Wydzia艂 Fizyki |
Poniedzia艂ek 1400-1700 17.03.2008 |
Nr zespo艂u 11 |
||
Nazwisko i Imi臋 |
Ocena z聽przygotowania |
Ocena ze聽sprawozdania |
Ocena ko艅cowa |
|
1. Ksi膮dz Bart艂omiej 2. Kieliszczyk Kamil
|
|
|
|
|
Prowadz膮cy:聽聽dr M. Urba艅ski
|
Podpis |
Badanie efektu Halla.
Cel 膰wiczenia
Celem 膰wiczenia jest zbadanie efektu Halla oraz wyznaczenie przy jego pomocy oporu hallotronu, oporu asymetrii, koncentracji jak r贸wnie偶 ruchliwo艣ci no艣nik贸w.
Teoria
Na cz膮steczk臋 o 艂adunku q znajduj膮ca si臋 w polu o indukcji magnetycznej B oraz poruszaj膮ca si臋 z pr臋dko艣ci膮 v dzia艂a si艂a Lorentza wyra偶ona wzorem:
, kt贸ra jest prostopad艂a do obu wektor贸w v i B.
Magnetoop贸r jest to zjawisko polegaj膮ce na zmianie oporu metali i p贸艂przewodnik贸w pod wp艂ywem pola magnetycznego. Ro艣nie on wraz ze wzrostem indukcji magnetycznej.
Hallotron jest to mo偶liwie cienka(u艂amek milimetra) oraz mo偶liwie w膮ska(kilka milimetr贸w) warstwa p贸艂przewodnika wyposa偶ona w cztery elektrody oraz naparowana na nieprzewodz膮ce pod艂o偶e.
Oporem pod艂u偶nym hallotronu (RP) nazywamy op贸r przy zerowej warto艣ci indukcji magnetycznej a co za tym idzie przy zerowym oporze magnetycznym.
Ze wzgl臋du na niedoskona艂o艣ci w budowie hallotronu takie jak niesymetryczne pod艂膮czenie elektrod, nier贸wno艣膰 grubo艣ci hallotronu, zanieczyszczenia materia艂u i nier贸wnomierna g臋sto艣膰 wyst臋puje tam op贸r asymetrii (RS). Napi臋cie, jakie tworzy si臋 przez ten op贸r mo偶e w znacznym stopniu przewy偶sza膰 napi臋cie Halla.
Wzd艂u偶 jednego z bok贸w hallotronu o d艂ugo艣ci l przep艂ywa pr膮d steruj膮cy IS. No艣nikami pr膮du w hallotronie s膮 elektrony lub dziury, kt贸re poruszaj膮 si臋 w przeciwnych kierunkach. Strumie艅 indukcji generuje si艂臋 Lorentza FL, kt贸ra jest prostopad艂a do pr膮du steruj膮cego. Si艂a FL dzia艂a wzd艂u偶 boku c hallotronu gromadz膮c no艣niki przy jednej ze 艣cianek l, a偶 do momentu wytworzenia przez nie pola elektrycznego EH, kt贸re zr贸wnowa偶y si艂臋 FL. Zjawisko to powoduje zmian臋 liczby 艂adunk贸w na obu ko艅cach p艂ytki, czyli r贸偶nic臋 potencja艂贸w, tworz膮c tym samym napi臋cie Halla(zwane dalej UH).
Schematycznie przedstawia to rysunek:
Pole elektryczne EH musi by膰 jednorodne gdy偶 si艂a FL jest taka sama w ka偶dym punkcie hallotronu, dlatego pole to mo偶na wyrazi膰 wzorem:
, gdzie c jest to g艂臋boko艣膰 hallotronu. EH dzia艂a na no艣niki q pr膮du steruj膮cego si艂膮
Co wi臋cej z warunku r贸wnowagi otrzymujemy:
oraz
gdzie v jest to pr臋dko艣膰 no艣nik贸w w kierunku wytworzonego w pr贸bce pola elektrycznego (nazywane dalej pr臋dko艣ci膮 dryftow膮).
