CN209297585U - 一种霍尔、法拉第和塞曼效应综合实验仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种霍尔、法拉第和塞曼效应综合实验仪，包括光具座、电磁铁、氦氖激光器、霍尔元件、二维移动尺、样品台、待测样品和笔形汞灯，其中：所述光具座上放置有读数显微镜、成像透镜、标准具、干涉滤光片、会聚透镜、光电转换盒和偏振检测器；所述二维移动尺上设置有霍尔元件；所述样品台的顶部设置有待测样品；所述电磁铁中的缝隙中可选择地拆装由霍尔元件和二维移动尺组成的霍尔效应组件、由样品台和待测样品组成的法拉第效应组件以及包括笔形汞灯的塞曼效应组件中的任意一套组件；所述电磁铁安装在一个转台的顶部。本实用新型能够满足霍尔效应、法拉第效应以及塞曼效应三种物理实验效应的观测与测量，显著降低教学科研的成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及实验技术领域，特别是涉及一种霍尔、法拉第和塞曼效应综合实验仪。
背景技术
早在1845年，法拉第(M.Faraday)在实验中发现，当一束线偏振光通过置于磁场中的非旋光性介质时，如果磁场方向平行于光的传播方向，则线偏振光通过介质后偏振面会发生旋转，该效应称为法拉第效应。到了1879年，美国物理学家霍尔(E.H.Hall)在研究磁场中载流导体的导电机制时发现，将一块通有电流I的金属或半导体薄片置于垂直于I的磁场B中时，在垂直于电流I和磁场B的方向上导体的两侧会产生一个电位差UH，该效应称为霍尔效应。1896年，塞曼(P.Zeeman)发现，置于足够强磁场中的光源发出的每条光谱线会分裂成若干条偏振化的谱线，这一现象称为塞曼效应。
目前，霍尔效应、法拉第与塞曼效应这三种效应均为经典的物理实验效应，在高校的物理教学与光电性能检测中占有重要地位。但是，由于霍尔效应是电磁效应的一种，而法拉第与塞曼效应属于磁光效应，因此，三种效应的实验观测通常需要用到三种不同的实验仪器，这将造成极大的资源浪费，显著增加了教学科研的成本。
因此，目前迫切需要开发出一种实验装置，其能够满足霍尔效应、法拉第效应以及塞曼效应三种物理实验效应的观测与测量，方便进行实验，显著降低教学科研的成本。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种霍尔、法拉第和塞曼效应综合实验仪，其能够满足霍尔效应、法拉第效应以及塞曼效应三种物理实验效应的观测与测量，方便进行实验，显著降低教学科研的成本，有利于广泛地应用，具有重大的生产实践意义。
为此，本实用新型提供了一种霍尔、法拉第和塞曼效应综合实验仪，包括光具座、电磁铁、氦氖激光器、霍尔元件、二维移动尺、样品台、待测样品和笔形汞灯，其中：
所述光具座上放置有读数显微镜、成像透镜、标准具、干涉滤光片、会聚透镜、光电转换盒和偏振检测器；
所述二维移动尺上设置有霍尔元件；
所述样品台的顶部设置有待测样品；
所述电磁铁中的缝隙中可选择地拆装由霍尔元件和二维移动尺组成的霍尔效应组件、由样品台和待测样品组成的法拉第效应组件以及包括笔形汞灯的塞曼效应组件中的任意一套组件；
所述电磁铁为C型的电磁铁，所述电磁铁安装在一个转台的顶部。
其中，所述标准具优选为法布里-珀罗标准具。
其中，所述电磁铁上的线圈通过导线和一个开关K1与一个励磁电源上的励磁电流输入端相连接。
其中，所述氦氖激光器位于一个可升降的支架的顶部。
其中，当进行霍尔效应实验时，所述电磁铁中的缝隙中安装由霍尔元件和二维移动尺组成的霍尔效应组件；
