实验装置和方法

所属领域

本发明涉及一种磁学实验装置，属磁学测量与教学演示领域。特别涉及一种同时测量磁致旋光效应和磁致伸缩效应的装置和方法。

背景技术

磁致伸缩效应和磁致旋光效应是两种重要的磁效应，这两类磁效应在精密计量、测试、自动控制等领域有广泛的应用，磁致伸缩实验和磁致旋光实验也是大学物理实验课程的常见实验。目前对,针对两种磁效应的测量是分别进行的，磁致伸缩实验和磁致旋光实验是两个独立实验并各有其实验装置。例如申请公布号为CN102214404A的专利文件公开了一种磁致伸缩测量仪，CN102682651A专利文件公开了一种磁致旋光演示装置，期刊文献“劈尖干涉法测量磁致伸缩系数”(吴庆春等，南京工程学院学报，2015年第13卷第1期)公开了一种用劈尖干涉发测量磁致伸缩系数的方法。由于磁致伸缩效应是轴向的长度变化，而磁致旋光效应是与轴向垂直的圆面内的角度变化，一个是长度变化，一个是角度变化，且两个变化方向互相垂直，因此，现已公开的测量磁致伸缩效应和测量磁致旋光效应的装置互不通用。

发明内容

为了提高仪器通用性，本发明提供了一种磁致伸缩和测量磁致旋光效应实验方法和测量装置。本发明涉及一种磁学实验装置，包括台架，以及设置在台架上并沿光路从下至上依次设置的光源、起偏器、待测试件、检偏组件、劈尖组件、半透反射镜、测微目镜，还包括围绕所述待测试件设置的励磁线圈及其驱动电路；所述检偏组件包括连接套筒、固定顶杆、旋转手轮、动作转换装置；所述连接套筒直接或间接连接固定顶杆；所述连接套筒内设滑槽，该滑槽下部能够容纳并固定所述励磁线圈的上部；旋转手轮可旋转地设于滑槽内；围绕旋转手轮外周在所述连接套筒上设置读数游标；所述旋转手轮底部设置检偏器，旋转手轮与所述检偏器形成的腔室中设置光强探头，该光强探头电连接一光强显示装置；所述动作转换装置用于将旋转手轮的旋转转换为滑动顶杆的纵向运动。

作为优选的技术方案，所述劈尖组件包括并列布置的第一劈尖单元和第二劈尖单元，第一劈尖单元包括第一劈尖上板和第一劈尖下板，第二劈尖单元包括第二劈尖上板和第二劈尖下板，所述滑动顶杆推动第二劈尖下板纵向运动，所述固定顶杆推动第一劈尖上板纵向运动；

作为优选的技术方案，所述测微目镜包括双筒目镜单元或可平移的单筒目镜单元，用于分别观测第一劈尖单元和第二劈尖单元的干涉条纹。

作为优选的技术方案，该实验装置用于同时演示磁致旋光效应和磁致伸缩效应。

作为优选的技术方案，还包括待测试件，所述待测试件包括筒状待测磁致伸缩试件，以及置于筒状待测磁致伸缩试件内的柱状待测磁致旋光试件。

作为优选的技术方案，还包括待测试件组，所述待测试件为一柱状试件。

作为优选的技术方案，所述检偏组件还包括连接杆，用于将固定顶杆与连接套筒固定连接；所述动作转换装置固定设置于连接杆上。

作为优选的技术方案，所述动作转换装置包括套筒、传动螺杆、传动螺母；传动螺杆与传动螺母同轴安装，传动螺杆有外丝扣，传动螺母有内丝扣，传动螺母和所述滑动顶杆同轴放置；传动螺母能够在套筒内的滑槽内上下滑动，并带动滑动顶杆在滑槽内上下运动；旋转手轮上部的主动塔轮带动从动塔轮转动，再通过传动螺杆带动传动螺母向上下滑动；旋转手轮的转动角度由读数游标粗测。

本发明还涉及利用上述任意的磁学实验装置同时演示磁致旋光效应和磁致伸缩效应的方法，包括以下步骤：

步骤一：放置待测试件，与励磁线圈；

步骤二：调节所述旋转手轮使起偏器和检偏器的偏振方向一致，记录光强显示装置数值；

步骤三：缓慢增加励磁线圈的电流到一预设值，对待测试件施加磁作用；待测试件的长度发生变化，推动检偏组件及固定顶杆向上运动，推动所述第一劈尖上板向上移动，导致干涉条纹的数目的变化；利用所述测微目镜对所述第一劈尖单元进行观测；

