12357

Изучение магнитного поля соленоида с помощью датчика Холла

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 20 Изучение магнитного поля соленоида с помощью датчика Холла 1. Цель работы: исследование магнитного поля на оси соленоида с использованием датчика Холла. 2. Методика измерений. Сначала получим выражение для расчета индукции магнитного пол

Русский

2013-04-26

198.5 KB

167 чел.

Лабораторная работа № 20

«Изучение магнитного поля соленоида с помощью датчика Холла»

1. Цель работы: исследование магнитного поля на оси соленоида с использованием датчика Холла.

2. Методика измерений.

Сначала получим выражение для расчета индукции  магнитного поля на оси кругового тока (рис.20.1).

Рис. 20.1. К расчету индукции магнитного поля на оси кругового тока.

Из закона Био-Савара-Лапласа индукция магнитного поля от элемента кругового тока  в точке А равна

 (20.1)

или в скалярной форме

, (20.2)

так как угол между векторами и  равен /2.

Осевая составляющая индукции магнитного поля от элемента тока

. (20.3)

Индукция  от кругового нитка с током направлена вдоль оси витка OX и согласно (20.2) запишется

 (20.4)

Учитывая, что

 (20.5)

получаем

, (20.6)

где a – расстояние от центра нитка до рассматриваемой точки А.

Теперь рассмотрим соленоид, как систему круговых токов, соединенных последовательно. Определим индукцию магнитного поля в произвольной точке О на оси соленоида (рис.20.2).

Рис.20.2. К расчету индукции магнитного поля на оси соленоида.

Пусть на единицу длины соленоида приходится n витков. Тогда на участке dx будет (ndx) витков, которые в точке О создадут магнитное поле с индукцией

 (20.7)

Из геометрических построений, показанных на рис.20.2, следует

. (20.8)

Подставляя (20.8) в (20.7), имеем

. (20.9)

Интегрируя (20.9), получаем выражение для расчета индукции магнитного поля на оси соленоида

 (20.10)

где 1 и 2 – углы между радиусами-векторами, проведенными из точки О к крайним виткам, и осью соленоида.

Приблизительный вид изменения индукции магнитного поля вдоль оси соленоида показан на рис.20.3. Значение x=0 соответствует средней точке на оси соленоида.

Получим формулу для расчета индукции B0 магнитного поля в средней точке на оси соленоида длиной L и диаметром D. В этом случае

Рис.20.3. Магнитное поле вдоль оси соленоида.

Рис.20.4. Эффект Холла.

Учитывая, что n=N/L, (где N – число витков в соленоиде), из (20.10) для средней точки

. (20.11)

В случае бесконечно длинного соленоида 1=0, 2=, тогда из (20.10) получаем

 B=0∙I∙N. (20.12)

В работе для изучения индукции магнитного поля на оси соленоида используется метод, основанный на явлении (эффекте) Холла. Это возникновение в твердом проводнике (или полупроводнике) с током плотностью , помещенном в магнитное поле с индукцией , электрического поля напряженностью . Как следствие, между электродами, касающимися боковых граней образца, возникнет разность потенциалов x (см. рис.20.4).

ЭДС Холла может быть записана в виде

 x=RxjBa, (20.13)

где Rx – постоянная Холла, а – ширина проводника.

Плотность тока определяется формулой

, (20.14)

где Iх – управляющий ток через датчик Холла. Подставляя (20.14) в (20.13), получаем

. (20.15)

Обычно значение постоянной Холла для полупроводников значительно больше, чем для проводников.

3. Экспериментальная установка.

Рис.20.5. Датчик Холла.

В работе используется полупроводниковый датчик Холла (Х501), конструкция которого показана на рис.20.5. Датчик Холла 1 располагается на торце специального штока (зонда), который перемещается по оси соленоида.

Для определения положения штока внутри соленоида на его боковой грани нанесена сантиметровая шкала 2. К штоку подсоединен жгут 3 для подключения электродов на оси соленоида.

В отсутствии магнитного поля (B=0) x должна быть равна нулю, но вследствие ряда факторов это не выполняется. Структурная схема установки показана на рис.20.6.

Соленоид (ФПЭ-04) посредством кабеля подключается к источнику питания (ИП). Ток через соленоид фиксируется амперметром источника питания. Перемещая шток датчика Холла вдоль оси соленоида, измеряют ЭДС Холла с помощью цифрового вольтметра В7-58/2.

Рис.20.6. Структурная схема установки.

Параметры установки:

- толщина датчика Холла в направлении магнитного поля h=20010 мкм;

- управляющий ток датчика Холла Ix=905 мА;

- число витков соленоида N=10002;

- длина соленоида L=1705 мм;

- диаметр соленоида D=605 мм.

4. Порядок выполнения работы.

4.1. Собрать схему, изображенную на рис.20.6. для этого гнезда на лицевой панели кассеты ФПЭ-04 соединить с соответствующими гнездами цифрового вольтметра. Поставить шток с датчиком Холла в среднее положение на оси соленоида (“0” по шкале штока).

4.2. Включить источник питания и цифровой вольтметр в сеть (220В). Измерить ЭДС Холла х в средней точке соленоида для токов 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 А. Полученные результаты занести в табл.20.1.

Таблица 20.1.

№ п/п

Ic, А

х, мВ

B0, мТл

, Тл∙А/м

Rx, Ом∙м/Тл

4.3. Вычислить индукцию В0 магнитного поля в центре соленоида по формуле (20.11).

4.4 Из выражения (20.15) видно, что зависимость х=() (где =IxB0/h) прямо пропорциональная вида y=kx. Коэффициентом пропорциональности является постоянная Холла. Вычислить для каждого значения тока соленоида и занести в табл.20.1. По полученным данным построить график зависимости х=() и по угловому коэффициенту полученной прямой определить Rx.