Przy przy艂o偶eniu napi臋cia do pr贸bki, wcze艣niejszy chaotyczny ruch no艣nik贸w zmienia si臋 w powolny ruch w kierunku zewn臋trznego pola elektrycznego, kt贸re powoduje przyspieszanie no艣nik贸w w okresie od zderzenia do zderzenia z jonami sieci krystalicznej. 艢rednia pr臋dko艣膰 przyspieszanych i zwalnianych no艣nik贸w w kierunku pola elektrycznego nazywana jest pr臋dko艣ci膮 dryftow膮, kt贸r膮 mo偶na wyrazi膰 wzorem:
, gdzie E jest to nat臋偶enie pola elektrycznego, U jest to r贸偶nica napi臋cia pr膮du pomi臋dzy ko艅cami uk艂adu wywo艂ana przep艂ywem IS, oraz 碌 jest to ruchliwo艣膰 no艣nik贸w. Jednostka 碌 wynosi:
.
Podstawiaj膮c v do wzoru na UH otrzymujemy ruchliwo艣膰 碌:
.
Z definicji nat臋偶enia pr膮du wynika:
, gdzie: n - koncentracja no艣nik贸w, e - elementarny 艂adunek, c - g艂臋boko艣膰 oraz d - szeroko艣膰 hallotronu, przy kt贸rym zosta艂y zgromadzone no艣niki. Wstawiaj膮c wz贸r
do wzoru na IS otrzymujemy:
Podstawiaj膮c IS do wzoru na UH jeste艣my wstanie wyznaczy膰 koncentracje 艂adunk贸w n przy pomocy wzoru:
.
Z prawa Ohma
, gdzie RH jest to op贸r hallotronu. Podstawiaj膮c UH i IS do wzoru, op贸r hallotronu wynosi:
Natomiast op贸r asymetrii Rs obliczamy ze wzoru:
, gdzie b jest to wyraz wolny obliczony z dopasowania prostej metod膮 najmniejszych kwadrat贸w.
Opis procedury pomiaru
W sk艂ad naszego uk艂adu pomiarowego wchodzi:
p艂ytka po艣rednia,
hallotron,
zasilacz pr膮du sta艂ego,
cztery cyfrowe mierniki uniwersalne M-3800,
trzema parami przewod贸w d艂ugich,
czterema pary przewod贸w kr贸tkich,
Zbudowany obw贸d elektryczny przedstawia schematycznie rysunek:
Pierwszy u偶yty miernik cyfrowy b臋dzie pokazywa艂 nat臋偶enie pr膮du steruj膮cego IS. Kolejny pod艂膮czamy do dw贸ch z czterech elektrod hallotronu. B臋dzie nam s艂u偶y艂 jako woltomierz i za jego pomoc膮 b臋dziemy mogli zmierzy膰 napi臋cie Halla. Do pozosta艂ych dw贸ch elektrod hallotronu pod艂膮czamy zasilanie oraz r贸wnolegle pod艂膮czamy trzeci miernik cyfrowy, kt贸ry b臋dzie pokazywa膰 napi臋cie U wywo艂ane przep艂ywem pr膮du IS.
Pierwsz膮 cz臋艣膰 laboratori贸w jest wykonanie pomiar贸w przy sta艂ym pr膮dzie steruj膮cym o warto艣ci 卤5mA. Po wykonaniu 10 pomiar贸w dla pr膮du z zakresu 0,3 - 3A, kt贸re jest zmieniane na zasilaczu, zmieniamy kierunek przep艂ywu pr膮du poprzez odwrotne pod艂膮czenie zasilacza. Wykonujemy kolejne 10 pomiar贸w dla pr膮du w takim samym zakresie, ale przeciwnie p艂yn膮cym pr膮dem steruj膮cym. Wykonujemy pomiary dla indukcji magnetycznej dodatniej oraz ujemnej. Zapisujemy warto艣ci dla I, IS, U oraz UH, kt贸re pos艂u偶膮 nam do wyznaczenia warto艣膰 indukcji magnetycznej B. Warto艣膰 indukcji magnetycznej obliczamy poprzez pomno偶enie ustawionego pr膮du na zasilaczu oraz obliczonego wsp贸艂czynnika dla hallotronu u偶ytego w do艣wiadczeniu. Wsp贸艂czynnik a obliczamy metod膮 najmniejszych kwadrat贸w na podstawie danych odczytanych z tablicy charakterystyki hallotronu u偶ytego w do艣wiadczeniu. Wsp贸艂czynnika proporcjonalno艣ci wynosi: a = 0,082185. Dla warto艣ci pr膮du I=1,5 A warto艣膰 indukcji wynosi B= 0,12328T. W sumie zanotowanych wynik贸w jest po 10 dla 2 serii pomiarowych dla indukcji magnetycznej dodatniej oraz 2 serii dla ujemnej.