所述霍尔元件顶部右边的工作电流端通过导线和一个开关K2与一个光电探测器上的工作电流输出端相连；
所述霍尔元件顶部左边的霍尔电压端通过导线和一个开关K3与所述光电探测器上的霍尔电压输入端相连。
其中，当进行法拉第效应实验时，所述电磁铁中的缝隙中安装由样品台和待测样品组成的法拉第效应组件；
所述光电转换盒与光电探测器上具有的光功率计相连接；
所述电磁铁的上部左右两端分别横向贯穿设置有通光孔；
所述氦氖激光器位于所述电磁铁的右边；
所述氦氖激光器的激光发射孔与通光孔位于同一高度；
所述电磁铁的左边垂直设置有光电转换盒和偏振检测器，所述光电转换盒位于偏振检测器的左侧壁上。
其中，当进行塞曼效应实验时，所述电磁铁中的缝隙中安装包括笔形汞灯的塞曼效应组件；
所述笔形汞灯与汞灯专用电源相连接；
所述电磁铁右边依次设置有会聚透镜、干涉滤光片、标准具、偏振检测器、成像透镜和读数显微镜；
所述会聚透镜、干涉滤光片、标准具、偏振检测器、成像透镜和读数显微镜的中心点位于同一轴向直线上。
由以上本实用新型提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本实用新型提供了一种霍尔、法拉第和塞曼效应综合实验仪，其能够满足霍尔效应、法拉第效应以及塞曼效应三种物理实验效应的观测与测量，方便进行实验，显著降低教学科研的成本，有利于广泛地应用，具有重大的生产实践意义。
附图说明
图1为本实用新型提供的一种霍尔、法拉第和塞曼效应综合实验仪的整体结构示意简图；
图2为本实用新型提供的一种霍尔、法拉第和塞曼效应综合实验仪在测定霍尔效应时使用到实验部件的位置和连接关系示意简图；
图3为本实用新型提供的一种霍尔、法拉第和塞曼效应综合实验仪在测定法拉第效应时使用到实验部件的位置和连接关系示意简图；
图4为本实用新型提供的一种霍尔、法拉第和塞曼效应综合实验仪在测定塞曼效应时使用到实验部件的位置和连接关系的俯视简图；
图中，100为光具座，1为读数显微镜，2为成像透镜，3为标准具，4为干涉滤光片，5为会聚透镜；
6为光电转换盒，7为偏振检测器，8为电磁铁，9为转台，10为样品台；
11为通光孔，12为氦氖激光器，13为激光器支架，14为霍尔元件，15为二维移动尺；
16为光电探测器，17为励磁电源，18为汞灯专用电源，19为笔形汞灯，20为待测样品。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。
参见图1至图4，本实用新型提供了一种霍尔、法拉第和塞曼效应综合实验仪，包括光具座100、电磁铁8、氦氖激光器12、霍尔元件14、二维移动尺15、样品台10、待测样品20和笔形汞灯19，其中：
所述光具座100上放置有读数显微镜1、成像透镜2、标准具3、干涉滤光片4、会聚透镜5、光电转换盒6和偏振检测器7；
所述二维移动尺15上设置有霍尔元件14，二维移动尺15能够带动霍尔元件14进行水平方向以及垂直方向的移动；
所述样品台10的顶部设置有待测样品20；
所述电磁铁8中的缝隙中可选择地拆装由霍尔元件14和二维移动尺15组成的霍尔效应组件、由样品台10和待测样品20组成的法拉第效应组件以及包括笔形汞灯19的塞曼效应组件中的任意一套组件。
在本实用新型中，具体实现上，所述标准具3优选为法布里-珀罗标准具。
在本实用新型中，具体实现上，所述电磁铁8为C型的电磁铁，所述电磁铁8安装在一个转台9的顶部，可以在转台9的顶部进行水平旋转。
具体实现上，所述电磁铁8上的线圈通过导线和一个开关K1与一个励磁电源17上的励磁电流IM输入端相连接。
在本实用新型中，具体实现上，所述氦氖激光器12位于一个可升降的支架13的顶部。
