4. Измерение магнитного поля
Существует несколько методов измерения магнитного поля. Из них по крайней мере три наиболее часто применяются на практике. Это индукционный метод, метод ядерного магнитного резонанса и метод основанный на эффекте Холла.
В данной работе для экспериментального исследования индукции магнитного поля на оси соленоида используют метод, основанный на явлении Холла2.
Р
ассмотрим
проводящую пластину с поперечным
сечением ahД
и плотностью тока
j,
поместив ее в поперечное магнитное поле
с индукцией В
(рис. 4). Явление Холла состоит в том, что
в проводящей пластинке по которой
протекает ток и которая находится в
магнитном поле перпендикулярно плоскости,
в которой лежат векторы
В
и j,
образуется электрическое поле с
напряженностью Е.
В результате между боковыми гранями
возникает разность потенциалов, равная
х=
Еа, которая
и называется ЭДС Холла.
Физическая
природа явления Холла может быть сведена
к действию силы Лоренца (9.19), а точнее,
ее магнитной составляющей q[v,
В].
Под действием этой силы носители тока
смещаются к боковой грани пластинки. У
противоположной грани образуется
избыточный заряд противоположного
знака, связанный с решеткой. Между
положительным и отрицательным зарядами,
т. е. между боковыми гранями пластины,
и образуется ЭДС Холла х.
Ее значение можно найти из условия
равновесия между силой Лоренца и
возникающей электрической силой:
FЛ
= FE,
или
qvВ=qЕ,
откуда
E = vB, х = aE = avB.
Учитывая (9.2), где I = jS = jahД, находим
х
=
.
(1.14)
Здесь Rx = 1/(qn0) – постоянная Холла.
Видно, что ЭДС Холла прямо пропорциональна индукции магнитного поля. Эффект Холла наблюдается во всех проводниках. Но в металла постоянная Холла мала. В работе используется полупроводниковый датчик Холла, поскольку у полупроводников концентрация n0 носителей заряда на несколько порядков меньше, чем в металлах, и соответственно во столько же раз больше возникающая ЭДС Холла. Это существенно облегчает измерения. Практически датчик Холла устроен очень просто (рис. 5). На диэлектрической подложке находится тонкая (~ 0.1 мм) пластинка из полупроводника (показано темным цветом). К пластике подведены печатные электроды (показаны серым цветом). Два электрода с узкими контактами предназначены для измерения ЭДС Холла. По двум широким пропускают ток. Размер датчика не превышает 2х2 мм. Датчики Холла широко применяются не только для измерения магнитных полей или для разного рода датчиков срабатывающих при наличии магнитного поля.
П
ри
отсутствии поля ЭДС Холла равна нулю в
том случае если измерительные электроды
присоединены строго на одной
эквипотенциальной поверхности, что
часто затруднительно реализовать на
практике.
Поэтому для разных образцов датчика может иметь место небольшая остаточная разность потенциалов, которую надо учитывать при точных измерениях. Кроме того, концентрация носителей в полупроводниках сильно зависит от температуры. Соответственно от температуры будет зависеть и ЭДС Холла, что тоже является одним из недостатков этого метода. Однако подбором полупроводникового материала эту погрешность можно свести к минимуму.
Следует учесть, что величина ЭДС Холла сильно зависит от ориентации датчика относительно силовых линий поля. Максимальная ЭДС будет при строго перпендикулярной ориентации датчика относительно силовых линий поля. Так как линии индукции магнитного поля на оси соленоида направлены вдоль оси, то датчик Холла располагается на торце специального штока.
5. Измеритель магнитной индукции Ш1-8
И
змерение
магнитной индукции в измерителе Ш1-8
производится с использованием датчика
Холла (рис. 6). Прибор относится к
разновидности приборов работающих по
принципу сравнения измеряемой величины
(ЭДС Холла) с эталонным напряжением.
Величина эталонного напряжения задается
многопредельным переключателем с
непосредственным отображением результата
измерения.
Назначение ручек измерителя Ш1-8.
1 – Индикатор баланса.
2 – Тумблер "Грубо-Точно" индикатора.
3 – Переключатель "Полярность".
4 – Переключатель "Отсчет индукции Т" с непосредственной индикацией измеряемого поля.
Порядок работы с прибором Ш1-8. До начала измерений переключатель "Грубо-Точно" установить в положение "Грубо". Включить прибор тумблером "Сеть". Переключая ручки "Отсчет индукции" на передней панели прибора установить нулевое значение индукции поля. Переключить Тумблер "Грубо-Точно" прибор в положение "Точно". Стрелка прибора должна находиться на нуле. Поскольку прибор чувствует поле Земли, то стрелка может находиться вблизи нуля. Если стрелка отклоняется от нуля значительно, то следует откорректировать нуль прибора или установить правильное значение на шкале "Коррекция Т". Для этого обратитесь к преподавателю.
Если в отсутствии поля стрелка находится вблизи нуля, то прибор готов к измерениям. Прежде чем включать поле и помещать щуп в магнитное поле снова переключите тумблер "Грубо-Точно" в положение "Грубо". В магнитном поле стрелка должна отклониться вправо. Если стрелка отклонилась влево переключить тумблер "N-S". Теперь поворачивая переключатели "Отсчет индукции Т" выведите стрелку на нуль. Для повышения точности измерения переключить тумблер "Грубо-Точно" в положение "Точно". Окончательно добиться ручками "Отсчет индукции Т" нулевых показаний прибора. В этом случае цифры над переключателями указывают значение поля в теслах. Обратите внимание, что крайний левый переключатель "Отсчет индукции Т" определяет диапазон измерения. При измерении поля соленоида его положении должно быть "0.0".