4.5. Установить величину тока в соленоиде Ic=1 А.

4.6. Перемещая шток с датчиком Холла вдоль оси соленоида с интервалом х=2 см, измерять ЭДС Холла. Результаты измерений занести в табл.20.2.

Таблица 20.2.

x, см

10

8

6

4

2

0

-2

-4

-6

-8

-10

х, мВ

B, Тл

4.7. Вычислить значение индукции магнитного поля в соленоиде для каждого положения датчика Холла из формулы (20.15)

.

4.8. Построить график зависимости индукции магнитного поля от координаты вдоль оси соленоида B=f(х).

5. Контрольные вопросы.

5.1. Сила Лоренца, сила Ампера.

5.2. Закон Био-Савара-Лапласа.

5.3. Расчет индукции магнитного поля на оси кругового витка с током.

5.4. Расчет индукции магнитного поля на оси соленоида.

5.5. Докажите, что индукция магнитного поля на торце полубесконечного соленоида вдвое меньше, чем в бесконечном соленоиде.

5.6. В чем заключается эффект Холла?

5.7. Объяснить полученные в работе экспериментальные зависимости.

Рекомендуемая литература.

  1.  Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов.– 2-е изд., испр. и доп.– М.: Высш. шк., 1999.– 718 с.: ил.
  2.  Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – 3-е изд., испр. –М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 496 с., ил.
  3.  Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов.– 5-е изд., стер.– М.: Высш. шк., 1998.– 542 с.: ил.

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

45474. ХРАНЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ 1.07 MB
  В настоящее время определяющим направлением реализации этой операции является концепция базы данных склада хранилища данных. База данных может быть определена как совокупность взаимосвязанных данных используемых несколькими пользователями и хранящихся с регулируемой избыточностью. Банк данных система представляющая определенные услуги по хранению и поиску данных определенной группе пользователей по определенной тематике. Система баз данных совокупность управляющей системы прикладного программного обеспечения базы данных...
45475. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ 52.5 KB
  Важным признаком который необходимо учитывать при разработке и внедрении информационных технологий является отношение человека к информации. Основной задачей операции представления информации пользователю является создание эффективного интерфейса в системе человек компьютер. При этом осуществляется преобразование информации в форму удобную для восприятия пользователя.
45476. Базовые информационные технологии МУЛЬТИМЕДИА-ТЕХНОЛОГИИ 30 KB
  Достигнутый технологический базис основан на использовании нового стандарта оптического носителя DVD Digitl Verslite Video Disk Использование DVD позволило реализовать концепцию однородности цифровой информации. Для решения этой проблемы используются методы компрессии звуковой информации. Такие значительные объемы при реализации аудио и видеорядов определяют высокие требования к носителю информации видеопамяти и скорости передачи информации.
45477. ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 27 KB
  Таким образом геоинформационные технологии предназначены для широкого внедрения в практику методов и средств работы с пространственновременными данными представляемыми в виде системы электронных карт и предметноориентированных сред обработки разнородной информации для различных категорий пользователей. Основные области использования ГИС: электронные карты; городское хозяйство; государственный земельный кадастр; экология; дистанционное зондирование; экономика; специальные системы военного назначения.
45478. Технология защиты информации 430.5 KB
  Выделяют следующие основные группы причин сбоев и отказов в работе компьютерных систем: нарушения физической и логической целостности хранящихся в оперативной и внешней памяти структур данных возникающие по причине старения или преждевременного износа их носителей; нарушения возникающие в работе аппаратных средств изза их старения или преждевременного износа; нарушения физической и логической целостности хранящихся в оперативной и внешней памяти структур данных возникающие по причине некорректного использования компьютерных...
45479. CASE-ТЕХНОЛОГИИ 53.5 KB
  Объектноориентированный подход основан на объектной декомпозиции с описанием поведения системы в терминах взаимодействия объектов. В силу этих причин в настоящее время наибольшее распространение получил объектноориентированный подход. Под CSEтехнологией будем понимать комплекс программных средств поддерживающих процессы создания и сопровождения программного обеспечения включая анализ и формулировку требований проектирование генерацию кода тестирование документирование обеспечение качества конфигурационное управление и управление...
45480. ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 139.5 KB
  Особенность данного класса систем состоит в децентрализации архитектуры автономных вычислительных систем и их объединении в глобальные компьютерные сети.13 представлена типовая архитектура клиент сервер однако различают несколько моделей отличающихся распределением компонентов программного обеспечения между компьютерами сети. На основе распределения перечисленных компонентов между рабочей станцией и сервером сети выделяют следующие модели архитектуры клиент сервер: модель доступа к удаленным данным; модель сервера управления...
45481. Аспекты информатизации образования 43 KB
  Компьютерные программы и обучающие системы представляющие собой: компьютерные учебники предназначенные для формирования новых знаний и навыков; диагностические или тестовые системы предназначенные для диагностирования оценивания и проверки знаний способностей и умений; тренажеры и имитационные программы представляющие тот или иной аспект реальности отражающие его основные структурные и функциональные характеристики и предназначенные для формирования практических навыков; лабораторные комплексы в основе которых...
45482. ИТ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 132 KB
  Наиболее полно возможности САПРпродукта на уровне универсального графического пакета можно проследить на примере utoCD 2000 новой версии самого популярного в России чертежного пакета.; наличие средств моделирования позволяющих редактировать твердотельные объекты на уровне ребер и граней; возможность обращения к свойствам объектов; возможность выбора группировки и фильтрации объектов по типам и свойствам; наличие технологии создания и редактирования блоков; возможность вставки в чертеж гиперссылок; включение...