3.4. Катушки электромагнита
При измерениях ЭДС Холла пластмассовый корпус с образцом вводится в зазор между спаренными катушками К (рис. 4). С достаточной для данной работы точностью их вместе можно считать соленоидом, так что создаваемое ими магнитное поле
В=μ0
,
(6)
где N=7200 – общее число витков в обмотках катушек, L=18 см – общая длина обмоток, iк – ток в катушках, μ0=4π·10−7 Гн/м – магнитная постоянная. Ток iк измеряется амперметром А (рис. 4) и может регулироваться.
Чтобы катушки не сильно разогревались током iк и не нагревали помещённый в их зазоре образец, максимальный ток через них не должен превышать 1 А. Так как сопротивление каждой катушки Rк≈50 Ом, то току iк=1 А соответствует рассеиваемая в каждой катушке тепловая мощность Рк≈50 Вт.
С целью уменьшения нагрева датчика Холла катушками его не следует долго держать в зазоре тёплых катушек, а сами катушки также не должны слишком долго держаться под токами iк>0,5 А.
4. Программа измерений
4.1. Домашняя подготовка
При домашней подготовке к работе следует, используя формулу (6), составить таблицу магнитных полей (с точностью до двух знаков) в центре зазора между катушками для следующих токов iк:
Таблица 1. Магнитное поле в зазоре катушек при разных токах.
-
iк, А
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
В, мТл
0
По результатам табл. 1 построить градуировочный график В(iк).
4.2. Измерение удельной проводимости
При измерении удельной проводимости материала образца гальванометр G к датчику Холла не подключается.
1. Соединить токовые выводы датчика Холла с генератором , миллиамперметром мА и вольтметром V, как показано на рис. 4. Выходное напряжение генератора выставляется нулевым.
2. Включить генератор и, увеличивая ток i от 0 до 10 мА с шагом 2 мА, снять вольт-амперную характеристику (ВАХ) и(i) образца. Результаты занести в таблицу:
Таблица 2. Вольт-амперная характеристика образца.
-
i. мА
0
2
4
6
8
10
и, мВ
0
4.3. Измерения эдс Холла
Поскольку знак носителей заряда в данной работе не определяется, то исходные полярности включения катушек К, а также токовых и потенциальных контактов датчика Холла – произвольные. Произвольна также и ориентация введения датчика в зазор катушек.
1. ввести датчик Холла в середину зазора между катушками. К токовым выводам датчика должны быть подключены миллиамперметр мА и генератор (вольтметр V в этих измерениях не нужен), а к потенциальным – гальванометр G (рис. 4). Выходное напряжение генератора − на нуле.
2. Собрать цепь катушек в соответствии с рис. 4. Выходное напряжение блока питания БП выставить на ноль.
3. Тумблером «Сеть» включить освещение шкалы гальванометра G (тумблер находится на боковой стенке прибора). Убедиться, что зайчик находится на нуле в центре шкалы.) Разблокировать вход гальванометра.
4. Включить генератор и выставить ток через датчик Холла i=10 мА, следя за положением зайчика гальванометра: он всегда должен оставаться в пределах шкалы.
5. Включить блок питания БП.
Для проверки линейности UН(В), предсказываемой формулой (4), последовательно выставлять токи iк, указанные в табл. 1, и отмечать соответствующие напряжения на потенциальных контактах датчика Холла с учётом знака: справа по шкале гальванометра «плюс», слева «минус».
Так как два потенциальных контакта на образце редко удаётся установить строго симметрично относительно токовых, т.е. точно на одной эквипотенциали при прохождении через образец тока, то между ними, как правило, существует напряжение асимметрии U0, пропорциональное току i через образец, но не имеющее отношения к ЭДС Холла UН. Для того. чтобы избавиться от U0, измерения следует провести при двух противоположных направлениях магнитного поля В и результаты вычесть. Действительно, пусть при каком-либо одном направлении поля В измеренное напряжение на потенциальных контактах U1=UН+U0. тогда при другом направлении поля В, но при том же токе i, будет напряжение U2=−UН+U0. Отсюда ЭДС Холла
UН=
.
(7)
В данной работе коммутация поля В производится переключателем П (рис. 4). Коммутация производится один раз после завершения серии измерений в одном направлении, причём обязательно при выведенном до нуля токе катушек iк, поскольку резкий разрыв тока в цепи с большой индуктивностью приводит к опасным перенапряжениям, к выгоранию контактов и к выходу из строя приборов.
Результаты двух серий измерений занести в таблицу:
Таблица 3. Зависимость ЭДС Холла от магнитного поля (i=10 мА).
-
iк, А
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
В, мТл
0
U1, мВ
U2, мВ
UН, мВ
Закончив измерения, обесточить катушки и образец.
6. Для проверки линейности UН(i), выражаемой формулой (4), выставить в катушках ток iк=1 А. Последовательно задавая через образец токи i, указанные в табл. 2, отмечать соответствующие напряжения U1 на потенциальных контактах датчика Холла. Затем коммутатором П сменить направление поля В (предварительно уменьшив ток через катушки iк до нуля) и снять соответствующую серию напряжений U2). ЭДС Холла UН вычислять по формуле (7). Результаты двух серий измерений занести в таблицу:
Таблица 4. Зависимость ЭДС Холла от тока через образец (В=…мТл).
-
i, мА
0
2
4
6
8
10
U1, мВ
U2, мВ
UН, мВ
Закончив измерения, обесточить катушки и образец, заблокировать вход гальванометра, выключить все приборы.