步骤四，同时测量待测试件磁致旋光效应引起的光偏振面旋转角度值，转动旋转手轮，使光强显示装置的指示再次达到最大时，停止转动；先用读数游标粗测旋转过的角度θ；然后利用所述测微目镜对所述第二劈尖单元进行观测。

此外，本发明还提供了另一种利用上述任意的磁学实验装置同时测量磁致旋光角和磁致伸缩量的方法，包括以下步骤：

步骤一：放置待测试件，与励磁线圈；

步骤二：调节所述旋转手轮使起偏器和检偏器的偏振方向一致，记录光强显示装置数值；

步骤三：缓慢增加励磁线圈的电流到一预设值，对待测试件施加磁作用；待测试件的长度发生变化，推动检偏组件及固定顶杆向上运动，推动所述第一劈尖上板向上移动，导致干涉条纹的数目的变化；利用所述测微目镜观测所述第一劈尖单元，记录干涉条纹的数目的变化，根据劈尖干涉条纹的形成原理，计算出待测试件的磁致伸缩量值△l；

步骤四，同时测量待测试件磁致旋光效应引起的光偏振面旋转角度值，转动旋转手轮，使光强显示装置的指示再次达到最大时，停止转动；先用读数游标粗测旋转过的角度θ；然后利用所述测微目镜观测所述第二劈尖单元，记录干涉条纹的数目的变化，根据劈尖干涉条纹的形成原理，测量旋转手轮转过的微小角度θ′；计算磁致旋光角：θ+θ′。

本发明通过一个检偏组件把磁致旋光效应的角度变化转化为轴向的长度变化，实现了与磁致伸缩效应共用一套测量装置的目的。包括台架，以及设置在台架上并沿光路从下至上依次设置的光源、起偏器、待测试件组、检偏组件、劈尖组件、半透反射镜、测微目镜组，还包括围绕所述待测试件设置的励磁线圈及其驱动电路；所述检偏组件包括检偏器、手轮、主动塔伦、从动塔伦、传动螺杆、传动螺母、传动螺杆、光强探头、光强显示器、固定顶杆、连接套筒及连接杆。

从“零”开始缓慢增加励磁电流到某一值。转动捡偏组件的手轮，手轮驱动传动螺杆转动，传动螺杆带动传动螺母转动，传动螺母推动顶杆向上移动，顶杆推动一个劈尖的下板，从测微目镜观察劈尖上的干涉条纹移动。光强显示最强时，停止转动捡偏手轮，记录劈尖条纹移动个数，即可按照相关公式算出顶杆移动距离，根据顶杆移动距离即可算出捡偏手轮转动角度，此角度等于光偏振面旋转角度。同时，待测试件推动检偏组件向上滑动，固定顶杆推动另一个劈尖的上板向上移动，数出劈尖上干涉条纹的移动个数，根据公式即可计算出试件的磁致伸缩量值。

本发明取得了显著的技术效果，基于同一装置同时测量磁致伸缩轴向长度变化和磁致旋光两种磁效应的方法和装置，提高了测量效率。本发明的装置特别适用于磁致效应的教学试验中，通过同时对磁致旋光和磁致伸缩效应进行实验，使被教育者对两种效应产生直观而深刻的印象，大大增强了教学效果。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图。

图2是检偏组件结构示意图。

图3是劈尖组件结构示意图。

图4是待测试件组安装示意图。

图5劈尖干涉原理示意图。

图6第一劈尖单元工作示意图。

图7第二劈尖单元工作示意图。

图中附图标记含义如下：1，台架；2，光源；3，起偏器；4，待测试件组；5，检偏组件；6，劈尖组件；7，半透反射镜；8，测微目镜组；9励磁线圈；10，检偏器；11，光强探头；12，旋转手轮；13，传动螺杆；14传动螺母；15，滑动顶杆；16，连接套筒；17，连接杆；18，连接套筒；19，套筒的滑槽；20，主动塔伦；21，从动塔伦；22，读数游标；23，暗室；24，光强显示器；25，固定顶杆；26，劈尖组件外壳；271，第一劈尖上板；272，第二劈尖上板；281第一劈尖下板；282第二劈尖下板。

