36795

Измерение напряженности магнитного поля длинного соленоида с помощью датчика Холла

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Цель работы: ознакомиться с одним из широко используемых на практике методов измерений и исследования магнитных полей с помощью датчика Холла; исследовать магнитное поле внутри длинного соленоида. Приборы и принадлежности: соленоид датчик Холла блок питания для соленоида источник питания для датчика Холла милливольтметр для измерения электродвижущей силы Холла. Эффект Холла.

Русский

2013-09-23

270 KB

33 чел.

Лабораторная работа № 2-28

«Измерение напряженности магнитного поля длинного соленоида с помощью датчика Холла».

Цель работы: ознакомиться с одним из широко используемых на практике методов измерений и исследования, магнитных полей с помощью датчика Холла; исследовать магнитное поле внутри длинного соленоида.

Приборы и принадлежности: соленоид, датчик Холла, блок питания для соленоида, источник питания для датчика Холла, милливольтметр для измерения электродвижущей силы Холла.

Краткое теоретическое введение

  1.  Методы создания магнитного поля.

В средней части внутри полости соленоида, длина которого значительно больше диаметра, магнитное поле направлено параллельно вдоль оси соленоида. Оно однородно в середине соленоида и спадает к его концам. В теории электромагнетизма для количественного описания явлений используют две векторные величины, характеризующие магнитные поля. Это вектор магнитной индукции  и вектор напряженности магнитного поля . Для рассматриваемого случая, величина напряженности магнитного поля внутри соленоида  пропорциональна силе тока  и определяется по формуле                    

                                                (1)

где - число витков на единицу длины (- общее число витков соленоида, длина соленоида). Вектор магнитной индукции  связан с вектором напряженности магнитного поля  выражением:

,                              (2)

где - магнитная постоянная , безразмерная величина, характеризующая магнитные свойства среды и называемая относительной магнитной проницаемостью среды. Для вакуума  

Величина индукции магнитного поля на оси длинного соленоида конечной длины вычисляется по формуле

,               (3)

где  и - углы, под которыми видны концы соленоида из точки А на его оси, к которой относится величина В.

У реального соленоида имеется составляющая тока вдоль оси. Кроме того, линейная плотность тока  (равная отношению силы тока  к элементу длины соленоида) изменяется периодически при перемещении вдоль соленоида. Среднее значение этой плотности равно

                                (4)

Внутри бесконечно длинного соленоида магнитное поле значительно и определяется выражением:

,                      (5)

где произведение  называется числом ампер-витков на метр.

Эффект Холла.

 В классической теории проводимости эффект Холла объясняется тем, что в магнитном поле на движущиеся электрические заряды действует сила Лоренца, величина и направление которой определяются векторным уравнением

,           (6)

где индукция магнитного поля, скорость движения зарядов, заряд носителей тока с учетом знака, для дырочной проводимости, для электронной проводимости.

Электрическое поле, которое создается между верхней и нижней пластиной, получило название электрическое поле Холла:

      (7)

связано с ЭДС Холла , или с холловской разностью потенциалов , следующим образом:

.                        (8)

Таким образом, ЭДС Холла пропорциональна силе тока  через образец и обратно пропорциональна толщине образца :

                     (9)

Экспериментальное определение ЭДС Холла  проводят на образце с заданной толщиной  при жированном токе через образец . При этом полученное значение ЭДС Холла рассчитывают на единицу толщины образца и единицу силы тока, т.е. рассчитывают величину:

,                          (10)

которую называют удельной или приведенной ЭДС Холла. Приведенная ЭДС Холла пропорциональна индукции магнитного поля :

,                (11)

где коэффициент пропорциональности:

,             (12)

является характеристикой изучаемого вещества и называется коэффициентом Холла или постоянной Холла.

Тарирование датчика Холла.

Тарирование (градуировка) датчика Холла заключается в получении зависимости между ЭДС Холла датчика  и модулем вектора магнитной индукции  в некоторой области магнитного поля. Тарирование производят в магнитном поле, величина которого известна. В работе для тарирования используют тот же соленоид, магнитное поле которого необходимо изучить. Для тарирования датчика его помещают в центре соленоида длиной . Индукция магнитного поля в этой области соленоида определяют на основе выражения:

,                 (13)

При тарировании измеряют ЭДС Холла как функцию тока, питающего длинный соленоид. После этого по формуле (13) рассчитывают значения - индукции магнитного поля, соответственно. Строят тарировочный график зависимости . График представляет собой прямую линию, выходящую из начала координат. Коэффициент наклона этой прямой к оси абсцисс (угловой коэффициент) равен:

,                       (14)

Зависимость ЭДС от тока.

Таблица 1.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0,0025

0,0143

0,0262

0,0382

0,0499

0,0620

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

Расчеты индукции магнитного поля на оси длинного соленоида:

 

График представляет собой прямую линию, выходящую из начала координат. Коэффициент наклона этой прямой к оси абсцисс (угловой коэффициент) равен:

Исследование магнитного поля внутри соленоида.

Перемещали датчик вдоль оси от центра соленоида к его началу через 2см вдоль оси ОО', измеряя при этом ЭДС Холла. Установили датчик в центре соленоида и, перемещая датчик поперек оси вдоль направления ВВ соленоида через 1 см, измерили соответствующие значения ЭДС Холла. Установили датчик с краю соленоида и, перемещая датчик поперек оси вдоль направления СС соленоида через 1 см, измерили соответствующие значения ЭДС Холла. Результаты измерений представили в таблицах.

