Uczelnia Zawodowa Zagłębia Miedziowego LUBIN |
FIZYKA
LABORATORIUM |
Ćwiczenie nr 3 |
Prowadzący ćwiczenie
mgr Marian Glapiak
Podpis…………………. |
BADANIE EFEKTU HALLA |
Data wykonania ćwiczenia
12-05-2007 |
Ocena kolokwium wejściowego
……………………………… |
Przyjęcie wykonania ćwiczenia przez prowadzącego
…………………………………… |
Końcowa ocena ćwiczenia/sprawozdanie/
………………………………
|
wykonał:
WSTĘP
EFEKT HALLA.
Jeżeli płytkę z metalu lub półprzewodnika włączymy w obwód [prądu stałego i umieścimy w polu magnetycznym, którego wektor indukcji B jest prostopadły do powierzchni płytki i do kierunku płynącego prądu elektrycznego, to między punktami na bocznych powierzchniach płytki wytworzy się różnica potencjałów UH, zwana napięciem Halla.
Załóżmy, że nośnikami prądu są elektrony. Jeżeli do płytki przyłożymy napięcie, to w razie braku pola magnetycznego przez próbkę będzie płynął prąd o natężeniu I. Wytworzone w próbce pole elektryczne o natężeniu Ex będzie skierowane zgodnie z kierunkiem płynącego prądu, natomiast elektrony poruszać się będą w kierunku przeciwnym polu z prędkością vx. Gęstość prądu płynącego przez płytkę określona jest wzorem
j = e n vx
Natężenie prądu I można określić jako iloczyn gęstości prądu i powierzchni S prostopadłej do kierunku wektora gęstości prądu , zatem
I = e n vx S.
W obecności pola magnetycznego o indukcji B, na elektrony poruszające się w tym polu z prędkością vx, działa siła Lorentza
FL = -e (vx B).
Tak więc każdy elektron w płytce poruszający się z prędkością vx, zostaje odchylony od swego początkowego kierunku ruchu. Wskutek zmiany torów elektrony gromadzą się na jednej z krawędzi płytki, natomiast na drugiej wytwarza się niedobór elektronów. Dzięki temu powstaje dodatkowe pole elektryczne o natężeniu Ey. Proces gromadzenia się ładunków trwa tak długo, aż powstałe pole poprzeczne Ey, działające na elektrony z siłą
Fy = -eEy
zrównoważy siłę Lorentza. Dla warunków równowagi możemy zapisać
Fy = FL
skąd możemy otrzymać wyrażenie określające napięcie Halla
UH = I B,
w którym
gdzie d - wysokość płytki.
Mierząc natężenie prądu I płynącego przez płytkę, napięcie Halla UH oraz znając współczynnik , można wyznaczyć indukcję magnetyczną B. Urządzenie służące do wyznaczania indukcji magnetycznej nazywa się hallotronem, współczynnik zaś czułością hallotronu.
Schemat układu pomiarowego:
ĆWICZENIE NR 3
1. Spis przyrządów
- hallotron umieszczony w polu magnetycznym wytworzonym przez magnesy trwałe. Magnesy zamocowane są tak aby możliwy był pomiar zmian orientacji pola magnetycznego względem płaszczyzn hallotronu,
- zasilacz hallotronu,
- miliamperomierz do pomiaru natężenia prądu sterującego,
- woltomierz do pomiaru napięcia Halla.
2. Cel ćwiczenia
Wyznaczenie charakterystyk hallotronu.
Wyznaczenie czułości hallotronu.
Wyznaczenie koncentracji elektronów swobodnych.
Wyznaczenie czułości kątowej układu.
3. Przebieg pomiarów
połączyć układ zasilający hallotron.
wyznaczyć zależność napięcia Halla UH od indukcji magnetycznej przy ustalonym natężeniu prądu płynącego przez hallotron IS = const = 10 mA. Włączyć woltomierz oraz zasilacz hallotronu. Obrócić magnesy w położenie przy którym napięcie Halla UH = 0 - kierunek pola magnetycznego jest wtedy równoległy do powierzchni hallotronu - zanotować to położenie jako α0 . Wykonać pomiary zależności napięcia Halla od kąta pomiędzy kierunkiem indukcji magnetycznej B i powierzchnią hallotronu. Pomiary wykonać w przedziale od 0˚do 360˚ co 10˚.
wyznaczyć zależność napięcia Halla UH od natężenia prądu płynącego przez hallotron IS, przy ustalonej wartości indukcji magnetycznej B. Ustawić magnesy pod kątem wskazanym przez prowadzącego (160˚). Przeprowadzić pomiary zależności napięcia Halla UH od natężenia prądu sterującego IS w zakresie od 1mA do 15mA co 1mA.
4. Opracowanie wyników
Narysować wykres zależności napięcia Halla od kąta odczytanego z podziałki hallotronu.
Korzystając z tego wykresu odczytać wartości α0 przy której UH = 0.
Obliczyć maksymalną wartość czułości kątowej hallotronu Δ UH /Δα.
Narysować wykres zależności napięcia Halla od wartości składowej normalnej indukcji Bn = B0 sin(α-α0).
Narysować wykres zależności napięcia Halla UH od natężenia prądu IS płynącego przez hallotron.
Korzystając z regresji liniowej obliczyć współczynniki kierunkowe prostych opisujących zależności UH (B) przy IS = const oraz UH (IS ) przy Bn=const.
Korzystając z wartości współczynników kierunkowych obliczuć czułość hallotronu γ.
Oszacować niepewność wyznaczenia czułości hallotronu Δγ oraz Δγ/γ [%].
