- •Лекція5 магнітні вимірювання
- •5.1 Основні магнітні величини та їх міри
- •Гальваномагнітні перетворювачі
- •Квантові перетворювачі
- •5.3 Вимірювання параметрів магнітного поля Пристрої для створення магнітного поля
- •Вимірювання магнітного потоку
- •Вимірювання індукції
- •Вимірювання різниці магнітних потенціалів
- •5.4 Вимірювання магнітних характеристик феромагнетиків Намагнічуючі пристрої і досліджувані зразки
- •Визначення статичних характеристик
- •Визначення динамічних характеристик
- •Контрольні запитання:
Гальваномагнітні перетворювачі
Гальваномагнітні ефекти спостерігаються при розміщенні провідника або напівпровідника зі струмом у магнітному полі і полягають у зміні їх електричного стану або властивостей. До них, зокрема, відносять ефект Холла – ефект утворення ЕРС, та ефект Гаусса – ефект зміни електричного опору. Перетворювачі, побудовані на ефекті Холла, зазвичай називають магнітогенераторами чи перетворювачами Холла, або ж магнітогенераторами, а перетворювачі, що базуються на ефекті Гаусса, – магніторезисторами.
Ці ефекти можуть спостерігатися в будь-якому провіднику чи напівпровіднику, проте найкраще вони виявляються у матеріалах з чисто електронною або чисто дірковою провідністю (германій, кремній, вісмут арсенад та амонид індію), з яких і виготовляють гальваномагнітні перетворювачі. Гальваномагнітні ефекти відчутніші у матеріалах з високою рухомістю носіїв струму і низькою їх концетрацією.
Якщо тонку прямокутну пластинку розмістити в магнітному полі і до вузьких її бічних граней підвести струм, то на широких гранях утвориться ЕРС і опір пластинки зросте. Ці ефекти пояснюються дією сил Лоренца на рухомі носії струму в магнітному полі. Під дією цих сил траєктрорія руху носіїв струму змінюється, електрони зміщуються до бічних граней, внаслідок чого на останніх утворюються електричні потенціали. Разом з тим збільшується шлях, який проходять носії струму, що рівносильно зниженню їх рухомості й збільшенню електричного опору пластинки.
Таким чином обидва ефекти утворюються одночасно, однак проявляються вони не в однаковій мірі, що істотно залежить від форми і геометричних розмірів перетворювача.
П
Рисунок 5.4 -
Перетворювач Холла.
, (5.14)
де Rхл – постійна Холла, що залежить від властивостей матеріалу пластинки; І – керуючий струм перетворювача; В – магнітна індукція поля; d – товщина пластинки.
ЕРС Холла може бути сталою або змінною. Якщо індукція В досліджуваного поля і струм І живлення постійні, то Ехл – стала. Якщо ж індукція поля постійна, а струм живлення змінний (і навпаки), то Ехл буде змінною і тієї ж самої частоти, що й частота змінної вхідної величини (індукції чи струму).
Перетворювачі Холла найчастіше виготовляють у вигляді тонких пластинок товщиною 0,1…0,5 мм або плівок. Плівкові перетворювачі виготовляють випаровуванням у вакуумі вихідної речовини, яка осаджується тонким шаром на ізоляційній підкладці. Вони можуть бути надзвичайно малих розмірів (до часток квадратного міліметра).
Рисунок
5.5 - Магніторезистивні перетворювачі.
Значного послаблення електричного поля Холла (тим самим посилення ефекту Гаусса) вдається досягти в конструкціях, де довжина пластинки значно менша за її ширину. Тому чутливість магніторезисторів за однакових інших умов тим вища, чим менше відношення довжини перетворювача до його ширини (рис. 5.6).
Рисунок
5.6 - Графіки залежності чутливості
магніторезистив-них перетворювачів.
Відносна зміна опору магніторезистора в царині слабких магнітних полів (до 0,3…0,5 Тл) пропорційна до квадрату індукції досліджуваного поля:
, (5.15)
де Агс – коефіцієнт, що залежить від форми і розмірів перетворювача та фізикохімічних властивостей матеріалу.
В царині сильних магнітних полів залежність відносної зміни опору від магнітної індукції практично лінійна.
З допомогою перетворювачів Холла вдається вимірти індукцію магнітного поля від 0,01 до 2 Тл і напруженість поля від 0,1 до 105 А/см. Їх можна застосовувати для вимірювання як постійних, так і змінних магнітних полів частотою до десятків мегагерц. Магніторезистори, в свою чергу, знаходять переважне застосування для вимірювання сильних постійних і змінних магнітних полів (0,3…2,5 Тл).
Похибки вимірювання гальваномагнітними перетворювачами становлять 1…2%. Основним їх недоліком є відносно велика температурна похибка. Для її зниження застосовують відповідні схеми температурної компенсації або термостатування перетворювачів.
Порівняно недавно розроблено і вже застосовуються нові гальваномагнітні перетворювачі – магнітодіоди, що являють собою напівпровідниковий діод з несиметричним p–n-переходом, в яких провідність однієї області значно вища, ніж іншої. В магнітному полі опір такого діода збільшується пропорційно до індукції, що призводить до зменшення струму через діод, а при стабілізації струму – відповідно до збільшення спаду напруги на діоді. Чутливість таких перетворювачів в десятки разів вища, аніж у перетворювачів Холла і Гаусса.
Чутливість перетворювачів Холла та Гаусса суттєво зростає при низьких температурах (нижче –150˚ С), що відкриває нові перспективи їх застосування.