具体实施方式

结合图1对本发明的磁学实验装进行说明。包括台架1，台架1上沿光路从下至上依次连接光源2、起偏器3、待测试件组4、检偏组件5、劈尖组件6、半透反射镜7、测微目镜组8，围绕待测试件4设置有励磁线圈及其驱动电路9。

如图2所示，所述检偏组件包括连接套筒18、固定顶杆25、旋转手轮12、动作转换装置13和14；所述连接套筒18直接或间接连接固定顶杆25；所述连接套筒18内设滑槽，该滑槽下部能够容纳并固定所述励磁线圈9的上部；旋转手轮12可旋转地设于滑槽内；围绕旋转手轮12外周在所述连接套筒18上设置读数游标22；所述旋转手轮12底部设置检偏器10，旋转手轮12与所述检偏器10形成的腔室中设置光强探头11，该光强探头11电连接一光强显示装置24；所述动作转换装置用于将旋转手轮12的旋转转换为滑动顶杆的纵向运动。优选的，该动作转换装置可以由传动螺杆13以及传动螺母14相互配合而构成。

检偏器10、光强探头11与手轮12固定连接，手轮12边缘为角度刻度盘，传动螺杆13与传动螺母14同轴安装，传动螺杆13有外丝扣，传动螺母14有内丝扣，传动螺母14和滑动顶杆15同轴放置；连接套筒16通过滑槽与励磁线圈9连接，连接套筒16通过连接杆17与套筒18固定；传动螺母14滑动顶杆15通过自身凸边可以利用套筒18的滑槽19上下滑动；手轮12体上部的主动塔伦20带动从动塔伦21转动，所述转动再通过传动螺杆13带动传动螺母14向上滑动，进一步推动滑动顶杆15向上滑动；手轮12的转动角度由角度指示22粗侧，检偏器10固定在手轮12的下端构造成暗室23，光强探头11探测暗室23的光强并在光强显示器24上显示。当光强最强时，停止转动手轮12。套筒18的上端固定安装固定顶杆25。

结合图3对劈尖组件进行说明。所述劈尖组件包括并列布置的第一劈尖单元和第二劈尖单元，第一劈尖单元包括第一劈尖上板271和第一劈尖下板281，第二劈尖单元包括第二劈尖上板272和第二劈尖下板282。

结合图6和图7所示，所述滑动顶杆15推动第二劈尖下板282纵向运动，所述固定顶杆25推动第一劈尖上板271纵向运动。

如图4所示，该实验装置用于同时演示磁致旋光效应和磁致伸缩效应，所述待测试件包括筒状待测磁致伸缩试件41，以及置于筒状待测磁致伸缩试件内的柱状待测磁致旋光试件42，二者构成待测试件组4。柱状待测磁致旋光试件42、筒状待测磁致伸缩试件41、励磁线圈9同轴放置，检偏组件的连接螺母16通过滑槽与励磁线圈9连接并由筒状待测磁致伸缩试件41支撑。

作为优选的技术方案，所述测微目镜包括双筒目镜单元或可平移的单筒目镜单元，用于分别观测第一劈尖单元和第二劈尖单元的干涉条纹。

作为优选的技术方案，所述检偏组件还包括连接杆，用于将固定顶杆与连接套筒固定连接；所述动作转换装置固定设置于连接杆上。

作为优选的技术方案，所述动作转换装置包括套筒、传动螺杆、传动螺母；传动螺杆与传动螺母同轴安装，传动螺杆有外丝扣，传动螺母有内丝扣，传动螺母和所述滑动顶杆同轴放置；传动螺母能够在套筒内的滑槽内上下滑动，并带动滑动顶杆在滑槽内上下运动；旋转手轮上部的主动塔轮带动从动塔轮转动，再通过传动螺杆带动传动螺母向上下滑动；旋转手轮的转动角度由读数游标粗测。

两个测微目镜8分别用于观测左侧的干涉条纹以及右侧的干涉条纹。

以下对利用上述磁学实验装同时测量磁致旋光效应和磁致伸缩效应的方法进行说明书，具体如下：

步骤一：同轴放置待测试件组4，其中柱状待测磁致旋光试件[4(2)]、筒状待测磁致伸缩试件[4(1)]、励磁线圈9同轴放置，检偏组件5的连接套筒16通过滑槽与励磁线圈9连接并由筒状待测磁致伸缩试件[4(1)]支撑。