9. Obliczyć koncentrację elektronów swobodnych n korzystając z wyrażenia:
Gdzie:
d - grubość płytki hallotronu (d=2μm)
e - ładunek elementarny (e=1,6·10‾¹9 C)
przyjąć: B0=(0,500±0,05)T
Δd/d=5%
Niepewności pomiarowe Δ UH oraz Δ IS należy obliczyć zgodnie z wskazówkami , które znajdują się w instrukcji do mierników.
Obliczyć względną niepewność koncentracji Δn/n[%]=Δd/d[%]+Δγ/γ[%]
5. Tabele z wynikami pomiarów
Wyznaczenie zależności napięcia UH od indukcji magnetycznej przy ustalonym natężeniu prądu IS = const = 10 mA
α0 = 900
Wykres zależności napięcia Halla UH od natężenia prądu IS płynącego przez hallotron
B = const (1600)
3. Wykres zależności napięcia Halla UH od wartości składowej normalnej indukcji Bn. POMIAR 3
OBLICZENIA
Obliczenie czułości hallotronu
Pomiar 2
Średnia czułość hallotronu wyznaczona dla pomiarów 2 γ = 47,13
przy:
- BM = const
- T = 0,5
Pomiar 3
Średnia czułość hallotronu wyznaczona dla pomiaru 3 γ = 48,79
przy:
- IS = const
- I = 10 [mA]
Z pomiarów 2 i 3 wynika, że czułość hallotronu wynosi:
γ (γ γ
γ (, ,
γ ,
Oszacowanie niepewności czułości hallotronu γ oraz γ/γ [%]
Do obliczeń wziąłem tabelę z pomiarami 2. Pomiar wykazuje zależność napięcia od natężenia przy stałej indukcji
B= const.
Niepewność względna ε
Obliczenie koncentracji elektronów swobodnych n
gdzie
e = 1,6 . 10 -19 C
d = 2 m = 2 . 10 -6 m
γ = 47,96
mA
,
[n] =
Δd / d = 5%
Względna niepewność koncentracji
Δn / n [%] = Δd / d + Δλ / λ
Δn / n [%] = 8,01%
Błąd bezwzględny Is = 10 mA
Błąd względny Is
Błąd bezwzględny UH = 26 mV
Błąd względny UH
Współczynniki kierunkowe prostych
WNIOSKI
Charakterystyka Uh(B) przy stałym prądzie sterującym Is . Charakterystyka ta jest w przybliżeniu liniowa, jest to zjawisko bardzo korzystne ponieważ zapewnia bardzo szeroki zakres przetwarzania hallotronu. Taki układ pracy można stosować min. do pomiarów indukcji magnetycznej.
Charakterystyka Uh(Is) przy stałej indukcji. Na podstawie charakterystyki widzimy, że czułość hallotrony rośnie wraz ze wzrostem prądu sterującego hallotron. Przez wzrost czułości rozumiemy wzrost napięcia na zaciskach hallotronu przy stałej indukcji.
Liniowość powyższych zależności wykorzystywana jest szeroko w przemyśle. Produkowane jest wiele typów hallotronów (elementów, w których powstaje zjawisko Halla polegające na powstaniu różnicy potencjału w przekroju poprzecznym przewodnika, w którym płynie prąd), oraz podzespołów hallotronowych. Przykładami takim elementów są specjalne sądy hallotronowe, bezstykowe przełączniki sygnałów elektrycznych, szerokopasmowe głowice odczytujące zapis magnetyczny. Wśród urządzeń należy wymienić min.: mierniki indukcji pola magnetycznego, specjalne silniki z komutatorami hallotronowymi, przeznaczone do urządzeń informatyki oraz przetworniki przesunięć liniowych i kątowych i wiele innych.
- 6 -
0,005 . 0,1
=
UH [V]
IS [A] . B [T]
gdzie :
UH - napięcie Halla
Is - natężenie prądu sterującego
B - wartość indukcji pola magnetycznego przy danej wartości natężenia prądu magnesującego.
Pomiar 1
Pomiar 2
0,024
=
= 55,55
0,010 . 0,09
= 48
0,05
=
Pierwszy pomiar z tabeli
Pierwszy pomiar z tabeli
1
m³
47,96 ·1,6 . 10 -19 . 2. 10 -6
1
n =
0,65 . 10 23
=
m 3
1
ε =
Sx (odch. Stan. Poj. Pomiaru)
x (średnia arytmetyczna )
ε = 0,00682
Zaokrąglenie wyników pomiarów
γ (, ,
Δ Is =
0,5 . 10 mA
100 %
= 0,05 mA
= 0,5 %
Is
Δ Is
δ Is =
. 100 %
Δ UH =
0,5 . 26 mV
100 %
= 0,13 mV
. 100 %
= 0,5 %
UH
Δ UH
δ UH =
Δγ
δ UH = 0,5%
δ Is = 0,5%
δ B = 2%
δ D = 5%
δγ δ UH + δ Is + δ B = 2,5%
Δγ γ ( δ UH + δ Is + δ B ) = 1,42
δn δγ δ D = 3,55%
n= 0,65 ˙ 10 23
γ
Dla UH (IS) przy B = const
Współczynnik A = 2,198 ˙ 10 -2
Współczynnik B = 8,023 ˙ 10 - 4
Dla UH (B) przy IS = const = 10 mA
∈ (
Współczynnik A = 3,074 ˙ 10 - 5
Współczynnik B = 1,226 ˙ 10 - 1
Dla UH (B) przy IS = const = 10 mA
∈ (
Współczynnik A = 1,152 ˙ 10 - 3
Współczynnik B = - 6,173 ˙ 10 - 1