Изменение магнитного поля датчиком Холла (Лабораторная работа № 3)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА   № 3

ИЗМЕНЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

ДАТЧИКОМ ХОЛЛА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:  изучить эффект Холла, познакомиться с принципом работы тесламетра   универсального 43205, научиться определять величину и направление вектора индукции постоянного и переменного магнитного полей.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ:

1.  Тесламетр универсальный 43205 с датчиком Холла для измерения радиальной и аксиальной составляющей магнитного поля.

2.  Постоянный магнит плоский.

3.  Постоянный магнит подковообразный.

4.  Соленоид (катушка) демонстрационный съемный.

5.  Выпрямитель ВС-24М.

6.  Амперметр астатический О-5А для измерения постоянного и переменного тока в катушке.

ТЕОРИЯ ЭФФЕКТА ХОЛЛА

            Представим себе проводник в виде плоской ленты, по которой течет ток I. Пусть лента помещена в магнитное поле, вектор индукции которого перпендикулярен ее плоскости. Дрейфовая скорость сводных зарядов равна v и направлена вдоль ленты. Заряды могут быть положительными («дырочная» проводимость) или отрицательным (электронная проводимость).

На рис. 1 для примера показано движение положительного заряда. Легко видеть, что на заряды будет действовать сила Лоренца

                                                                                                           (1)    

Эта сила будет направлена вверх (на рис.1), если вектор индукции  направлен от наблюдателя за чертеж, что указано х.

 

                                                   Рис. 1.

Под действием силы   начнется  перемещение зарядов. На верхней линии  оказывается избыток положительных зарядов, а на нижней линии  - их недостаток, то есть  появится некоторая поперечная разность потенциалов (ЭДС Холла), величина которой  будет пропорциональна току и величине индукции магнитного поля. Перемещение  зарядов прекратится после того как  электрическое поле  (напряженность электрического поля Холла) подействует на заряд q с силой, равной , но направленной в противоположную сторону .

            Подсчитаем величину ЭДС Холла . Если поле в пластинке однородно и ширина пластинки равна h, то

.

            Плотность тока j=nvq, где n-плотность (концентрация) носителей тока; j=i/S=nvq; S-площадь поперечного сечения проводника S=hb, где b-толщина пластинки.

Произведя  некоторые вычисления, легко получим, что

                                                                                    (2)

Обобщение приведенных рассуждений приводит к следующему определению явления, называемого эффектом Холла:

В проводнике (полупроводнике) с плотностью тока j, помещенном в магнитное поле  (или напряженностью магнитного поля ) возникает электрическое поле Холла

                                                                                                            (3)

где R называется постоянной Холла и служит основной характеристикой эффекта Холла. Эффект открыт Е.Г.Холлом в 1879 году и является одним из гальваномагнитных явлений. Для обычных металлов R~10^-12(B см/A Э). Для полупроводников R порядка 10^-9+10^-2, то есть измеряется в широких пределах. Для полупроводников с дырочной проводимостью R>0, а для полупроводников с электронной проводимостью R<0; то есть по знаку постоянной Холла можно определить характер проводимости данных материалов.

Эффект Холла один из наиболее эффективных методов исследования носителей тока в полупроводниках.  Он дает убедительную экспериментальную аргументацию в пользу введения понятия «дырок», позволяет оценивать концентрацию носителей и определять их знак. Эффектом Холла пользуются в технике, автоматике и радиоэлектронике, а также для измерения магнитного поля, что и представлено в данной работе.

ОПИСАНИЕ ПРИБОРА «ТЕСЛАМЕТР УНИВЕРСАЛЬНЫЙ 43205»

1.   Н  А  З  Н  А  Ч  Е  Н  И  Е

1.1. Тесламетр универсальный типа 43205 (в дальнейшем прибор) предназначен для измерений:

·  Радиальной составляющей индукции постоянного магнитного поля и среднеквадратичного значения синусоидальной формы переменного магнитного поля с помощью первичного преобразователя толщиной не более 0,95 мм;

·  Осевой составляющей индукции постоянного магнитного поля с помощью первичного преобразователя диаметром 6 мм.

Соединение первичных преобразователей  с входным разъемом прибора осуществляется  гибкими кабелями длиной 1,5 м.

Выбор диапазона измерений и вида измеряемой индукции – ручной.

Определение полярности индукции постоянного магнитного поля и ее индикации прибором – автоматические.

Значение климатических факторов на ГОСТ 22261-82, группа 2 и ГОСТ 15150-69, условия УХЛ 4.2.

1.2. Индукция радиальной составляющей постоянного и переменного магнитного полей измеряется с помощью первичного измерительного преобразователя ПИП-РАД, выполненного в виде зонда. Индукция осевой составляющей постоянного магнитного поля измеряется с помощью первичного измерительного преобразователя ПИП-АКС, выполненного в виде зонда (перечень принятых сокращений и обозначений  приведен в приложении 1).

ВНИМАНИЕ: приложение механических усилий к измерительным частям первичных измерительных преобразователей НЕДОПУСТИМО!

1.3. Рабочие условия применения приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Влияющая величина	Значение влияющей величины
Температура окружающего воздуха, оС	10 – 35
Относительная влажность воздуха при 25оС, %	80
Атмосферное давление, кПа (мм рт.ст.)	84-106,7 (630 – 800)
Напряжение питающей сети, В	198 – 242
Частота питающей сети, Гц	49,5 – 50,5
Форма кривой измеряемой индукции переменного магнитного поля	Синусоидальная с коэффициентом гармоник не более 5%