在本实用新型中，具体实现上，当进行霍尔效应实验时，所述电磁铁8中的缝隙中安装由霍尔元件14和二维移动尺15组成的霍尔效应组件；
所述霍尔元件14顶部右边的工作电流端通过导线和一个开关K2与一个光电探测器16上的工作电流Is输出端相连；
所述霍尔元件14顶部左边的霍尔电压端通过导线和一个开关K3与所述光电探测器16上的霍尔电压UH输入端相连。
在本实用新型中，具体实现上，当进行法拉第效应实验时，所述电磁铁8中的缝隙中安装由样品台10和待测样品20组成的法拉第效应组件；
所述光电转换盒6与光电探测器16上具有的光功率计相连接；
所述电磁铁8的上部左右两端分别横向贯穿设置有通光孔11；
所述氦氖激光器12位于所述电磁铁8的右边；
所述氦氖激光器12的激光发射孔与通光孔11位于同一高度，从而使得氦氖激光器12发出的准直光束完全通过电磁铁8上的通光孔11；
所述电磁铁8的左边垂直设置有光电转换盒6和偏振检测器7，所述光电转换盒6位于偏振检测器7的左侧壁上。
在本实用新型中，具体实现上，当进行塞曼效应实验时，所述电磁铁8中的缝隙中安装包括笔形汞灯19的塞曼效应组件；
所述笔形汞灯19与汞灯专用电源18相连接；
所述电磁铁8右边依次设置有会聚透镜5、干涉滤光片4、标准具3、偏振检测器7、成像透镜2和读数显微镜1；
所述会聚透镜5、干涉滤光片4、标准具3、偏振检测器7、成像透镜2和读数显微镜1的中心点位于同一轴向直线上。
在本实用新型中，具体实现上，K1、K2和K3分别为控制励磁电流、工作电流和霍尔电压的双刀双掷换向开关。
在本实用新型中，读数显微镜1，用于直接观察和测量汞灯发出的546.1nm光谱线的分裂情况。
成像透镜2，用于使法布里-珀罗标准具的干涉图像形成在成像透镜2的焦平面上，以便于观测和拍摄。
标准具3，鉴于塞曼分裂的波长差是很小的，因此需要高分辨率的分光仪器，在实验中一般采用法布里-珀罗标准具来分光，它的理论分辨率可以达到105～107。
需要说明的是，法布里-珀罗标准具是由两块平面玻璃板中间夹有一个间隔圈组成的，玻璃板的内表面镀有高反射膜。间隔圈用膨胀系数很小的材料加工成一定的厚度，以保证两玻璃板的距离不变，再用三个调节螺丝调节玻璃上的压力来达到精准平行。法布里-珀罗标准具是多光束干涉装置，一束光以某个角度射入标准具后，这束光可以在标准具的两玻璃板内表面之间进行多次反射和透射，透射平行光束经透镜(即成像透镜2)会聚在它的焦平面上产生干涉。
在本实用新型中，干涉滤光片4，用于只允许汞灯发出的546.1nm的光谱线通过，滤掉其他谱线，从而得到单色光。
会聚透镜5，用于在进行塞曼效应时，使通过标准具的光增强。同时，通过调节会聚透镜的位置，使得观察的图像明亮清晰。
笔形汞灯19，用于将笔形汞灯19放置在磁隙中并接通汞灯专用电源18，汞灯发出的546.1nm光谱线在磁场作用下产生跃迁，分裂成若干条偏振化谱线。采用图4所示的光路装置，可观测汞谱线在磁场中的分裂情况(即塞曼效应)。
需要说明的是，对于光电转换盒6与偏振检测器7，其中，偏振检测器7上设置有角度刻度盘，刻度盘内装有偏振片。在法拉第效应中，光电转换盒6位于偏振检测器7的左侧壁上，激光发射孔与偏振检测器7的中心点位于同一轴向直线上时，激光光斑经偏振片后正好打在光电转换盒6的通光孔上，光电转换盒6经导线与光功率计相连接，此时旋转刻度盘上的旋钮，可以发现光功率计的读数发生变化，当偏振片的偏振方向与激光的偏振方向垂直时，光功率计的示数最小。而在塞曼效应中，拿掉光电转换盒6，此时偏振检测器7做偏振片用，偏振片在垂直磁场方向观察时用以鉴别π成分和σ成分；在沿磁场方向观察时与1/4波晶片一起，用以鉴别左旋或右旋圆偏振光。