步骤二：调节起偏器3和检偏器10的偏振方向一致，记录光强显示器24数值。

步骤三：从“零”开始缓慢增加励磁线圈9电流到某一值，对待测试件组4施加磁作用。筒状待测磁致伸缩试件41的长度发生变化，推动检偏组件5及固定顶杆25，引起劈尖组件6的一个上板移动，导致干涉条纹的数目的变化。

如图5所示，根据劈尖干涉条纹的形成原理，相邻明纹或暗纹处劈尖的厚度差d为光在劈尖介质中波长的1/2，取空气的折射率n≈1，则条纹移动数目与劈尖上板的垂直移动距离△l的关系为：

$\mathrm{\Δ}l=\mathrm{\Δ}N\frac{\mathrm{\λ}}{2}---\left(1\right)$

公式(1)中△l为固定顶杆25的移动距离，△N为条纹移动数，λ为钠灯波长5.893×10^-7m，通过测微目镜[8(1)]数出劈尖上干涉条纹的移动个数，根据公式(1)即可计算出试件的磁致伸缩量值△l。假设移动条纹数为1，可知测量精度为2.946×10^-7“米”。

同时，测量柱状待测磁致旋光试件[4(2)]引起的光偏振面旋转角度值，先粗侧，后精测。转动捡偏组件的手轮12，通过角度指示22对旋转角度θ粗侧。精测，即测量手轮12转过的微小角度θ′。手轮12驱动传动螺杆13转动，传动螺杆带动传动螺母14转动，传动螺母14推动滑动顶杆15向上移动，滑动顶杆15推动劈尖组件6另一个劈尖的下板移动，引起干涉条纹的移动，从测微目镜[8(2)]观察劈尖上的干涉条纹移动。当光强显示24最强时，停止转动手轮12，记录劈尖条纹移动个数，即可按照公式(1)算出滑动顶杆15的移动距离

${\mathrm{\Δl}}^{\′}={\mathrm{\ΔN}}^{\′}\frac{\mathrm{\λ}}{2}---\left(2\right)$

如果传动螺杆13的螺距为1.5“毫米”，则传动螺杆13的转动角度与轴向移动距离的关系为：

$\frac{\mathrm{\β}}{{\mathrm{\Δl}}^{\′}}=\frac{{360}^0}{1.5\×{10}^{-3}}---\left(3\right)$

把公式(2)带入公式(3)可以得到传动螺杆13的转角为：

$\mathrm{\β}=\frac{{360}^0}{1.5\×{10}^{-4}}\×\frac{\mathrm{\λ}}{2}\×{\mathrm{\ΔN}}^{\′}---\left(4\right)$

如果取手轮12的主动塔伦20与传动螺杆13的从动塔伦21的周长之比为k:1，则有：

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{1}{k}\mathrm{\β}---\left(5\right)$

由公式(4)和(5)得到手轮12转过的微小角度θ′与干涉条纹移动个数的关系为：

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{1}{k}\×\frac{{360}^0}{1.5\×{10}^{-4}}\×\frac{\mathrm{\λ}}{2}\×{\mathrm{\ΔN}}^{\′}---\left(6\right)$

根据(6)式，如果k为100，则移动一个干涉条纹，手轮12转过的角度为0.43′，即测量精度可达到0.5′，如果加大k值，可进一步提高测量精度。

磁致旋光角为：θ+θ′

通过以上步骤，同时测量了磁致旋光效应和磁致伸缩效应。

上述具体实施方式仅用于清楚明了的解释本发明的构思，并于本领域技术人员实施本发明，而并非对本发明保护范围的限定。采用任何类似地本领域常规的实验手段替代本发明的技术手段而得到的技术方案，均落入本发明的保护范围中。

Claims (8)

1.一种磁学实验装置，包括台架，以及设置在台架上并沿光路从下至上依次设置的光源、起偏器、待测试件、检偏组件、劈尖组件、半透反射镜、测微目镜，还包括围绕所述待测试件设置的励磁线圈及其驱动电路；其特征在于，

