POMIAR INDUKCJI MAGNETYCZNEJ ZA POMOCĄ FLUKSOMETRU. BADANIE EFEKTU HALLA.doc

Temat:

POMIAR INDUKCJI MAGNETYCZNEJ ZA POMOCĄ
FLUKSOMETRU. BADANIE EFEKTU HALLA.

1.     Cel ćwiczenia:

a)      zapoznanie się z metodami pomiaru indukcji magnetycznej stałego pola magnetycznego

b)     poznanie zastosowania fluksometru

c)      zapoznanie ze zjawiskiem Halla

d)     praktyczne zastosowanie hallotronów

2. Wprowadzenie:

Przeprowadzone ćwiczenie składało się z dwóch części. Obie opierały się o pomiary wielkości związanych z polem magnetycznym.

a)              Jedną z często stosowanych metod pomiaru pola magnetycznego jest metoda, w której w badanym polu umieszczamy cewkę pomiarową CS, zwaną sondą bądź czujnikiem, połączoną z galwanometrem specjalnego typu G.

              W cewce pomiarowej pod wpływem wywołanej przez nas w jakiś sposób zmiany strumienia magnetycznego powstaje impuls prądu indukcyjnego, powodujący wychylenie galwanometru. W opisanej metodzie stosuje się galwanometry specjalnego typu : albo galwanometr balistyczny o dużym momencie bezwładności systemu ruchomego, albo galwanometr pełzny, zwany też strumieniomierzem bądź fluksometrem. Wychylenia obu galwanometrów są proporcjonalne nie do natężenia prądu, ale do ładunku, który przepłynął przez uzwojenie cewki (ramki) galwanometru.

              W ćwiczeniu wykorzystywany był fluksometr. Fluksometr jest galwanometrem bez momentu zwrotnego. Gdy nie płynie prąd przez uzwojenie cewki, zajmuje ona dowolne położenie wokół osi obrotu. Do sprowadzenia cewki w dowolne położenie zerowe służą specjalne urządzenia mechaniczne bądź elektryczne, obracające ruchomy system fluksometru.

              Wychylenie fluksometru jest proporcjonalne do zmiany strumienia magnetycznego, przenikającego przez uzwojenie cewki pomiarowej. Fluksometry są bezpośrednio wyskalowane w jednostkach strumienia indukcji magnetycznej ( w weberach ).

[Wb] = [ V * s ]

b)              W drugiej części ćwiczenia zapoznaliśmy się z alternatywną metodą pomiaru indukcji magnetycznej : za pomocą hallotronu.

              Hallotrony zbudowane są na zasadzie wykorzystania efektu 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 A i B wytworzy się różnica potencjałów UH, zwana napięciem Halla (Rys1).

Rys.1 Schemat powstawania napięcia Halla

              Niech nośnikami prądu będą elektrony (słuszne dla metali i półprzewodników typu n). Jeżeli do punktów C i D przyłożymy napięcie, to w razie braku pola magnetycznego przez próbkę będzie płynąć 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 jest określona wzorem :

j = e n VX

Natężenie prądu I można określić jako iloczyn gęstości prądu j i powierzchni S prostopadłej do kierunku wektora gęstości prądu j, zatem :

I = e n VX a d

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 zgodnie ze wzorem podanym wyżej. Wskutek zmiany torów elektrony gromadzą się na jednej krawędzi płytki, natomiast na drugiej wytwarza się niedobór elektronów (plusy i minusy na ściankach). Dzięki temu powstaje dodatkowe pole elektryczne o natężeniu :

EY = UH / a .

Proces gromadzenia się ładunków trwa tak długo, aż powstałe pole poprzeczne  EY, działające na elektrony z siłą :

FY = -e EY,

zrównoważy siłę Lorentza. Dla warunków równowagi możemy napisać :

FY = FL

Korzystając z zależności podanych wyżej, otrzymujemy wyrażenie określające napięcie Halla:

UH = g I B

w którym

gdzie d - wysokość płytki.

Mierząc natężenie prądu I płynącego przez płytkę, napięcie Halla UH oraz znając współczynnik g, można wyznaczyć indukcję magnetyczną B.

