МУ-Э-82 (1003821), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Этот эффект состоит в том, что при внесениипластинки, вдоль которой течет постоянный ток, в перпендикулярное к неймагнитное поле между гранями пластинки, параллельными направлениямтока и поля, возникает разность потенциалов, которую называют холловскойразностью потенциалов. Величина ее определяется выражением:UH = RH b j B,(14)где RH – постоянная Холла, b – расстояние между гранями пластинки, j –плотность тока, В – индукция магнитного поля.Эффект Холла объясняется действием силы Лоренца на движущиесяэлектрическиезаряды,создающиеток.Рассмотримпрямоугольныйпроводник с положительными носителями тока (рис. 6).
По проводнику внаправлении оси z течет постоянный ток плотности j. При включениимагнитного поля индукции В, направленной вдоль оси y, на движущиесязаряды действует магнитная сила ЛоренцаFЛ = q[v,B],где q – заряд положительного носителя тока, v – скорость упорядоченногодвижения носителей, В – магнитная индукция.В результате положительные заряды смещаются в направленииверхней грани проводника, т.е. противоположно оси х. Это приводит к10появлению поперечного электрического поля напряженности EH, действующего на заряд силой Fэ = q EH.yBjFлqbzvFэxРис.
6. Пластинка с током в магнитном полеКогда напряженность электрического поля EH достигает такойвеличины,чтоэлектрическаясилаполностьюскомпенсируетсилумагнитную, установится стационарное распределение зарядов в поперечномнаправлении. Тогда FЛ = - Fэ. Приравнивая величины этих сил, получим EH == vB. Электрическое поле напряженности EH вызывает появление разностипотенциалов между верхней и нижней гранями проводника (ЭДС Холла)равной UH = bEH. Учитывая что плотность тока равна j = q n v, где п –концентрация носителей тока, получимUH = bгде RH == RH b j B,(15)– постоянная Холла.Из формулы (15) следует, что ЭДС Холла прямо пропорциональнаиндукции магнитного поля, если ток через проводник при измерениях имеетстрого определенную величину.
Таким образом, измерив ЭДС Холла UH принеизменном токе и зная характеристики используемого датчика b и RH,можно определить величину индукции магнитного поля В в данной точкепространства.В лабораторной установке используется полупроводниковый датчикХолла в связи с тем, что у полупроводников концентрация носителей тока пна несколько порядков меньше, чем у проводников, и соответственносогласно формуле (15) UH во столько же раз больше.
В датчиках Холла11применяются не чистые, а легированные полупроводники с преобладаниемносителей тока одного знака.Преимуществами датчиков Холла являются их малые размеры (1 мм2 именее) и очень малая инерционность.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬОписание установкиРабота выполняется на установке, разработанной и созданной фирмойPHYWE (Германия). В состав установки входит следующее оборудование ипрограммное обеспечение (рис. 7):1 – пара одинаковых катушек Гельмгольца (Dср= 400 мм, l/D = 1/20, N =154);2 – универсальный регулируемый источник питания постоянного тока;3 – датчик Холла;4 – датчик перемещений;5 – многофункциональный блок-преобразователь сигналов Cobra 3 сподключенными модулем «Тесла» и датчиком тока;6 – персональный компьютер с Windows 7 и программным обеспечениемфирмы PHYWE.126132,5,,,4,,,,,,,,,,Рис.
7. Экспериментальнаяустановка,,Короткие соосные катушки расположены на расстоянии а = R,,(радиус катушек R = 200 мм) друг от другаи включены последовательно,,образуя магнитную систему, известную как катушки Гельмгольца. Катушки1(1к и 2к) питаются от регулируемого источника (0 - ± 18 В, 0 - 5 А),работающего в режиме стабилизации по току (рис. 8). Максимальныйустанавливаемый ток не должен превышать 3,5 А! Ток измеряетсяспециальным датчиком тока (Дт), сигнал с которого поступает напреобразователь Cobra 3 и далее через USB порт попадает в компьютер.Запустив программу измерения Measure и разрешив вывод тока на экранкомпьютера, можно оперативно контролировать устанавливаемый ток черезкатушки.Дт1к2к13Рис. 8.
Схема подключения катушек ГельмгольцаДатчикХолласмонтированвторцедиэлектрическогоцилиндрического стержня длиной 300 мм и диаметром 6 мм и позволяетизмерять осевую компоненту магнитного поля (вдоль оси стержня).Противоположная сторона стержня заделана в жесткий пластиковый футляр,в котором размещены электровыводы с датчика, согласующие элементы изакреплен выходной кабель. Выходной кабель своим штекером подключен кгнезду модуля «Тесла».
В модуле происходит первичная обработка сигналов(напряжение Холла и ток через холловский элемент), дальнейшая обработкасигналов идет в блоке Cobra 3, через USB-порт которого сигналы поступаютв компьютер. Сам футляр как державка стержня с датчиком закрепляется впризматическом зажиме на вертикальной стойке подвижного рейтера. Рейтерможет перемещаться вдоль масштабной линейки, закрепленной на плоскостистола.Датчик перемещений выполнен в отдельном корпусе, посредствомвертикальной стойки и специальной струбцины закреплен неподвижно настоле.
