Послідовність виконання роботи

На рис.7.2 надано принципову схему дослідження ефекту Холла.

Рис.7.2 Принципова схема дослідження ефекту Холла.

Виставити між полюсними наконечниками електромагніту(Рис. 7.1.) задану викладачем віддаль і закріпити між полюсами датчик Холла 650-6в (Рис. 7.2) виносного щупа приладу Щ 4310.

Використовуючи градуювальну криву електромагніту наведену на рис. 7.3.

Рис.7.3. Градуювальна крива B = B(I,d), де I -  струму через обмотки котушок, d - віддаль між стальними полюсами електромагніту.

здйснити градуювання давача Холла 650-6в для заданого викладачем значення струму через давач.

За результатами вимірювань побудувати градуювальну криву, що представляє собою залежність напруги Холла від величини магнітного поля електромагніту .

Контрольні запитання

1. Поясніть природу електропровідності металів та напівпровідників.

2. У чому полягає суть ефекту Холла?

3. Від чого залежить холлівська різниця потенціалів?

4. Чи залежить результат вимірювання постійної Холла від розмірів зразка?

5. Які характеристики напівпровідників можна визначити, знаючи постійну Холла?

6. Виведіть розрахункові формули для знаходження концентрації і рухливості носіїв струму в напівпровіднику.

7. Наведіть приклади застосування ефекту Холла в електронній апаратурі.

Лабораторна робота№8. Дослідження магнітних властивостей феритів.

Мета роботи: Дослідити залежність магнітної проникливості фериту від температури та визначити температуру Кюрі фериту.

Завдання: виміряти активний (омічний) опір котушки при кімнатній температурі і його залежність від температури. Знайти повний опір котушки з феритовим осердям змінному струмові. Визначити температуру Кюрі. Дослідити температурну залежність опору котушки (мідний дріт). Знайти температурний коефіцієнт опору металу і оцінити похибку експерименту.

Обладнання: феритове осердя, котушка з мідного дроту, електропіч, джерело постійного струму, мідь-константанова термопара, цифровий мілівольтметр Щ-4300, джерело змінного струму.

Література: [9], [10], [11].

Теоретичні відомості

Магнітні явища були виявлені на природних матеріалах. Магнетизмом назвали особливу форму матеріальної взаємодії, яка виникає між рухомими електрично зарядженими частинками. Передача магнітної взаємодії на відстань здійснюється особливим матеріальним носієм – магнітним полем. Усяке макроскопічне тіло прийнято називати магнетиком, оскільки воно здатне намагнічуватися під впливом зовнішнього магнітного поля. Проте різні тіла намагнічуються по-різному, саме тому всі магнетики поділяють на три групи: діамагнетики, парамагнетики і феромагнетики. Більшість речовин у зовнішньому магнітному полі намагнічуються слабо (діа - і парамагнетики). Сильні магнітні властивості виявляють тільки феромагнітні речовини.

Для кількісної оцінки ступеня намагнічення магнетика вводять вектор намагніченості . Він чисельно дорівнює магнітному моменту одиниці об’єму магнетика або векторній сумі магнітних моментів атомів (молекул) в одиниці об’єму магнетика, тобто:

, (8.1)

де – середня кількість частинок в одиниці об’єму магнетика, – магнітний момент -ї частинки.

Якщо магнетик неоднорідний, то

, (8.2)

де – магнітний момент фізично нескінченно малого об’єму магнетика. Вектор намагніченості вимірюється одиницею напруженості магнітного поля: 1A∙1м²/1м³ = 1 А/м.

Експериментально встановлено, що для неферомагнітних тіл вектор намагніченості пропорційний напруженості зовнішнього магнітного поля

, (8.3)

де χ – величина, яка характеризує магнетик, її називають магнітною сприйнятливістю.

Для діамагнетиків χ – від’ємна величина, для пара магнетиків – додатна, для феромагнетиків χ є функцією напруженості зовнішнього поля, вона може досягти значень 10³ і більше.

При розгляді магнітного поля струму в будь-якому середовищі потрібно враховувати, що до зовнішнього намагнічуючого поля додається внутрішнє поле, яке визначається вектором магнітної індукції, тобто

, (8.4)

де – вектор індукції зовнішнього магнітного поля у вакуумі; – вектор індукції магнітного поля молекулярних струмів, або внутрішнього магнітного поля ( = 1, оскільки електрони атомів містяться у вакуумі).

Цю формулу можна записати і в такому вигляді:

, (8.5)

де – вектор індукції зовнішнього магнітного поля у вакуумі; – вектор індукції магнітного поля молекулярних струмів, або внутрішнього магнітного поля ( = 1, оскільки електрони атомів містяться у вакуумі).

Врахувавши, що і формулу (23) дістанемо:

μ = 1 + χ (8.6)

де  – магнітна проникність магнетиків. Оскільки для більшості не феромагнетиків значення  дуже малі, то для не феромагнетиків   1. Для феромагнетиків  змінюється із зміною напруженості намагнічуючого поля і може досягати значних величин.

Діамагнетики

Речовини, в атомах яких орбітальні і спінові магнітні моменти електронів, якщо немає зовнішнього магнітного поля, є взаємно скомпенсованими, називають діамагнетиками. Отже, атоми діамагнетиків не мають власних магнітних моментів. Це має місце в атомах, іонах і молекулах з повністю заповненими електронними оболонками: в атомах інертних газів, в молекулах водню, азоту тощо. Магнітні моменти електронів повністю забудованих електронних оболонок взаємно компенсуються, оскільки на цих оболонках всі квантові стани зайняті і вздовж кожного напряму встановлюється певна кількість пар електронів з протилежно зорієнтованими орбітальними і спіновими магнітними моментами.

