Холл датчигі кӨмегімен магнит Өрісі индукциясын Өлшеу

ҚАЖЕТТІ ҚҰРАЛ - ЖАБДЫҚТАР:электромагнит, реттелетін тұрақты

кернеу көзі (В-24, О – 30В, О – 10А), фильтр,

Щ 4313 сандық аралыс құрал, Р3003 кернеу

компараторы, сериялық Холл датчигі, (Х222,

номиналды ток 100мА, сезгіштік

, , ,

температуралық коэффициент , өлшемі

, жасалған материалы галлия арсениді).

4.8.1 ҚЫСҚАША ТЕОРИЯЛЫҚ КІРІСПЕ

Тогы бар өткізгішті магнит өрісіне орналастырғанда онда көлденең электр өрісінің пайда болу құбылысы Холл эффектісі деп аталады. Көлденең электр өрісінің пайда болуы еркін ток тасушыларға Лоренц күшінің әсер етуінен болады.

Металда еркін ток тасушылар электрондар болып табылады. Олар теріс зарядталған, ал олардың қозғалыс жылдамдығы ток тығыздығы векторына қарама-қарсы бағытталған. 4.8.1 - суретте металдағы еркін электронға әсер ететін Лоренц күшінің бағыты көрсетілген.

4.8.1 – сурет

Лоренц күшінің металдар мен жартылай өткізгіштердегі -типті ток тасушыларға (электрондарға) әсері

Осы күштің әсерінен электрондар үлгінің сол жақ қырына ығысады да (егер ток бағыты бойынша қараса) сол жақ қырында артық электрондар, ал оң жақ қырында электрондардың жетіспеушілігі пайда болады. Үлгінің көлденең қырларында әртүрлі таңбалы беттік зарядтардың пайда болуы, кернеулігі -ге тең оң зарядталған қырдан теріс зарядталған қырға қарай бағытталған көлденең (Холл) электр өрісін тудырады. өрісі еркін электронға күшпен әсер етеді, ол Лоренц күшіне қарама-қарсы бағытталған. Қөлденең қырлардағы зарядтар көп болған сайын, күшінің шамасы артады, ал Лоренц күшінің шамасы тұрақты болып қалады. күші мен күштерінің шамалары тең болған мезетте, үлгінің көлденең қырларындағы зарядтардың өсуі токталады. Осы кезде көлденең электр өрісі кернеулігі уақытқа байланысты өзгермей тұрақты болады. -тің шамасын екі күшті теңестіріп табуға болады:

(4.8.1)

Холл өрісі біртекті болғандықтан, -тің бойынша туындысы көлденең өрістің потенциалдарының айырмасы -ке тең, оны Холлдың электр қозғаушы күші деп атайды:

(4.8.2)

мұндағы - үлгінің ені. (4.8.1) өрнектің екі жағын да -ға көбейтіп және

(4.8.3)

екенін ескерсек, аламыз

(4.8.4)

мұндағы - үлгінің көлденең қимасының ауданы .

Холл тұрақтысын енгіземіз

Онда Холдың э.қ.к.-і

(4.8.5)

4.2.8-сурет

Лоренц күшінің жартылай өткізгіштердегі -типті еркін ток тасушыларға (кемтіктер) әсері

Жартылай өткізгіштердегі ток тасушылар электрондармен қоса, кемтіктер. Олар квазибөлшектер, зарядтары оң, шамасы электрон зарядына тең. Кемтік массасы электрон массасындай. 4.8.2-суретте оң зарядталған кемтікке әсер етуші Лоренц күшінің бағыты көрсетілген. Суреттен көрініп тұрғандай кемтікке әсер ететін Лоренц күшінің бағыты электронға әсер ететін Лоренц күшінің бағытына сәйкес келеді. Бұл бағыт және векторлары бағытымен анықталады, бірақ еркін ток тасушылар таңбасына байланысты емес. Кемтіктердің саны электрондарға қарағанда әлдеқайда көп - типті жартылай өткізгіштерде Холл өрісі мен Холл э.қ.к.-інің таңбасы өткізгіштегі (немесе электрондары көбірек -типті жартылай өткізгіштерде) сәйкес шамаларға қарама-қарсы. (4.8.5) өрнекті қорытқанда, еркін заряд тасушылар жылдамдықтар бойынша таралатынын және олардың қозғалыс кезінде кристалдық торларда шашырайтыны ескерілмеді. Осыларды ескерсек, Холл тұрақтысына арналған өрнек мына түрге жазуға болады. Электронды жартылай өткізгіштер үшін:

(4.8.6)

мұндағы - заряд тасушылардың шашырау механизміне байланысты тұрақты. Ол әдетте -мен - аралығында жатады. Металдар мен айныған жартылай өткігізгіштер үшін . Кемтік жартылай өткізгіштер үшін

(4.8.7)

мұндағы - кемтіктер концентрациясы .