Drug膮 cz臋艣ci膮 laboratori贸w jest zanotowanie wynik贸w pomiar贸w dla sta艂ego pr膮du, kt贸ry w naszym przypadku wynosi 1,5A. W tym celu wykonujemy 2 serie pomiarowe dla indukcji magnetycznej dodatniej oraz 2 serie pomiarowe dla indukcji magnetycznej ujemnej zmieniaj膮c nat臋偶enie pr膮du steruj膮cego w zakresie 3-10mA.
Wyniki i opracowanie pomiar贸w
Jednym z pierwszych wynik贸w, jakie zanotowano by艂y wymiary hallotronu zdj臋te z tabliczki do艂膮czonej do elektromagnesu. Wymiary te zosta艂y przedstawione w tabeli 1.
Tabela 1
|
Warto艣膰 |
B艂膮d |
Ujednolicona jednostka [m] |
Grubo艣膰 - d |
100 um |
1 um |
0,1 * 10-3 卤 0,001* 10-3 |
Szeroko艣膰 - c |
2,5 mm |
0,1 mm |
2.5 * 10-3 卤 0,1* 10-3 |
D艂ugo艣膰 - l |
10 mm |
0,1 mm |
10 * 10-3 卤 0,1* 10-3 |
Kolejnym krokiem by艂o spisanie kilku wynik贸w z charakterystyki elektromagnesu by wyznaczy膰 warto艣ci indukcji magnetycznej, jaka dzia艂a na hallotron w naszym eksperymencie.
Spisane wyniki zawiera tabela 2
Tabela 2
I [A] |
B [T] |
0,3 |
0,005 |
0,8 |
0,065 |
1,1 |
0,090 |
2 |
0,165 |
2,3 |
0,190 |
2,6 |
0,215 |
Na podstawie zamieszczonych danych szukamy wsp贸艂czynnika dopasowania prostej do wykresu (metoda ta jest opisana w dalszej cz臋艣ci sprawozdania) i tak mamy.
Indukcja elektromagnetyczna jest w naszym przypadku r贸wna
B艂膮d zwi膮zany z jej wyznaczeniem wyliczymy korzystaj膮c z metody r贸偶niczki zupe艂nej.
W celu przejrzysto艣ci przedstawionych danych wyliczone warto艣ci indukcji magnetycznej przedstawiona zosta艂y wraz z wynikami pomiarowymi w tabeli 3.
Wyniki pomiar贸w, jakie uzyskali艣my s膮 przedstawione w o艣miu seriach pomiarowych poni偶ej. W przypadku pierwszych 2 seriach pomiarowych badano zale偶no艣膰 napi臋cia hala i napi臋cia progowego od wielko艣ci wektora indukcji magnetycznej. Przyj臋to napi臋cie steruj膮ce jako sta艂e, lecz zmieniano jego kierunek podczas pomiar贸w a nast臋pnie w kolejnych 2 seriach wykonano to samo dla odwrotnego kierunku wektora indukcji magnetycznej. W kolejnych 2 seriach pomiarowych badano zale偶no艣膰 napi臋cia hala oraz napi臋cia progowego w zale偶no艣ci od wielko艣ci i kierunku pr膮du steruj膮cego. Wektor indukcji magnetycznej przyj臋to jako sta艂y a nast臋pnie w dw贸ch ostatnich seriach zmieniono jego kierunek na przeciwny.
Pomiary wykonywano na multimetrami elektrycznymi, zmiany kierunku pr膮du dokonywano r臋cznie a ca艂y uk艂ad by艂 spi臋ty tak jak na za艂膮czonym schemacie.