Під час внесення діамагнетиків у зовнішнє магнітне поле в електронних оболонках атомів, за законом електромагнітної індукції, виникають індуковані колові струми. Ці струми створюють додаткові магнітні моменти атомів, які напрямлені за законом Ленца, тобто проти напряму зовнішнього магнітного поля. Властивість речовин намагнічуватися протилежно до зовнішнього магнітного поля називають діамагнетизмом. Діамагнетизм властивий усім речовинам, оскільки він пов’язаний з виникненням додаткових колових рухів електронів в атомах речовини і зміною їхньої частоти обертання під час внесення в зовнішнє поле.

У діамагнетиках виявляється чистий діамагнітний ефект: і вони намагнічуються в напрямі, протилежному до зовнішнього магнітного поля. Тому в неоднорідному магнітному полі діамагнетики виштовхуються в ті області, в яких зовнішнє магнітне поле слабше. Цим пояснюється те, що підвішений на нитці діамагнітний стержень намагається повернутись і встановитися в напрямі, перпендикулярному до , а діамагнітні гази в полум’ї свічки виштовхуються з міжполюсного проміжку.

До діамагнетиків належать: Zn, Cu, Bi, Sb, Ag, Au, Pb, I, C, Hg, Si, H₂O (слабо), CO₂, смоли, скло, мармур, віск, благородні гази і більшість органічних сполук [9].

Парамагнетики

Речовини, частинки яких (атоми, молекули, іони) без наявності зовнішнього магнітного поля мають власний магнітний момент , називають парамагнетиками, а їхню властивість намагнічуватися у зовнішньому магнітному полі в напрямі, що збігається з напрямом цього поля, називають парамагнетизмом. Термін “парамагнетики” вперше ввів у 1845 р. М.Фарадей. Він поділив усі речовини (крім феромагнетиків) на діа- і парамагнітні.

До парамагнетиків належать:Cr, Mn, Sn, Al, Pt, Na, K, O, N, оксид азоту, рідкісноземельні елементи, луги і лужноземельні елементи. Коли немає магнітного поля, магнітні моменти окремих атомів розташовані безладно і парамагнетик ненамагнічений. Якщо ж парамагнетик внести в магнітне поле, то на кожний атом діятиме механічний обертальний момент. Тому магнітні моменти атомів намагатимуться встановитися в напрямі зовнішнього магнітного поля, виконуючи деякий час коливання відносно положень рівноваги.

Тепловий рух дезорієнтує упорядковані атомні магнітні моменти. Переважна орієнтація векторів тим гірша, чим вища температура і чим слабше магнітне поле. При досить сильному магнітному полі може настати насичення, і магнітні моменти всіх атомів повністю зорієнтуються в напрямі зовнішнього магнітного поля. Намагнічені парамагнетики підсилюють зовнішнє магнітне поле: вектори і напрямлені в один бік. Тому парамагнетик втягується в міжполюсний проміжок.

Атомам парамагнетика властивий і діамагнітний ефект, але вектор малий порівняно з , тому діамагнітний ефект тільки послаблює основний парамагнітний момент: речовина залишається парамагнітною. Цьому сприяє й те, що тепловий рух і стикання атомів приводять до затухання прецесії електронних орбіт.

У процесі намагнічування парамагнетика основну роль відіграють два фактори: орієнтуюча дія, яка залежить від і , і розорієнтуюча дія теплового руху, яка залежить від kT (k – стала Больцмана).

Феромагнетики.

Поряд з діа- і парамагнетиками існують речовини, здатні намагнічуватися досить сильно, власне магнітне поле в них може бути в багато разів (у сотні й тисячі) сильніше, ніж зовнішнє поле, яке зумовило намагнічення: . Такі речовини називаються феромагнетиками. Цей термін походить від латинської назви основного їх представника – заліза. До феромагнетиків належать також (у кристалічному стані) нікель, кобальт, гадоліній, їх оксиди й сполуки із сіркою, а також деякі сплави з неферомагнітних компонентів, в основі яких є марганець і хром: MnBi, MnSn, CrPt, CrS та інші.

Властивості феромагнетиків уперше докладно вивчив О.Г.Столєтов. Виявилось, що феромагнетики, як і парамагнетики, намагнічуються у напрямі зовнішнього магнітного поля, але феромагнетики мають свої особливості, відмінні від властивостей парамагнетиків.

1. Намагніченість та індукція нелінійно залежать від напруженості зовнішнього магнітного поля. На рис. 8.1 подано графічну залежність вектора намагніченості від .

Рис. 8.1 Залежність намагніченості феромагнетика від напруженості зовнішнього поля

У слабких полях круто зростає зі збільшенням , а потім її зростання сповільнюється і при H_н досягає максимального значення, яке практично залишається незмінним. У цьому стані, який Столєтов назвав насиченням, усі магнітні моменти атомів упорядковуються в напрямі зовнішнього магнітного поля. Наступне збільшення не призводить до зростання . На рис. 8.2 зображено криву залежності від .

Рис. 8.2. Залежності від для феромагнетиків, парамагнетиків та діамагнетиків

2. Відносна магнітна проникність  – не є сталою величиною, вона залежить від H (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Залежність відносної магнітної проникливості феромагнетика від напруженості зовнішнього магнітного поля

У слабкому магнітному полі  швидко зростає, досягаючи максимуму, а потім спадає, наближаючись до одиниці, як для вакууму.

3.Феромагнетики зберігають своє намагнічення після того, як перестає діяти зовнішнє магнітне поле [2].