              Urządzenie służące do wyznaczania indukcji magnetycznej nazywa się hallotronem, współczynnik g zaś nazywamy czułością hallotronu.

              Przy pomiarze napięcia Halla posługujemy się woltomierzem elektronicznym ze względu na bardzo dużą rezystancję wewnętrzną tego przyrządu, a co za tym idzie pomijalnymi błędami pomiarowymi.

              Zjawisku Halla towarzyszy wiele innych zjawisk fizycznych, które mogą wpływać na wartość mierzonego napięcia Halla. Jednym z niekorzystniejszych jest tzw. zjawisko asymetrii pierwotnej, wiążące się z wykonaniem elektrod hallowskich. Problem ten rozwiązano poprzez zewnętrzną kompensację napięcia UA.

3. Spis przyrządów :

1.Wykorzystywane w ćw. 56

a)      Fluksometr kl.2.5

b)     Elektromagnes

c)      Autotransformator

d)     Prostownik

e)      Amperomierz kl.0.5

2. Wykorzystywane w ćw. 57

a)      Elektromagnes EL-01

b)     Autotransformator

c)      Zasilacz elektromagnetyczny ZT980-4

d)     Woltomierz cyfrowy V530 (0.05%+0.01%)

e)      Miliamperomierz LM-1 kl.0.5

f)       Miliamperomierz LM-1 kl.0.5

g)     Zasilacz ZT-980-3

h)     Hallotron

i)       Przystawka hallotronowa

4.  Przebieg ćwiczenia :

4.1              Pomiar indukcji magnetycznej za pomocą fluksometru.

Połączyć układ wg schematu (Rys.2). W układzie tym, regulując napięcie na wejściu prostownika, możemy regulować natężenie wyprostowanego prądu płynącego przez elektromagnes. Ustawić przełącznik fluksometru  w pozycje „korekcja” i pokrętłem sprowadzić wskazówkę fluksometru do zera. Wrócić do pozycji „pomiar” i przez włączenie prądu elektromagnesu odczytać pierwszą wartość strumienia magnetycznego   .  Wykonać pomiary dla innych natężeń prądów I elektromagnesu, sprowadzając przed każdym pomiarem wskazówkę fluksometru do zera. Na podstawie zmierzonych wartości obliczyć indukcje magnetyczną B:

gdzie:  n - liczba zwojów sondy

                            S – powierzchnia zwoju

Wykreślić zależność B = f ( I ).

Rys.2  Układ do pomiaru pola magnetycznego fluksometrem.

gdzie :              EM                             - elektromagnes,

F                             - fluksometr ( miliweberomierz ),

CS                            - cewka pomiarowa ( sonda ),

Z                            - zasilacz elektromagnesu ( prostownik ),

Atr                            - autotransformator.

4.2              Pomiar przy użyciu hallotronu.             

Zmontować układ przedstawiony na rysunku 3. Na wstępie należy usunąć ramkę z hallotronem z obszaru nabiegunnika magnesu, włączyć woltomierz  V 530 oraz zasilacz  ZT - 980 - 3. Następnie ustalamy prąd zasilania hallotronu I oraz potencjometrem P umieszczonym w adapterze hallotronu kompensujemy napięcie asymetrii pierwotnej tak aby UH = 0 V.  Wprowadzamy ramkę z hallotronem w obszar nabiegunników i obserwujemy wskazania V 530, po czym włączamy zasilacz elektromagnesu. Przeprowadzamy pomiar zależności napięcia Halla od indukcji magnetycznej  UH = f ( B ) przy ustalonym prądzie I. Zależność indukcji magnetycznej B od prądu magnesującego Im odczytujemy na oddzielnym wykresie. Drugim pomiarem jest zbadanie zależności napięcia Halla od prądu sterującego hallotronu UH = f ( I ) przy ustalonej indukcji B. Prąd I zmieniamy od 1 ¸ 5 mA co 0,5 mA.

Rys.3 Układ do pomiaru efektu Halla

5.     Tablice obliczeń i wyników pomiarów :

5.1  Pomiar indukcji magnetycznej za pomocą fluksometru.

n = (400.5) – ilość zwojów cewki

S = (4.700.04) cm2 – pole przekroju cewki