Na podstawie klasy multimetr贸w oraz zakres贸w pomiarowych zosta艂y wyliczone b艂臋dy pomiar贸w i zamieszczone w poni偶szej tabeli.
Tabela 3
Seria I
I [A] |
Is [mA] |
U [V] |
Uh [V] |
B [T] |
螖 I [A] |
螖 Is [mA] |
螖 U [V] |
螖 Uh [V] |
螖 B [T] |
2,94 |
5,00 |
1,441 |
0,486 |
0,24 |
0,11 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,02 |
2,69 |
5,00 |
1,415 |
0,467 |
0,22 |
0,10 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
2,36 |
5,00 |
1,385 |
0,442 |
0,19 |
0,10 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
2,06 |
5,00 |
1,360 |
0,420 |
0,17 |
0,09 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
1,75 |
5,00 |
1,334 |
0,397 |
0,14 |
0,09 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
1,46 |
5,00 |
1,315 |
0,376 |
0,12 |
0,08 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
1,13 |
5,00 |
1,298 |
0,353 |
0,09 |
0,07 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
0,84 |
5,00 |
1,284 |
0,334 |
0,07 |
0,07 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
0,47 |
5,00 |
1,273 |
0,310 |
0,04 |
0,06 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
0,21 |
5,00 |
1,268 |
0,294 |
0,02 |
0,05 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
Seria 2
I [A] |
Is [mA] |
U [V] |
Uh [V] |
B [T] |
螖 I [A] |
螖 Is [mA] |
螖 U [V] |
螖 Uh [V] |
螖 B [T] |
2,94 |
-5,00 |
-1,439 |
-0,484 |
0,24 |
0,11 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,02 |
2,69 |
-5,00 |
-1,416 |
-0,466 |
0,22 |
0,10 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
2,36 |
-5,00 |
-1,386 |
-0,441 |
0,19 |
0,10 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
2,06 |
-5,00 |
-1,361 |
-0,419 |
0,17 |
0,09 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
1,75 |
-5,00 |
-1,336 |
-0,396 |
0,14 |
0,09 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
1,46 |
-5,00 |
-1,317 |
-0,375 |
0,12 |
0,08 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
1,13 |
-5,00 |
-1,299 |
-0,352 |
0,09 |
0,07 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
0,84 |
-5,00 |
-1,284 |
-0,333 |
0,07 |
0,07 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
0,47 |
-5,00 |
-1,274 |
-0,309 |
0,04 |
0,06 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
0,21 |
-5,00 |
-1,269 |
-0,294 |
0,02 |
0,05 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
Seria 3
I [A] |
Is [mA] |
U [V] |
Uh [V] |
B [T] |
螖 I [A] |
螖 Is [mA] |
螖 U [V] |
螖 Uh [V] |
螖 B [T] |
0,21 |
5,00 |
1,262 |
0,270 |
-0,02 |
0,05 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
0,47 |
5,00 |
1,264 |
0,255 |
-0,04 |
0,06 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
0,84 |
5,00 |
1,273 |
0,237 |
-0,07 |
0,07 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
1,09 |
5,00 |
1,283 |
0,225 |
-0,09 |
0,07 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
1,44 |
5,00 |
