Последовательность выполнения работы.

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 18Следующая ⇒

1. Собрать цепь по схеме (рис 4.2), на которой R - магазин сопротивлений. При разомкнутом ключе К записать показания вольтметра. При условии, что R_v>r, где r - внутреннее сопротивление источника тока, можно считать, что вольтметр показывает напряжение, равное ЭДС источника. Записать его значение.

Рисунок 4. 2

2. Установить предварительно на магазине сопротивление R=0, Замкнуть ключ К. Этот режим "короткого замыкания". Он должен быть минимальным по длительности. Вольтметр при этом покажет U=0.

3. Изменяя сопротивление нагрузки от R=0, измерять и записывать в таблицу для каждого значения R напряжение U на нагрузке.

4. Сделать 12-14 таких измерений. Половина из них должна быть при значениях U<ε/2 и столько же при U>ε/2. Вблизи U=ε/2 сопротивление R следует измерять так, чтобы напряжение каждый раз изменялось на 0,04 - 0,08 В (1-2 деления шкалы вольтметра). Вдали от U=ε/2 при переходе от одного измерения к другому скачки напряжения можно делать равными 0,12-0,32 В (3-8 делений шкалы вольтметра).

5. Комбинируя пары значений R и U (одно при U< ε /2, другое при U> ε /2), вычислить внутреннее сопротивление источника по формуле:

(4. 10)

Из 5-6 расчетов по этой формуле найти среднее значение внутреннего сопротивления источника тока r_ср.

6. Для каждого значения U вычислить мощность Рн по формуле (4) и КПД по формуле (8). Все измеренные и вычисленные величины записать в таблицу 4.1.

Таблица 4. 1

№ измерения	U, В	R, Ом	P_н, Вт	η

7. По данным из таблицы построить графики зависимости P_н =f(U) и η=f(U). Оба графика следует строить на одних и тех же осях. Для чего на оси ординат следует сделать 2 шкалы, одну P_н , другую для η.

6.Контрольные вопросы:

Как по графику P_н =f(U) определить внутреннее сопротивление источника тока?
Что такое ЭДС источника тока?
Какие режимы работы могут быть у источника тока? От чего зависит режим работы источника тока?
Выведите формулу (4.10)

Лабораторная работа №2. 5

ЭФФЕКТ ХОЛЛА

1.Цель работы: изучение явления Холла.

2.Приборы и принадлежности: датчик Холла, установка состоящая из катушки индуктивности, миллиамперметра, милливольтметра.

Теоретическое введение.

3.1 Общие сведения.

Эффектом Холла называется появление в проводнике с током плотностью I, помещенном в магнитное поле напряженностью Н, электрического поля напряженностью Е_х, перпендикулярного Н и I. При этом напряженность электрического поля, называемого еще полем Холла, равна:

E_x = RHI sin a, (5. 1)

где a угол между векторами Н и I(a<180°).

Рисунок 5. 1

Когда H^I, то величина поля Холла Е_х максимальна: E_x = RHI.

Величина R, называемая коэффициентом Холла, является основной характеристикой эффекта Холла.

Эффект открыт Эдвином Гербертом Холлом в 1879г в тонких пластинках золота. Для наблюдения эффекта Холла вдоль прямоугольных пластин из исследуемых веществ, длина которых l значительно больше ширины а и толщины d, пропускается ток:

I = Iаd

Магнитное поле перпендикулярно плоскости пластинки. На середине боковых граней, перпендикулярно току, расположены электроды, между которыми измеряется ЭДС Холла U_x :

U_x = Е_хb = RHI/d (5. 2)

Так как ЭДС Холла меняет знак на обратный при изменении направления магнитного поля на обратное, то эффект Холла относится к нечетным гальваномагнитным явлениям.

Простейшая теория эффекта Холла объясняет появление ЭДС Холла взаимодействием носителей тока (электронов проводимости и дырок) с магнитным полем.

Под действием электрического поля носители заряда приобретают направленное движение (дрейф), средняя скорость которого (дрейфовая скорость) υ_др¹0. Плотность тока в проводнике I = neυ_др, где n — концентрация числа носителей, е — их заряд.

В магнитном поле на носители действует сила Лоренца:

F = e[Hυ_д_p],

под действием которой частицы отклоняются в направлении, перпендикулярном υ_др и Н. В результате на обеих гранях проводника конечных размеров происходит накопление заряда и возникает электростатическое поле — поле Холла. В свою очередь поле Холла действует на заряды и уравновешивает силу Лоренца. В условиях равновесия

eE_x = еНυ_др,

E_x = HI/ne,

отсюда R = 1/ne (cм^з/кулон).