关于电磁铁8与励磁电源17，其中，电磁铁8上的线圈经导线和开关K1与励磁电源17相连接，通过改变励磁电源17产生的励磁电流IM，可以控制电磁铁8的磁隙间的磁感应强度B。
氦氖激光器12，其具有的激光管内装有布儒斯特窗，在法拉第效应中用于产生准直线偏振光束。
关于霍尔元件14与二维移动尺15，其中，霍尔元件14用于测量磁感应强度B的大小，二维移动尺15可调节霍尔元件14在水平和垂直方向上的移动。
需要说明的是，对于光电探测器16，该光电探测器16设有工作电流、霍尔电压、光功率三个端口。其中，霍尔元件14上的工作电流端经导线和开关K2与光电探测器16上的工作电流Is输出端相连，霍尔电压端经导线和开关K3与光电探测器16上的霍尔电压UH输入端相连；光电转换盒6经导线与光电探测器16上的光功率计相连接。
对于待测样品20，在法拉第效应中，将待测样品20固定于样品台10上并置于电磁铁8的磁隙中，以观测样品的磁致旋光特性。
在本实用新型中，具体实现上，所述氦氖激光器12可以为任意一种能够在本专利中实施的氦氖激光器，例如可以为上海埃波激光仪器有限公司生产的、型号为QJH-34A的氦氖激光器。
具体实现上，所述读数显微镜1可以为任意一种能够在本专利中实施的读数显微镜，例如可以为上海力华仪器制造有限公司生产的读数显微镜。
具体实现上，所述光电转换盒6可以为上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的光电转换盒。
具体实现上，所述偏振检测器7可以为上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的偏振检测器。
具体实现上，所述光电探测器16可以为上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的光电探测器。
具体实现上，所述汞灯专用电源18可以为上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的汞灯专用电源。
具体实现上，所述励磁电源17可以为浙江三科电气有限公司生产的型号为SK1730SBP的励磁电源，其是输出0～5A直流的稳压电源。
具体实现上，所述二维移动尺15可以为成都世纪中科仪器有限公司生产的二维移动尺。
在本实用新型中，具体实现上，所述综合实验仪器的技术参数包括：
1、氦氖激光器12的激光管内装有布儒斯特窗，激光输出功率≥1.5mW，光斑直径Φ＝2.6mm，支架调节范围为80～196mm；
2、电磁铁8的最大磁感应强度为1.400T，在中心轴线上开设有平行于磁场线的通光孔，通光孔直径Φ＝3.0mm；
3、励磁电源17最大输出稳压与稳流值分别为60V与10A，整机过热保护阈值80～85℃；
4、干涉滤光片4的中心波长为546.1nm，透射带宽<10nm，峰值透过率>50％；
5、标准具3(即法布里-珀罗标准具)的通光口径与平晶间隔分别为40mm与2mm，中心波长与高反射带宽分别为589.3nm与100nm；
6、读数显微镜1的工作距离为62mm，有效测量范围6mm，放大倍数为20，目镜焦距与视场直径分别为12.6mm与9mm，目镜分化尺格值1mm、刻度数8mm，测微鼓轮最小读数0.01mm；
7、霍尔元件14是采用CMOS工艺技术设计加工成的磁敏传感器集成电路，其工作电流的最大输出稳流值为25mA。