1,298 |
0,209 |
-0,12 |
0,08 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
1,74 |
5,00 |
1,315 |
0,196 |
-0,14 |
0,08 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
2,02 |
5,00 |
1,334 |
0,184 |
-0,17 |
0,09 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
2,38 |
5,00 |
1,361 |
0,170 |
-0,20 |
0,10 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
2,65 |
5,00 |
1,383 |
0,159 |
-0,22 |
0,10 |
0,04 |
0,005 |
0,001 |
0,01 |
2,94 |
5,00 |
1,408 |
0,148 |
-0,24 |
0,11 |
0,04 |
0,005 |
0,001 |
0,02 |
Seria 4
I [A] |
Is [mA] |
U [V] |
Uh [V] |
B [T] |
螖 I [A] |
螖 Is [mA] |
螖 U [V] |
螖 Uh [V] |
螖 B [T] |
0,21 |
-5,00 |
-1,263 |
-0,270 |
-0,02 |
0,05 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
0,47 |
-5,00 |
-1,265 |
-0,255 |
-0,04 |
0,06 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
0,84 |
-5,00 |
-1,274 |
-0,237 |
-0,07 |
0,07 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
1,09 |
-5,00 |
-1,284 |
-0,225 |
-0,09 |
0,07 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
1,44 |
-5,00 |
-1,299 |
-0,208 |
-0,12 |
0,08 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
1,74 |
-5,00 |
-1,316 |
-0,195 |
-0,14 |
0,08 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
2,02 |
-5,00 |
-1,334 |
-0,183 |
-0,17 |
0,09 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
2,38 |
-5,00 |
-1,363 |
-0,169 |
-0,20 |
0,10 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
2,65 |
-5,00 |
-1,384 |
-0,158 |
-0,22 |
0,10 |
0,04 |
0,005 |
0,001 |
0,01 |
2,94 |
-5,00 |
-1,412 |
-0,148 |
-0,24 |
0,11 |
0,04 |
0,005 |
0,001 |
0,02 |
Seria 5
I [A] |
Is [mA] |
U [V] |
Uh [V] |
B [T] |
螖 I [A] |
螖 Is [mA] |
螖 U [V] |
螖 Uh [V] |
螖 B [T] |
1,50 |
3,20 |
0,829 |
0,237 |
0,12 |
0,08 |
0,03 |
0,003 |
0,002 |
0,01 |
1,50 |
4,43 |
1,142 |
0,327 |
0,12 |
0,08 |
0,03 |
0,004 |
0,002 |
0,01 |
1,50 |
5,30 |
1,360 |
0,390 |
0,12 |
0,08 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
1,50 |
6,40 |
1,637 |
0,470 |
0,12 |
0,08 |
0,04 |
0,006 |
0,002 |
0,01 |
1,50 |
7,45 |
1,895 |
0,540 |
0,12 |
0,08 |
0,05 |
0,007 |
0,003 |
0,01 |
1,50 |
8,56 |
2,150 |
0,622 |
0,12 |
0,08 |
0,05 |
0,016 |
0,003 |
0,01 |
1,50 |
9,45 |
2,370 |
0,684 |
0,12 |
0,08 |
0,06 |
0,017 |
0,003 |
0,01 |
Seria 6
I [A] |
Is [mA] |
U [V] |
Uh [V] |
B [T] |
螖 I [A] |
螖 Is [mA] |
螖 U [V] |
螖 Uh [V] |
螖 B [T] |
1,50 |
-3,20 |
-0,830 |
-0,237 |
0,12 |
0,08 |
0,03 |
0,003 |
0,002 |
0,01 |
1,50 |
-4,42 |
-1,138 |
-0,326 |
0,12 |
0,08 |
0,03 |
0,004 |
0,002 |
0,01 |
1,50 |
-5,30 |
-1,361 |
-0,390 |
0,12 |
0,08 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
1,50 |
-6,40 |
-1,638 |
-0,469 |
0,12 |
0,08 |
0,04 |
0,006 |
0,002 |
0,01 |
1,50 |
-7,45 |
-1,897 |
-0,543 |
0,12 |
0,08 |
0,05 |
0,007 |
0,003 |
0,01 |
1,50 |
-8,56 |
-2,160 |
-0,621 |
0,12 |
0,08 |
0,05 |
0,016 |
