Экспериментальная установка

1. Установка состоит из объекта исследования и измерительного устройства, выполненных в виде изделий, устанавливаемых на лабораторном столе и соединяемых между собой кабелем (рис. 8.4).

2. Объект исследования выполнен в виде сборного корпуса, в котором установлены электромагнит и датчик Холла. Сверху объект ис­сле­до­вания имеет окно, через которое видны полюса электромагнита и плата с датчиком Холла.

3. Измерительное устройство представляет собой микро-ЭВМ с соответствующими дополнительными устройствами, позволяющими производить измерение тока, протекающего через катушку электромагнита, исследуемый полупроводниковый кристалл и ЭДС Холла, а также осуществлять функции управления установкой (установка режимов прямого или обратного направления тока через катушку электромагнита и датчика Холла). В состав измерительного устройства входят источники его питания.

Рис. 8.4

4. На передней панели измерительного устройства размещены кнопки управления и индикации:

• кнопки СБРОС и ТОК «+» «–» задают значение и направление тока через датчик Холла и катушку электромагнита. После нажатия кнопки СБРОС значение тока обнуляется, и направление тока меняется на противоположное.

• кнопка ЭЛ. МАГНИТ – ДАТЧ. ХОЛЛА переключает индикацию тока протекающего через катушку электромагнита и через датчик Холла, что индицируется соответствующими светодиодом и табло индикации;

• табло мА показывают значения тока либо через датчик Холла, либо через катушку электромагнита; табло мВ показывает значение ЭДС Холла.

На задней панели устройства расположены: выключатель СЕТЬ, клемма заземления, держатели предохранителей (закрыты предохранительной скобой), сетевой шнур с вилкой и разъем для подключения объекта исследования.

Устройство с помощью сетевого шнура подключается к сети 220В, 50Гц.

Перед включением установки в сеть переключатель «Сеть» должен находиться в положении «Выключено».

Порядок выполнения работы

1. Ознакомьтесь со схемой экспериментальной установки для исследования эффекта Холла. Упрощенная схема установки с ручным управлением приведена на рис. 8.5.

Рис. 8.5

Исследуемый образец (датчик Холла) подсоединен к гальваническому элементу через двойной ключ, позволяющий менять направление тока в цепи. Сила тока регулируется потенциометром и измеряется миллиамперметром мА.

Сила тока, проходящего через образец, не должна превышать 2 мА!

Разность потенциалов измеряется милливольтметром мВ. Датчик Холла помещается между полюсами электромагнита. Регулируя ток через обмотку с помощью потенциометра , можно изменять магнитное поле в зазоре. Двойной ключ позволяет менять направление магнитного поля.

В реальной установке связь между индукцией магнитного поля в зазоре и током в обмотке электромагнита определяется выражением:

,

где ,

Входное сопротивление датчика Холла 3,99 кОм.

Размеры датчика Холла (рис. 4):

а, не более 42 мкм;

b, не более 31 мкм;

c, не более 35 мкм.

2. Исследуйте зависимость разности потенциалов от управляющего тока через датчик Холла.

• Включите установку.

• Выберите полярность источника питания электромагнита нажатием на соответствующую кнопку и задайте ток через электромагнит.

• С помощью кнопки ЭЛ. МАГНИТ - ДАТЧ. ХОЛЛА переведите установку в режим измерения тока через датчик Холла.

• Изменяя значение и направление управляющего тока через датчик Холла, проведите измерения. Результаты измерений занесите в таблицу.

Не допускается задавать ток через датчик Холла более 2 мА.

ОПЫТ 1.

Ток через электромагнит I_эм = 2 мА.

Индукция магнитного поля В = _________ Тл.

Таблица 8.1

Ток через датчик Холла		Ток через датчик Холла
0,2		–0,2
0,5		–0,5
1,0		–1,0
1,5		–1,5
2,0		–2,0

Меняя значение тока через электромагнит, повторно проведите измерения при двух других значениях тока.

ОПЫТ 2.

Ток через электромагнит I_эм = 4 мА.

Индукция магнитного поля В = _________ Тл.

ОПЫТ 3.

Ток через электромагнит I_эм = 6 мА.

Индукция магнитного поля В = _________ Тл.

Результаты опытов сведите в соответствующие таблицы.

По окончании работы отключите установку от сети.

Режим работы установки прерывистый: через каждые 2 часа работы необходимо сделать перерыв на 10–15 мин.

3. Постройте графики зависимостей:

при постоянном значении магнитного поля (B = const),

при постоянном значении тока через датчик Холла (I = const).

4. Опираясь на выражение (8.5), рассчитайте значения постоянной Холла Х по результатам одного из измерений, найдите её среднее значение и погрешность

5. Пользуясь формулой (8.6), оцените концентрацию носителей тока в образце.

6. По формулам (8.4) и (8.2) найдите скорость упорядоченного движения носителей тока и оцените их подвижность. Подвижностью называется величина, численно равная скорости упорядоченного движения носителей тока в электрическом поле, напряженностью 1 В/м. Напряженность электрического поля можно найти как градиент потенциала вдоль проводника, по которому течет ток (рис. 8.4):

.

7. Определите знак основных носителей тока и укажите тип проводимости полупроводника, используемого в установке. Обоснуйте ваше мнение. Чтобы сделать вывод о знаке носителей тока, изобразите в рабочей тетради образец и укажите реальную ориентацию по отношению к образцу следующих величин:

а) направление вектора плотности тока ;

б) направления вектора (от наблюдателя к чертежу, или от чертежа к наблюдателю),

в) направления вектора напряженности возникшего в результате действия силы Лоренца (определяется знаком разности потенциала ).

Имея указанную информацию и зная физический механизм появления разности потенциалов , нетрудно определить знак носителей тока. При определении знака следует учесть, что за направление тока принимается направление упорядоченного движения положительных зарядов.