在本实用新型中，需要说明的是，霍尔效应、法拉第效应以及塞曼效应三种物理实验的观测与测量共用一套C型电磁铁与霍尔元件，在三种实验效应的观测中均需要用到电磁铁与霍尔元件。其中，C型电磁铁的磁隙中可以完成霍尔元件及二维移动尺、样品台及待测样品、笔形汞灯三者间的互换安装与拆卸。
在本实用新型中，霍尔元件既可以完成霍尔效应的观测，也可以用于法拉第效应与塞曼效应实验中磁感应强度的测量。
下面结合具体的实验过程，来进一步说明本实用新型的技术方案。
如图2所示，在使用本实用新型进行磁场测量(即霍尔效应实验观测)时，霍尔元件14置于C型电磁铁8的磁隙中，并使元件平面与磁感应强度B垂直，二维移动标尺15可在水平与垂直方向上调节霍尔元件14的位置。霍尔元件14上的工作电流端经导线和开关K2与光电探测器16上的工作电流Is输出端相连；霍尔电压端经导线和开关K3与光电探测器16上的霍尔电压UH输入端相连。双刀双掷开关K1和K2的换向可以分别改变磁感应强度B和工作电流Is的方向，通过该方法可以消除与霍尔电压一起出现的附加电位差。如果已知霍尔元件14的灵敏度β，通过光电探测器16输入恒定的工作电流Is并测得霍尔电压UH的值后，即可根据公式B＝UH/(βIs)求出待测磁场的磁感应强度B，B的方向可根据工作电流Is流向及霍尔电压UH正负加以判断。
如图3所示，在使用本实用新型完成法拉第效应实验时，调节氦氖激光器12底部的调节架13，使氦氖激光器12发出的准直光束完全通过电磁铁8中心的通光孔11；调节光电转换盒6和偏振检测器7的高度，使激光光斑正好打在光电转换盒6的中心孔上，光电转换盒6与光电探测器16上的光功率计相连接，此时，转动偏振检测器7上的刻度盘旋钮，可以观测到光功率计的读数发生变化；将待测样品20固定在样品台10上，使激光光束完全通过待测样品20；因氦氖激光器12激光管内已经装有布儒斯特窗，出射激光已经是线偏振光，所以不用加起偏器，转动偏振检测器7上的刻度盘，使光功率计示数最小，读取此时刻度盘上的角度θ1；开启励磁电源17，给样品加上稳定磁场，由于法拉第效应，可以看到光功率计示数增大，再次转动偏振检测器7上的刻度盘，使光功率计示数最小，读取此时的角度值θ2；然后，根据上述霍尔效应，然后，将待测样品20拿开，而将霍尔元件14放在待测样品20原先所在的位置，通过霍尔元件14可以测得样品位置处的磁感应强度B，若已知样品厚度d，则可根据公式Γ＝|θ2-θ1|/(Bd)求出样品的费尔德常数Γ。
如图4所示，在使用本实用新型完成塞曼效应实验时，转动电磁铁8，使之纵向放置(具体为左转或者右转90度角，观测横向塞曼效应)，将笔形汞灯19放置在磁隙中并接通汞灯专用电源18；在光具座上依次放置会聚透镜5，干涉滤光片4，标准具3，偏振检测器7，成像透镜2，读数显微镜1，调节各组件等高共轴；暂时取下干涉滤光片4和偏振检测器7，调节各组件位置及法布里-珀罗标准具3的仰角调节旋钮，使干涉圆环同心；加上干涉滤光片4，打开励磁电源17，仔细调节读数显微镜1的位置，并慢慢增大磁场，可以看到逐渐清晰的干涉圆环；加上偏振检测器7并转动其调节旋钮，直到观察到先前每条清晰锐细的圆环分裂成三个亮环；用读数显微镜1测量干涉圆环的直径，求出汞546.1nm的塞曼分裂波数值；然后，将笔形汞灯19拿开，而将霍尔元件14放在笔形汞灯19原先所在的位置，利用霍尔元件14测出相应的磁感应强度B，然后可以计算电子荷质比。利用本实用新型还可以观测纵向塞曼效应，方法是将电磁铁转动90°，使磁力线平行于光具座，在会聚透镜5的右侧加上1/4波晶片，沿磁场方向观察干涉条纹变化情况。
基于以上设计方案可知，本实用新型是在利用霍尔效应测量磁场与利用法拉第和塞曼效应测量磁光效应实验的基础上，设计出将三种经典物理实验效应的测量共用一套电磁铁与霍尔元件的方案。本实用新型的实验仪器结构简单、配置紧凑、生产成本低，实验操作方便，便于多种物理现象的比较与综合分析，适用于大学物理实验的演示与课堂教学。