0,003 |
0,01 |
1,50 |
-9,44 |
-2,370 |
-0,680 |
0,12 |
0,08 |
0,06 |
0,017 |
0,003 |
0,01 |
Seria 7
I [A] |
Is [mA] |
U [V] |
Uh [V] |
B [T] |
螖 I [A] |
螖 Is [mA] |
螖 U [V] |
螖 Uh [V] |
螖 B [T] |
1,50 |
9,44 |
2,360 |
0,377 |
-0,12 |
0,08 |
0,06 |
0,017 |
0,002 |
0,01 |
1,50 |
8,55 |
2,140 |
0,344 |
-0,12 |
0,08 |
0,05 |
0,016 |
0,002 |
0,01 |
1,50 |
7,42 |
1,876 |
0,299 |
-0,12 |
0,08 |
0,05 |
0,007 |
0,002 |
0,01 |
1,50 |
6,39 |
1,621 |
0,259 |
-0,12 |
0,08 |
0,04 |
0,006 |
0,002 |
0,01 |
1,50 |
5,31 |
1,354 |
0,216 |
-0,12 |
0,08 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
1,50 |
4,43 |
1,132 |
0,180 |
-0,12 |
0,08 |
0,03 |
0,004 |
0,002 |
0,01 |
1,50 |
3,20 |
0,821 |
0,131 |
-0,12 |
0,08 |
0,03 |
0,003 |
0,001 |
0,01 |
Seria 8
I [A] |
Is [mA] |
U [V] |
Uh [V] |
B [T] |
螖 I [A] |
螖 Is [mA] |
螖 U [V] |
螖 Uh [V] |
螖 B [T] |
1,50 |
-9,44 |
-2,370 |
-0,374 |
-0,12 |
0,08 |
0,06 |
0,017 |
0,002 |
0,01 |
1,50 |
-8,55 |
-2,150 |
-0,341 |
-0,12 |
0,08 |
0,05 |
0,016 |
0,002 |
0,01 |
1,50 |
-7,42 |
-1,885 |
-0,299 |
-0,12 |
0,08 |
0,05 |
0,007 |
0,002 |
0,01 |
1,50 |
-6,38 |
-1,621 |
-0,257 |
-0,12 |
0,08 |
0,04 |
0,006 |
0,002 |
0,01 |
1,50 |
-5,31 |
-1,356 |
-0,217 |
-0,12 |
0,08 |
0,04 |
0,005 |
0,002 |
0,01 |
1,50 |
-4,43 |
-1,133 |
-0,180 |
-0,12 |
0,08 |
0,03 |
0,004 |
0,002 |
0,01 |
1,50 |
-3,20 |
-0,822 |
-0,133 |
-0,12 |
0,08 |
0,03 |
0,003 |
0,001 |
0,01 |
Na podstawie tych danych przygotowano 4 wykresy obrazuj膮ce zale偶no艣ci pomi臋dzy badanymi wielko艣ciami.
Na ka偶dy punkt pomiarowy zosta艂y naniesione b艂臋dy pomiaru zar贸wno na wielko艣ciach x jak i y. Niestety z uwagi na ma艂e b艂臋dy pomiarowe w niekt贸rych miejscach na wykresie naniesione b艂臋dy nie s膮 widoczne. Do艣膰 du偶ym utrudnieniem mo偶e by膰 r贸wnie偶 to, 偶e w niekt贸rych miejscach serie pomiarowe praktycznie si臋 pokrywaj膮.
Dodatkowo z powodu du偶ej symetrii i proporcjonalno艣ci badanych zale偶no艣ci do ka偶dej serii pomiarowej wykonano dopasowanie prostej przechodz膮cej przez punkty wyznaczone do艣wiadczalnie.
W wyznaczeniu dopasowania prostej skorzystano ze wzor贸w.
Z uwagi na przejrzysto艣ci pracy dane s艂u偶膮ce do wyznaczenia dopasowania zamieszczono w dodatku na ko艅cu pracy.
Pierwszy wykres dotyczy pierwszych 4 serii pomiarowych i przedstawia jak zale偶y napi臋cie halla od warto艣ci indukcji magnetycznej generowanej przez elektromagnes.
Napi臋cie halla w danej sytuacji okre艣la wz贸r
Gdzie RS jest oporem zwi膮zanym z asymetri膮 hallotronu.
Warto艣膰
jest r贸wna modu艂owi 艣redniego wsp贸艂czynnika b z dopasowania prostych na wykresie.
Mamy, zatem
a b艂膮d pomiaru RS wyliczymy z metody r贸偶niczki logarytmicznej.
Analizuj膮 wyliczone wsp贸艂czynniki z dopasowania prostej widzimy, 偶e warto艣膰 艣rednia modu艂贸w poszczeg贸lnych wsp贸艂czynnik贸w b w dopasowaniu prostej do tego wykresu dla ka偶dej serii pomiarowej s膮 sobie r贸wne i wynosz膮.