Внешняя механическая часть датчика представляет небольшой шкив,насаженный на горизонтальную ось вращения. Через шкив перекинуташелковая нить, горизонтальный участок которой связан с перемещающимсярейтером, а вертикальный участок оканчивается небольшим грузомпротивовесом, обеспечивающим постоянное натяжение нити. В отсутствиипроскальзывания нити на шкиве линейные перемещения рейтера будутпропорциональны угловым поворотам шкива. При установке датчика настолеследуетобеспечитьпараллельностьплоскостишкиваигоризонтального участка нити направлению перемещения рейтера сдатчиком Холла.
Посредством специального кабеля датчик перемещенийсвязан с устройством Cobra 3, с которого поступает электропитание иуправляющие сигналы на датчик, а также на которое приходят через БНЦразъемы измеряемые сигналы о перемещениях. Обработанные в блоке Cobra3 сигналы через USB-порт поступают в компьютер.14Задание 1. Измерение зависимости осевой компоненты магнитногополя Bz от координаты z на оси одной катушки1. Установить катушки на столе в собранном виде (лицевые панелиоснованийкатушекразвернутывпротивоположныестороны,плоскости катушек параллельны друг другу, катушки – соосны,расстояние между соответствующими плоскостями катушек a = R ивыдерживаетсяпараллельнойзакрепленнымимасштабнойраспорками)линейке.Присобщейосьюэтомследуеттакжеобеспечить соосность стержня датчика Холла, перемещаемого срейтером, и оси катушек.2.
Собрать электрическую цепь питания одной, первой катушки. Дляэтого (рис. 8) закорачивающий гнезда 1 – 1 провод исключить изсхемы, а на вход 1 первой катушки подать сигнал с датчика тока.3. Включить компьютер и после загрузки системы Windows 7 запуститьпрограмму Measure. После запуска в разделе «Прибор» выбрать«Cobra3 Force / Tesla» и подать команду «Новое измерение», кликнувВ открывшемся окне установить параметры для работы с модулемTesla и датчиком перемещений как показано на рис.
9.15Рис. 9. Экран с установками для модуля Force / TeslaРис. 10. Установки Flux density4. При первом запуске программы Measure следует провести настройки икалибровкииспользуемыхдатчиков(датчикХолла,датчикперемещений, датчик тока). Соответствующие установки показаны впредставленных окнах (рис. 10, 11, 12), которые появляются посленажатиякнопки«Optionsсоответствующегораздела-Параметры»(Fluxdensity(рис.–ивыбораПлотностьпотока,9)Angle/Distance – Угол/Расстояние, Voltage/Current – Напряжение/Ток).Рис. 11.
Установки DistanceРис. 12. Установки Current16В каждом из этих окон следует установить осреднение соответствующихизмеряемых величин, поставив бегунок на 50 точек.Калибровка датчика перемещений проводится после настройки егомеханической части (см. описание) в самом открывшемся окне (рис. 11). Принажатии кнопки «Start - Старт» следует переместить рейтер с датчикомХолла на 10 см (в одну или другую сторону), после чего нажать кнопку «Stop– Стоп».Калибровка датчика Холла проводится при обесточенных катушкахГельмгольца; при этом сам датчик должен находиться в том местепространства,гдезапланированыизмерения.Программакалибровкиосуществляется в специальном разделе Calibration - Калибровка.
Сначаласледует нажать «Сброс» и поставить «˅» у плотности потока, после чегонажать «Калибровать». Появится резолюция «откалибровано».5. Установите датчик Холла в точке, отвечающей положению внешнейплоскости второй катушки, на оси системы катушек. Кликните кнопку«Continue - Продолжить» на экране рис. 9 для перехода в режимизмерения. На экране появятся транспаранты «Ток 0 мА», «Плот.потока ± 0 мТл», «Расстояние 0 мм», кнопки «Start measurement –Начать измерение», «Stop measurement – Остановить измерение» исистема координат будущего графика B(z). Включите источникпитания катушек и установите с помощью его ручек управления (V, A)напряжение на выходе 18 В (крайне правое положение ручки V) и токчерез катушки 3,5 А по лимбу (соответствующее положение ручки А).При этом должна гореть лампочка у токовой ручки, сигнализирующаяо том, что источник находится в режиме стабилизации по току.
Чтобыне допустить перегрева катушек, ток не должен превышать 3,5 А!Контроль за током осуществляется по экрану компьютера.6. Проведите измерение распределения осевой компоненты магнитногополя первой катушки B1z вдоль оси системы катушек Гельмгольца,нажав на экране кнопку «Start measurement – Начать измерение» и17одновременно начав плавное перемещение рейтера с датчиком Холлавдоль масштабной линейки.
Программа Measure примет по умолчаниюисходное положение датчика Холла за нуль координаты z оси системыкатушек.Перемещениедатчикаизисходнойточкиследуетосуществлять справа налево по направлению к первой катушке. Припересечении датчиком положения внешней плоскости первой катушкиизмерения следует остановить, нажав на экране кнопку «Stopmeasurement – Остановить измерение» и прекратив перемещения.Программа Measure перейдет к построению графика B1z (z) наотдельном экране. Установить нулевое значение тока через катушку.Выключить источник питания.7. Зарисуйте(сфотографируйте)графикB1z(z)дляпоследующегопереноса его в отчет по лабораторной работе.8. Собрать электрическую цепь питания одной, второй катушки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