综上所述，与现有技术相比较，本实用新型提供的一种霍尔、法拉第和塞曼效应综合实验仪，其能够满足霍尔效应、法拉第效应以及塞曼效应三种物理实验效应的观测与测量，方便进行实验，显著降低教学科研的成本，有利于广泛地应用，具有重大的生产实践意义。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种霍尔、法拉第和塞曼效应综合实验仪，其特征在于，包括光具座(100)、电磁铁(8)、氦氖激光器(12)、霍尔元件(14)、二维移动尺(15)、样品台(10)、待测样品(20)和笔形汞灯(19)，其中：
所述光具座(100)上放置有读数显微镜(1)、成像透镜(2)、标准具(3)、干涉滤光片(4)、会聚透镜(5)、光电转换盒(6)和偏振检测器(7)；
所述二维移动尺(15)上设置有霍尔元件(14)；
所述样品台(10)的顶部设置有待测样品(20)；
所述电磁铁(8)中的缝隙中可选择地拆装由霍尔元件(14)和二维移动尺(15)组成的霍尔效应组件、由样品台(10)和待测样品(20)组成的法拉第效应组件以及包括笔形汞灯(19)的塞曼效应组件中的任意一套组件；
所述电磁铁(8)为C型的电磁铁，所述电磁铁(8)安装在一个转台(9)的顶部。
2.如权利要求1所述的综合实验仪，其特征在于，所述标准具(3)优选为法布里-珀罗标准具。
3.如权利要求1所述的综合实验仪，其特征在于，所述电磁铁(8)上的线圈通过导线和一个开关K1与一个励磁电源(17)上的励磁电流输入端相连接。
4.如权利要求1所述的综合实验仪，其特征在于，所述氦氖激光器(12)位于一个可升降的支架(13)的顶部。
5.如权利要求1至4中任一项所述的综合实验仪，其特征在于，当进行霍尔效应实验时，所述电磁铁(8)中的缝隙中安装由霍尔元件(14)和二维移动尺(15)组成的霍尔效应组件；
所述霍尔元件(14)顶部右边的工作电流端通过导线和一个开关K2与一个光电探测器(16)上的工作电流输出端相连；
所述霍尔元件(14)顶部左边的霍尔电压端通过导线和一个开关K3与所述光电探测器(16)上的霍尔电压输入端相连。
6.如权利要求1至4中任一项所述的综合实验仪，其特征在于，当进行法拉第效应实验时，所述电磁铁(8)中的缝隙中安装由样品台(10)和待测样品(20)组成的法拉第效应组件；
所述光电转换盒(6)与光电探测器(16)上具有的光功率计相连接；
所述电磁铁(8)的上部左右两端分别横向贯穿设置有通光孔(11)；
所述氦氖激光器(12)位于所述电磁铁(8)的右边；
所述氦氖激光器(12)的激光发射孔与通光孔(11)位于同一高度；
所述电磁铁(8)的左边垂直设置有光电转换盒(6)和偏振检测器(7)，所述光电转换盒(6)位于偏振检测器(7)的左侧壁上。
7.如权利要求1至4中任一项所述的综合实验仪，其特征在于，当进行塞曼效应实验时，所述电磁铁(8)中的缝隙中安装包括笔形汞灯(19)的塞曼效应组件；
所述笔形汞灯(19)与汞灯专用电源(18)相连接；
所述电磁铁(8)右边依次设置有会聚透镜(5)、干涉滤光片(4)、标准具(3)、偏振检测器(7)、成像透镜(2)和读数显微镜(1)；
所述会聚透镜(5)、干涉滤光片(4)、标准具(3)、偏振检测器(7)、成像透镜(2)和读数显微镜(1)的中心点位于同一轴向直线上。
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