Таблица 2.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

r, см

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

, В

0,0617

0,0616

0,0614

0,0609

0,0600

0,0584

0,0560

0,0520

0,0447

0,0348

Измерения вдоль оси ОО’

Таблица 3.

0

0,0618

2

0,0617

4

0,0616

6

0,0614

8

0,0609

10

0,0600

12

0,0584

14

0,0560

16

0,0520

18

0,0447

20

0,0348

Измерения вдоль оси ВВ’

Таблица 4.

-3

0,0617

-2

0,0616

-1

0,0615

0

0,0614

1

0,0613

2

0,0613

3

0,0612

Измерения вдоль оси СС’

Таблица 5.

-3

0,0336

-2

0,0340

-1

0,0343

0

0,0347

1

0,0350

2

0,0352

3

0,0355

После вычисления углового коэффициента для используемого датчика Холла, смогли определить этим датчиком значения магнитного поля. Причем, этим датчиком можно определять величину индукции магнитного поля, создаваемого током любой конфигурации. Для этого используют полученную величину ЭДС Холла в исследуемой области магнитного поля, деленную на угловой коэффициент.

Рассчитали индукцию магнитного поля во всех исследуемых точках соленоида и записали в соответствующие таблицы.

Расчеты:

Вдоль оси ОО: 

Расчеты:

Вдоль оси ВВ:

Вдоль оси СС:

Обобщенный график зависимостей  для всех трех осей.

Вывод: Ознакомились с одним из широко используемых на практике методов измерения и исследования, магнитных полей с помощью датчика Холла; исследовали магнитное поле внутри длинного соленоида. Хотим заметить, что индукция магнитного поля вдоль разных осей будет различна; это видно из графиков, которые мы получили при зависимости . Вдоль оси ОО’ с увеличением расстояния В уменьшается (причем сначала идет равномерно, а ближе к концу заметно уменьшается); вдоль ВВ’ (если мы “идем” слева на право)  уменьшается сначала, а ближе к концу почти равномерно; и вдоль оси СС’ с увеличением расстояния (слева на право) индукция магнитного поля увеличивается. Такой вывод мы получили, проанализировав графики.

Рассмотренный эффект Холла, причиной которого является действие на движущиеся в магнитном поле заряды силы Лоренца, называется классическим эффектом Холла. Из формулы (6) видно, что для классического эффекта Холла характерна линейная зависимость . Опыт между тем показывает, что в природе есть вещества, для которых данная линейная зависимость не выполняется. Это свидетельствует о существовании другой причины эффекта Холла, которая, однако, может быть понято только с позиции квантовой теории твердого тела.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

24121. Русский космизм 13.96 KB
  во весь рост встали проблемы единства человека с космосом космической природы человека и космического масштаба человеческой деятельности. Разум и творчество поднимут человека в космос где со временем изменится его физическая природа он приблизится к высшим организмам.
24122. Основные категории философской онтологии: «бытие», «небытие», «инобытие». Виды бытия 15.11 KB
  Основные категории философской онтологии: бытие небытие инобытие. Одна из первых философских школы которая ввела слово Бытие была школа элеатов. Парменид обращает внимание на такой аспект всякого сущего как бытие. Есть сущее и есть существование этого сущего которое и называют бытием.
24123. Категория «материя». Основные характеристики материи (время, пространство, движение, системность) 15.51 KB
  Основные характеристики материи время пространство движение системность. характеристика материи через основной вопрос мировоззрения а не через понятие вещества или набор его свойств. Существует и другая точка зрения согласно которой нужно отказаться от представления о материи как субстанции гносеологический признак материи. Но важнейшими свойствами являются: пространство; время; движение как способ существования материи.
24124. Категория «дух», «идеальное». Объективная и субъективная реальность 16.14 KB
  Категория дух идеальное. Идеальное в идеалистической традиции понимается как самостоятельное нематериальное начало существующее вне пространства и времени дух идеи. Дух философия философское понятие часто отождествляемое с невещественным началом. Определение соотношения духа и материи зачастую считается основным вопросом философии.
24125. Основной вопрос философии и классификация философских направлений 15.65 KB
  Основной вопрос философии и классификация философских направлений. Основной вопрос философии метафилософская и историкофилософская концепция в философии марксизма согласно которой основной проблемой философии на протяжении всей её истории является вопрос об отношении сознания к материи мышления к бытию духа к природе. в философии Зап. неопозитивизм РасселВинтгенштейн Карнап Шлик который отвергая возможность философии как теоретического познания мировоззренческих проблем противопоставляет науку философии сводит задачу философии к...
24126. Диалектика как учение о всеобщей связи и развитии, её основные принципы. Диалектика и метафизика. Диалектика и синергетика 16.66 KB
  Диалектика как учение о всеобщей связи и развитии её основные принципы. Диалектика и метафизика. Диалектика и синергетика. Диалектика как учение о всеобщей связи и развитии Диалектика такое понимание мира и такой способ мышления при кот.
24127. Исторические типы диалектики. Законы и категории диалектики 17.53 KB
  Диалектика это философское учение о наиболее общих закономерных связях и развитиях. Вершина диалектики учение Гегеля который выделил учение о противоречии как источник развития движения силы развития. В живой материи при процессах развития накопление информации количества переходит в совершенствование качество генетического кода универсализацию и повышение жизнеспособности. Существуют процессы как развития так и деградации переходы как качества в количество так и количества в качество.
24129. Личность и индивид. Личность и общество, проблема отчуждения 16.37 KB
  Личность и индивид. Личность и общество проблема отчуждения. От этих двух понятий необходимо отличать понятие личность. Слово личность лат.