Электрондар мен кемтіктер әсерін ескерсек, жартылай өткізгіштердегі Холл тұрақтысы

(4.8.8)

мұндағы - сәйкесінше электрондар мен кемтіктердің концентрациясы; - электрондар мен кемтіктердің қозғалғыштықтары.

Тәжірибе барысында шамаларын өлшеп алып, Холл тұрақтысы -ді анықтауға болады. Холл тұрақтысының таңбасына қарап, үлгі материалы өткізгіштігінің типін – еркін заряд тасушылар концентрациясын анықтауға болады.

Холл эффектісі жартылай өткізгіштерді зерттеуде кең қолданыс табуда. Осы зерттеулер барысында Холл эффектісін және меншікті электр өткізгіштікті өлшей отырып, жартылай өткізгіштердегі еркін заряд тасушылардың таңбасы, концентрациясы, қозғалғыштығы туралы мәліметтер алуға болады. Сонымен қоса, өнеркәсіп Холл датчиктері деп аталатын магнитті электрлік құралдар шығарды. Бұл датчиктер тұрақты және айнымалы электр өрістерінің индукцияларын, өте жоғары жиіліктегі электромагниттік өрістің қуатын өлшеуге және тұрақты токты айнымалы токқа түрлендіру үшін, көбейту және азайту сұлбаларында және т.б. техника салаларында қолданылады. Қазіргі кезде Холл датчиктері электромагниттік магнит өрісінің индукциясы -ның электромагнит орамдары арқылы өтетін ток күші -ге тәуелділігін анықтауға қолданылады. тәуелділігі электромагниттің градуирлеу қисығы деп аталады.

4.8.2 ӨЛШЕУЛЕР ЖАСАУ ТЕОРИЯСЫ

Холл датчигі жартылай өткізгішті материалдан жасалған кішкене төртбұрышты үлгі (4.8.1-сурет), оған ток күші беріледі, ал ондағы Холлдың э.қ.к. арнайы технөлогиямен жасалған екі жұп түйіспе арқылы реттеледі. Холл датчигінің ең басты сипаттамасы оны сезгіштігі - .

(4.8.9)

мұндағы - Холлдың э.қ.к., - Холл датчигі арқылы өтетін ток күші, -Холл датчигіндегі көлденең магнит өрісінің кернеулігі.

(4.8.9) өрнектен магнит өрісінің индукциясын табуға болады:

(4.8.10)

(4.8.11)

Холл датчигі жасалатын материалдар үшін . Ендеше Холлдың э.қ.к.-ін, ол арқылы өтетін ток күшін өлшеп және сезімталдығын құжатынан алып (4.8.11) өрнек бойынша магнит өрісінің индукциясын анықтауға болады.

4.8.3 ЗЕРТХАНАЛЫҚ ҚОНДЫРҒЫНЫҢ СИПАТТАМАСЫ

Тәжірибелік қондырғының блок-схемасы 4.8.3-суретте көрсетілген. ток көзінен шыққан ток -электромагниттің 2 орамы арқылы өтеді. Электромагниттің магнит өткізгіші тесігіне арнайы ұстағышпен Холл датчигі орнатылған. Одан шыққан өткізгіштер 5 ток көзі блогына қосылған. Бұл блок Холл датчигі арқылы өтетін токты реттейді және өлшеу құралдарына қосатын клеммалары бар. 6-шы Щ 4313 типті сандық мультиметр Холл датчигі арқылы өтетін токты өлшеуге арналған. 7-ші компаратор (Р 3003 типті) Холлдың э.қ.к-ін компенсация әдісімен өлшеуге арналған. Электромагнит орамдары арқылы өтетін ток күшін өзгерте отырып, тесіктегі магнит өрісі индукциясының әртүрлі мәндерін орнатуға болады. -ны өлшеуді негізгі (4.8.11) өрнек арқылы есептейміз.