所述检偏组件包括连接套筒、固定顶杆、旋转手轮、动作转换装置；所述连接套筒直接或间接连接固定顶杆；所述连接套筒内设滑槽，该滑槽下部能够容纳并固定所述励磁线圈的上部；旋转手轮可旋转地设于滑槽内；围绕旋转手轮外周在所述连接套筒上设置读数游标；所述旋转手轮底部设置检偏器，旋转手轮与所述检偏器形成的腔室中设置光强探头，该光强探头电连接一光强显示装置；所述动作转换装置用于将旋转手轮的旋转转换为滑动顶杆的纵向运动；

所述劈尖组件包括并列布置的第一劈尖单元和第二劈尖单元，第一劈尖单元包括第一劈尖上板和第一劈尖下板，第二劈尖单元包括第二劈尖上板和第二劈尖下板，所述滑动顶杆推动第二劈尖下板纵向运动，所述固定顶杆推动第一劈尖上板纵向运动；

所述测微目镜包括双筒目镜单元或可平移的单筒目镜单元，用于分别观测第一劈尖单元和第二劈尖单元的干涉条纹。

2.根据权利要求1所述的磁学实验装置，其特征在于，该实验装置用于同时演示磁致旋光效应和磁致伸缩效应。

3.根据权利要求1所述的磁学实验装置，其特征在于，还包括待测试件，所述待测试件包括筒状待测磁致伸缩试件，以及置于筒状待测磁致伸缩试件内的柱状待测磁致旋光试件。

4.根据权利要求1所述的磁学实验装置，其特征在于，还包括待测试件组，所述待测试件为一柱状试件。

5.根据权利要求1所述的磁学实验装置，其特征在于，所述检偏组件还包括连接杆，用于将固定顶杆与连接套筒固定连接；所述动作转换装置固定设置于连接杆上。

6.根据权利要求5所述的磁学实验装置，其特征在于，所述动作转换装置包括套筒、传动螺杆、传动螺母；传动螺杆与传动螺母同轴安装，传动螺杆有外丝扣，传动螺母有内丝扣，传动螺母和所述滑动顶杆同轴放置；传动螺母能够在套筒内的滑槽内上下滑动，并带动滑动顶杆在滑槽内上下运动；旋转手轮上部的主动塔轮带动从动塔轮转动，再通过传动螺杆带动传动螺母向上下滑动；旋转手轮的转动角度由读数游标粗测。

7.利用权利要求1-6中任一项所述的磁学实验装置同时演示磁致旋光效应和磁致伸缩效应的方法，包括以下步骤：

步骤一：放置待测试件，与励磁线圈；

步骤二：调节所述旋转手轮使起偏器和检偏器的偏振方向一致，记录光强显示装置数值；

步骤三：缓慢增加励磁线圈的电流到一预设值，对待测试件施加磁作用；待测试件的长度发生变化，推动检偏组件及固定顶杆向上运动，推动所述第一劈尖上板向上移动，导致干涉条纹的数目的变化；利用所述测微目镜对所述第一劈尖单元进行观测；

步骤四，同时测量待测试件磁致旋光效应引起的光偏振面旋转角度值，转动旋转手轮，使光强显示装置的指示再次达到最大时，停止转动；先用读数游标粗测旋转过的角度；然后利用所述测微目镜对所述第二劈尖单元进行观测。

8.利用权利要求1-6中任一项所述的磁学实验装置同时测量磁致旋光角和磁致伸缩量的方法，包括以下步骤：

步骤一：放置待测试件，与励磁线圈；

步骤二：调节所述旋转手轮使起偏器和检偏器的偏振方向一致，记录光强显示装置数值；

步骤三：缓慢增加励磁线圈的电流到一预设值，对待测试件施加磁作用；待测试件的长度发生变化，推动检偏组件及固定顶杆向上运动，推动所述第一劈尖上板向上移动，导致干涉条纹的数目的变化；利用所述测微目镜观测所述第一劈尖单元，记录干涉条纹的数目的变化，根据劈尖干涉条纹的形成原理，计算出待测试件的磁致伸缩量值；

步骤四，同时测量待测试件磁致旋光效应引起的光偏振面旋转角度值，转动旋转手轮，使光强显示装置的指示再次达到最大时，停止转动；先用读数游标粗测旋转过的角度；然后利用所述测微目镜观测所述第二劈尖单元，记录干涉条纹的数目的变化，根据劈尖干涉条纹的形成原理，测量旋转手轮转过的微小角度；计算磁致旋光角：。