Kolejnym wykresem, jaki wykonano jest wykres 2 przedstawiaj膮cy zale偶no艣膰 napi臋cia pod艂u偶nego hallotronu od warto艣ci indukcji magnetycznej dla pierwszych 4 serii pomiarowych.
Wykres ten powinien przedstawia膰 2 proste r贸wnolegle jednakowo odleg艂e od osi OX,
tak jednak nie jest, widzimy, 偶e wraz ze wzrostem d艂ugo艣ci wektora indukcji magnetycznej (jego modu艂u) proste te zakrzywiaj膮 si臋 odpowiednio ku do艂owi albo g贸rze. Jest to spowodowane tym ze wraz ze wzrostem indukcji magnetycznej ro艣nie magnetoop贸r hallotronu a w skutek tego i napi臋cie pod艂u偶ne.
Jednak, gdy warto艣膰 indukcji magnetycznej zmaleje do 0 magnetoop贸r zanika i mamy do czynienia jedynie z napi臋ciem pod艂u偶nym hallotronu.
Napi臋cie to jest r贸wne 艣redniemu wsp贸艂czynnikowi b wyliczonemu z metody najmniejszych kwadrat贸w dla ka偶dej serii pomiarowej.
艢rednia z wszystkich b wynosi
Mo偶emy zapisa膰
Zatem mamy
Wykres 3 przedstawia zale偶no艣膰 napi臋cia halla od pr膮du steruj膮cego hallotronu przy sta艂ej indukcji magnetycznej dla ostatnich 4 serii pomiarowych.
Zale偶no艣膰 ta mo偶emy opisa膰 wzorem
czyli
Widzimy na wykresie 2 proste, kt贸re maj膮 wsp贸艂czynniki a r贸wne odpowiednio r贸wne.
gdy sta艂a warto艣膰 indukcji magnetycznej jest dodatnia
gdy sta艂a warto艣膰 indukcji magnetycznej jest ujemna
Wsp贸艂czynniki a we wzorze po przemno偶eniu przez tysi膮c daj膮 nam 2 warto艣ci oporu halla w zale偶no艣ci od kierunku wektora indukcji magnetycznej. R贸偶nice w tych warto艣ciach powoduje op贸r asymetrii a tak偶e wyst臋powanie oporu magnetycznego.
By wyliczy膰 koncentracje skorzystamy z zale偶no艣ci.
Dla dodatniej warto艣ci indukcji magnetycznej koncentracja no艣nik贸w jest r贸wna
Dla ujemnej warto艣ci indukcji magnetycznej koncentracja no艣nik贸w jest r贸wna
Spore rozbie偶no艣ci pomi臋dzy koncentracja w koncentracji no艣nik贸w w hallotronie w zale偶no艣ci od kierunku wektora indukcji magnetycznej wynikaj膮 z tego, i偶 w hallotronie wyst臋puj膮 zar贸wno dziury jak i elektrony, kt贸re s膮 odpowiedzialne za przenoszenie no艣nika. Istotny wp艂yw na ta rozbie偶no艣膰 ma r贸wnie偶 op贸r asymetrii, jaki wyst臋puje w hallotronie.
Koncentracja 艣rednia dana jest wzorem i wynosi
Wykres 4 przedstawia zale偶no艣膰 napi臋cia pod艂u偶nego od nat臋偶enia pr膮du steruj膮cego przy sta艂ej warto艣ci indukcji magnetycznej dla 4 ostatnich serii pomiarowych
Widzimy, 偶e wszystkie proste maj膮 praktycznie ten sam wsp贸艂czynnik nachylenia do osi OX.
Jest on r贸wny
St膮d mo偶emy wyznaczy膰 ruchliwo艣膰 no艣nik贸w jako.
Na podstawie r贸偶niczki logarytmicznej wyliczono b艂膮d zwi膮zany z warto艣ci膮 ruchliwo艣ci
Mamy zatem
Wnioski
Na podstawie przeprowadzonych pomiar贸w mogli艣my zaobserwowa膰 i zmierzy膰 zar贸wno op贸r pod艂u偶ny hallotronu jak i op贸r asymetrii hallotronu. Stosunkowo du偶a warto艣膰 oporu asymetrii w znacznym stopniu wp艂ywa na pomiar napi臋cia Halla.
