Методика эксперимента
В экспериментальной установке исследуемый образец – датчик Холла представляет собой тонкую пластинку германия, обладающего дырочной проводимостью при комнатных температурах.
Напряжения Холла согласно формуле (1) линейно зависит от магнитной индукции В и от тока Iдатч, протекающего в датчике. Установка позволяет получить зависимость U(B) и U(Iдатч) и по угловому коэффициенту экспериментальной прямой определить коэффициент Холла R. В случае линейной зависимости вида U=К·В в соответствии с формулой (1) величина уголовного коэффициента
(10)
В качестве источника постоянного магнитного поля можно использовать электромагнит. Величина индукции магнитного поля В в зазоре электромагнита нелинейно зависит от намагничивающего тока Iэм в его обмотке. Однако на кривой намагничивания сердечника В(Iэм) можно выделить практически линейный участок, для которого справедлива формула
(11)
где о = 4·10–7 Гн/м – магнитная постоянная; N – число витков электромагнита; h – толщина зазора электромагнита.
Задача измерения напряжения Холла осложняется тем, что при проведении эксперимента в пластинке имеется не только поле Холла , но и электрическое поле , создающие ток в датчике (пропускаемый для наблюдения эффекта). На рис.2 показаны эти взаимно перпендикулярные поля и положение проводников (2'–2'), припаянных к датчику для измерения напряжения Холла.
На рис. 2а видно, что в случае, если линия измерительных контактов (2'– 2') смещена от идеальной (2–2), которая должна быть строго нормальна линии тока I (полю ), то потенциал точки 2' будет меньше, чем потенциал точки 2. При этом измеренная величинаU1 окажется на U меньше, чем напряжение Холла (при смещении 10 мкм ):U1=(U – U).
Обратившись к рис. 2б, видим, что достаточно изменить только направление индукции магнитного поляВ, чтобы на линии (2'–2') изменить напряжение: U2 = (U + U).
Используя значения U1 и U2, исключаем неизвестную погрешность U:
.(12)
Для экспериментальной реализации этого приема изменяют направление тока Iэм в обмотке электромагнита. Как следует из рис. 2б при этом изменяется и полярность напряжения Холла.
Описание установки
Электрическая схема установки представлена на рис. 3, монтажная – на рис. 4. Исследуемый образец –датчик Холла (Д) помещен в зазор сердечника электромагнита 6 и подсоединен к источнику постоянного напряжения 4. Обмотка электромагнита подключена к регулируемому источнику постоянного напряжения 10 через переключатель 8. С помощью переключателя можно изменить направление тока Iэм в обмотке электромагнита. Ток Iэм измеряют миллиамперметром 9. Для измерения напряжения Холла предназначен цифровой вольтметр 5.
На
рис. 3: (1–1) – цепь питания электромагнита
6; 8 – переключатель; 9 – мультиметр(режим
А …
200 мА, входы СОМ, мА); (2–2)
– цепь измерения напряжения Холла; 5 –
мультиметр (режим
V…
2V,
входы СОМ, V);
(3–3) – цепь питания датчика Холла (Д); 4
– источник стабилизированного постоянного
напряжения «+ 15 В»; 7 – миниблок «Эффект
Холла»; 10 – регулируемый источник
постоянного напряжения «0…+15 В».
Порядок выполнения работы
1. Соберите электрическую цепь по монтажной схеме, приведенной на рис. 4. Амперметр сначала подключите для измерения тока датчика Холла (как показано на схеме пунктиром).
2. Запишите в таблицу число витков электромагнита N=1200, ширину зазора h=1,7 мм и толщину датчика d (указан на миниблоке «Эффект Холла»).
3. Выведите регулятор генератора постоянного напряжения на ноль (повернув ручку до упора влево).
4. Включите кнопками «Сеть» питание блока генераторов напряжения и блока мультиметров. Запишите значение тока в датчике Холла: Iдатч = (мА)
5. Выключите блок генераторов и переключите амперметр для измерения тока в катушке (как показано на рис. 4 сплошной линией), а гнезда к которым был подключён амперметр, соедините перемычкой.
6. Включите блок генераторов и установите регулятором генератора первое значение тока 20 мА и запишите в таблицу значение ЭДС Холла, измеряемое вольтметром (U1).
7. Переключателем 8 на миниблоке (рис.3) измените направление тока в катушке и снова измерьте ЭДС Холла (U2).
Таблица 1
Параметры установки: N =… витков, h = … мм, d = … мм | |||||
Величина | |||||
№ п/п |
Iэм, мА |
U1, мВ |
U2, мВ |
U, мВ |
В, мТл |
|
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
120 |
|
|
|
|
7. Увеличивая ток в обмотке электромагнита через каждые 10 мА (до 120 мА), измерьте напряжения U1 и U2 при прямом и обратном токе. Результаты измерений запишите в таблицу.
8. Выключите кнопками «Сеть» питание блока генераторов напряжения и блока мультиметров.