Экспериментальная часть

Приборы и оборудование

1. ИП – источник питания

2. РV – цифровой вольтметр

3. ФПЭ-04 – модуль

4. С – соленоид

5. Ш – шток с нанесённой шкалой и закреплённым на торце датчиком Холла

Метод измерения

Для экспериментального исследования напряжённости магнитного поля на оси соленоида в настоящей работе используется метод, основанный на явлении Холла. Если через проводящую пластинку поперечным сечением a  h_g пропустить ток плотностью j и поместить её в поперечное магнитное поле с индукцией В, то перпендикулярно векторам j и B создаётся электрическое поле напряжённостью Е (рис. 11.4).

Рис. 11.4

Возникающая при этом разность потенциалов ∆φ_x (ЭДС Холла) пропорциональна величине тока и индукции магнитного поля

(11.11)

где i_g = jah_g.

Коэффициент пропорциональности R_x называется постоянной Холла. В работе используется полупроводниковый датчик Холла марки Х501 с управляющим током i_g = 90 мА, поскольку постоянная Холла для полупроводников значительно больше, чем для металлов.

Силовые линии магнитного поля на оси соленоида направлены вдоль оси, поэтому датчик Холла должен располагаться на торце специального штока, вставляемого в соленоид. Толщина датчика h_g в направлении магнитного поля равна 0.2 мм. Для измерения положения датчика внутри соленоида по боковой грани штока нанесена миллиметровая шкала.

При отсутствии магнитного поля ЭДС Холла должна быть равна нулю. Однако вследствие различных побочных явлений, например, недостаточно точной установки выходных электродов датчика, измерительный прибор может показать некоторую разность потенциалов даже при отсутствии тока в соленоиде. Для исключения погрешностей измерения проводят дважды при двух противоположных направлениях тока в соленоиде. Тогда ∆φ_x = ½ (∆φ_x1 + ∆φ_x2). Однако в данной работе изменение направления тока в соленоиде не предусмотрено. Поэтому погрешность в определении φ_x указана в паспорте ФПЭ-04.

Схема исследования и порядок выполнения работы

Задание 1. Определение зависимости магнитной индукции в средней точке на оси соленоида и тарировка датчика Холла

1. Собрать схему, изображённую на рис. 11.5.

Рис. 11.5

2. Поставить шток с датчиком Холла в среднее положение на оси соленоида («0» по шкале).

3. Включить источник питания и цифровой вольтметр в сеть 220 В. Измерить ЭДС Холла в центре соленоида для токов 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 А, при этом из измеренного значения необходимо вычесть поправку φ_x, указанную в паспорте. Данные занести в табл. 11.1.

Таблица 11.1

№ измерения	Ток соленоида Jc, A	ЭДС датчика Холла ∆φx, B	Индукция B, Тл	Постоянная Холла Rx, Вм/ТлА

4. Вычислить индукцию магнитного поля для заданных значений силы тока J_c по формулам (11.10) и (11.1). Данные занести в таблицу.

5. Вычислить значения постоянной Холла R_x для каждого измерения по формуле (11.11). Данные занести в таблицу. Найти среднее значение R_x.

6. Построить графики зависимостей B = f (J_c) и ∆φ_x = f (J_c) по данным табл. 11.1.

Задание 2. Исследование зависимости индукции магнитного поля от координаты z, отсчитываемой от средней точки

1. Установить величину тока в катушке соленоида по указанию преподавателя.

2. Перемещая шток с датчиком Холла вдоль оси соленоида с интервалом ∆z = 1 см, измерить ЭДС Холла. Полученные данные занести в табл. 11.2.

Таблица 11.2

Положение датчика z, мм	110	100	90	80	…
ЭДС датчика Холла, В
Индукция, Тл

3. Вычислить индукцию поля В для каждого положения датчика Холла по формуле (11.11). При расчёте использовать значение R_x, полученное в задании 1. Данные занести в табл. 11.2.

4. Построить график зависимости B = f (z) по данным табл. 11.2.

5. Повторить измерения и расчёты по п.2-4 для нового значения J_c (по заданию преподавателя).

6. Для одного из полученных значений В рассчитать абсолютную и относительную погрешности измерения.

Для получения зачета студент должен представить отчет, уметь оценить погрешности измерений и объяснить полученные результаты

Литература: [19], [13], [20], [8], [5], [1], [14].