Wykazali艣my r贸wnie偶 istnienie magnetooporu, kt贸ry ro艣nie wraz ze wzrostem indukcji magnetycznej. Magnetoop贸r ma r贸wnie偶 wp艂yw na napi臋cie halla.
R贸偶ne wyniki jakie dostali艣my przy liczeniu koncentracji no艣nik贸w pr膮du spowodowane s膮 niejednorodno艣ci膮 hallotronu oraz tym 偶e w przenoszeniu 艂adunk贸w w badanym hallotronie bior膮 udzia艂 zar贸wno dziury jak i wolne elektrony.
Du偶y b艂膮d jakim jest obarczona ruchliwo艣膰 no艣nik贸w wynika z faktu i偶 na jej warto艣膰 wp艂yw ma wiele czynnik贸w mierzalnych.
Og贸lnie rzecz bior膮c na podstawie wyznaczonych do艣wiadczalnie zale偶no艣ci przedstawionych na wykresach mo偶emy na kilka sposob贸w wyznaczy膰 szukane przez nas parametry opisuj膮ce zjawisko halla jak i sam hallotron.
Poprawka
Wyznaczenie ruchliwo艣ci no艣nik贸w
Minimalny przyrost napi臋cia halla spowodowany przyrostem wektora indukcji magnetycznej okre艣lamy jako
Natomiast pr臋dko艣膰 dryftowa okre艣lona jest jako
艁膮cz膮c oba wyra偶enia mamy
St膮d
Cz艂on
jest to pochodna we wzorze na napi臋cie halla. Pochodna ta jest r贸wna wsp贸艂czynnikowi kierunkowemu prostej na wykresie 1. Wsp贸艂czynnik ten liczymy z metody najmniejszych kwadrat贸w 艂膮cznie dla serii 1 oraz serii 3.
Otrzymujemy
St膮d
Nasza zale偶no艣膰 przyjmuje wiec posta膰
Widzimy, 偶e ruchliwo艣膰 jest odwrotnie proporcjonalna do napi臋cia pod艂u偶nego to natomiast zale偶y od indukcji magnetycznej
Na podstawie wykresu 2 mo偶emy okre艣li膰 jak zale偶y napi臋cie poprzeczne od indukcji magnetycznej. W tym celu z metody najmniejszych kwadrat贸w wyznaczamy wsp贸艂czynniki dopasowania prostej dla serii 1.
Otrzymujemy
St膮d
Mo偶emy wiec zapisa膰
Sytuacje ta ilustruje wykres
Mo偶emy wiec zapisa膰
B艂膮d zwi膮zany z wyznaczeniem ruchliwo艣ci policzymy z metody r贸偶niczki logarytmicznej
Podstawiaj膮c sta艂e warto艣ci do wzoru mamy
Wyniki oblicze艅 przedstawiono w tabeli poni偶ej
B |
渭 |
螖B |
螖渭 |
0,24 |
11 |
0,02 |
4 |
0,22 |
12 |
0,01 |
4 |
0,19 |
13 |
0,01 |
5 |
0,17 |
14 |
0,01 |
5 |
0,14 |
16 |
0,01 |
6 |
0,12 |
18 |
0,01 |
7 |
0,09 |
21 |
0,01 |
8 |
0,07 |
25 |
0,01 |
10 |
0,04 |
32 |
0,01 |
14 |
0,02 |
40,310 |
0,01 |
21 |
Dane pochodz膮ce z tabel zosta艂y zobrazowane na wykresie poni偶ej
Wnioski
Ja widzimy warto艣膰 ruchliwo艣ci maleje wraz ze wzrostem indukcji magnetycznej. Dzieje si臋 tak dlatego i偶 wraz ze wzrostem indukcji magnetycznej ro艣nie r贸wnie偶 magnetoop贸r.
Ruchliwo艣ci jak膮 wyznaczyli艣my jest obarczona bardzo du偶ym b艂臋dem pomiaru, wynika to z tego 偶e przy jej wyznaczaniu korzystamy z wielu czynnik贸w, kt贸re s膮 obarczone b艂臋dami.
Wyliczone warto艣ci ruchliwo艣ci maj膮 sens fizyczny.
13