Знак R совпадает со знаком носителей тока. Для металлов, у которых концентрация носителей (электронов проводимости) близка к плотности атомов (n»10²²См^-3), R~10^-3(см³/кулон), у полупроводников концентрация носителей значительно меньше и R~10⁵ (см³/кулон).

Коэффициент Холла R может быть выражен через подвижность носителей заряда b = еt/m* и удельную электропроводность s = I/E = еnυ_лр/Е:

R=b/s (5. 3)

Здесь m*— эффективная масса носителей, t — среднее время между двумя последовательными соударениями с рассеивающими центрами.

Знак R указывает на преобладающий тип проводимости.

Подвижностью носителей тока называется средняя скорость, приобретаемая носителями при напряженности электрического поля, равной единице. Если в поле напряженности Е носители приобретают скорость то их подвижность равна:

b= /E (5. 4)

Подвижность можно связать с проводимостью s и концентрацией носителей n. Для этого разделим соотношение I=ne на напряженность поля Е. Приняв во внимание, что отношение I к Е дает s, а отношение к Е - подвижность, получим:

s=neb (5. 5)

Измерив постоянную Холла R и проводимость s, найти концентрацию и подвижность носили тока в соответствующем образце.

Измерения постоянной Холла были произведены в очень широком интервале температур. Оказалось, что в металлах постоянная Холла не зависит от температуры, следовательно, и концентрация свободных электронов не зависит от температуры. Это означает, что тепловое движение не играет никакой роли в образовании свободных электронов в металлах.

3.2 Эффект Холла в полупроводниках.

Эффект Холла наблюдается не только в металлах, но и в полупроводниках (селен, кремний, германий, окислы ряда металлов), причем по знаку эффекта можно судить о принадлежности полупроводника к n- или p-типу, так как в полупроводниках n-типа знак носителей тока отрицательный, полупроводниках p-типа – положительный. Направление магнитной силы изменяется на противоположное как при изменении направления движения заряда, так и при изменении его знака. Следовательно, при одинаковом направлении тока и поля магнитная сила, действующая на положительные и отрицательные носители, имеет одинаковое направление. Поэтому в случае положительных носителей потенциал верхней грани выше, чем нижней, а в случае отрицательных носителей — ниже. Таким образом, определив знак холловской разности потенциалов, можно установить знак носителей тока. Любопытно, что у некоторых металлов знак U_н соответствует положительным носителям тока. Объяснение этой аномалии дает квантовая теория.

Основная особенность полупроводников заключается в том, что постоянная Холла с ростом температуры резко падает, следовательно, концентрация свободных электронов растет при увеличении температуры полупроводника.

3.3 Датчик ЭДС Холла.

Датчик ЭДС Холла – это элемент автоматики, радиоэлектроники и измерительной техники, используемый в качестве измерительного преобразователя, действие которого основано на эффекте Холла. Представляет собой тонкую прямоугольную пластину (площадь – несколько мм²), или пленку, изготовленную из полупроводника (Si, Ge, InSb, InAs), имеет четыре электрода для подвода тока и съема ЭДС Холла. Чтобы избежать механических повреждений, пластинки Холла ЭДС датчика монтируют (а пленку напыляют в вакууме) на прочной подложке из диэлектрика (слюды, керамики). Для получения наибольшего эффекта толщина пластины (пленки) делается возможно меньшей. Датчики ЭДС Холла применяют для бесконтактного измерения магнитных полей (от 10^-6 до 10⁵ Э). При измерении слабых магнитных полей пользуются Холла ЭДС датчиками, вмонтированными в зазоре ферро– или ферримагнитного стержня (концентратора), что позволяет значительно повысить чувствительность датчика. Так как в полупроводниках концентрация носителей зарядов (а следовательно, и коэффициент Холла) может зависеть от температуры, то в случае точных измерений необходимо либо термостатировать Холла ЭДС датчик, либо применять сильнолегированные полупроводники (последнее снижает чувствительность датчика).

При помощи Холла ЭДС датчика можно измерять любую физическую величину, которая однозначно связана с магнитным полем; в частности можно изменять силу тока, так как вокруг проводника с током образуется магнитное поле, которое можно измерить. На основе Холла ЭДС датчика созданы амперметры на токи до 100 кА. Кроме того Холла ЭДС датчики применяются в измерителях линейных и угловых перемещений, а также в измерителях градиента магнитного поля, магнитного потока и мощности электрических машин, в бесконтактных преобразователях постоянного тока в переменный, и, наконец, в воспроизводящих головках систем звукозаписи.

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 430; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!