4.8.4 ЖҰМЫСТЫҢ ОРЫНДАЛУ ТӘРТІБІ

4-1. Құралдарды өлшеуге әзірлеу.

Осы бөлімдегі 1,2,3,4 шарттарды орындамай тұрып құралды ток көзіне қосуға болмайды.

1. Электромагниттің 2 орамын коректендіретін В-24 кернеу көзінің

реттегішін сағат тіліне қарама-қарсы бағытта толығымен бұрамыз

(4.8.3-сурет).

2. Щ 4313 құралындағы (Холл датчигі арқылы өтетін токты өлшеуге арналған) тетігін басу керек.

3. Холл датчигінің қоректендіру көзінің блогы 5-тегі:

- және айнымалы резисторлар тетігін сағат тіліне қарсы толық бұрамыз;

- тумблеріндегі «Питание» теттігін «выкл» жағдайына (сол жақтағы ең шеткі жағдайға) қою керек;

- тумблеріндегі «Полярность» тетігін «вправо» жағдайына қою керек;

4. Р3003 компараторында:

- 2 қысқышты қысқарту;

- барлық 14 және ажыратып қосқыштарын «0»-ге қою керек;

- микровольтметрдің өлшеу шектерін сәйкес тетіктерді басу арқылы «0» келтіру керек; ( тетіктері);

- кнопкасын өшіру керек;

- және тетіктерінен -ді басамыз.

- жұмыс түрлері қосқышын ( жағдайлары) жағдайына қоямыз;

- «Полярность» және «Отсчет» қызыл және қара тетіктерін өшіру керек;

- Р 3003 компараторындағы «Сеть» тумблерін қосу керек (осы кезде диод жанып, құралдың стрелкасы жоғары шкалада 50-ге ауытқу қажет).

6. Щ 4313 құралындағы «Питание» қызыл тетігін қосу керке;

7. Холл датчигінің корек көзі блогындағы «Питание ДХ» тумблерін «Вкл» жағдайына қою керек.

4- 2. Магнит өрісі жоқ кездегі Холл датчигіндегі көлденең э.қ.к.-ті өлшеу.

ток күші өтіп тұрған Холл датчигінде магнит өрісі жоқ кезде де көлденең э.қ.к.-і болуы мүмкін. Бұл құбылыс Холл эффектісіне негізделмеген, ол датчиг құрылымының симметриялы еместігіне байланысты, соның салдарынан көлденең э.қ.к.-ті өлшеуге арналған контактілер эквипотенциальды болмайды. Осы э.қ.к.-ті өлшеу үшін келесі тапсырмаларды орындаңдар:

1. Холл датчигін Р3003 компараторының қосқышына (полярлылыққа байланысты емес) қосу керек;

2. Холл датчигінің корек көзі блогында орналасқан және айнымалы резисторлар көмегімен датчик арқылы өтетін токтың шамасын әкеліңдер;

3. Барлық құралдарды 15 минуттан артық қыздырыңдар;

4. Р3003 компараторында :

- сәйкесін басып және тетіктерін -ге қойыңдар;

- ажыратып-қосқыштағы тетігін басыңдар.

- ажыратып - қосқыштарында сәйкес тетікті басу арқылы құралдың сезімталдығын -ге әкелу керек. Осы арқылы (және ) ажыратып-қосқыштардағы жеті декадтың бірінші декадасының бір бөлігінің бөлік құнын анықтауға болады. Ол -ке тең.

- жұмыс түрлері қосқышын ( жағдайлары) жағдайына қоямыз;

- «Полярность» қызыл тетігін басыңдар;

- «отсчет» кнопкасын басыңдар. Егер көрсеткіш құрал стрелкасы нөлден сол жаққа қарай ауытқыса, онда кернеудің таңбаларын ауыстырып қосыңдар.

- жеті декадты ажыратып-қосқышы көмегімен Холл датчигінің көлденең э.қ.к.-ін толығымен теңестіріңдер. Ол үшін бірінші және екінші декад қосқыштарымен вольтметр көрсеткішін 1 бөліктен асырмау керек. Содан соң, вольтметр сезімталдылығын арттырыңдар, сезімталдылықтың шегін етіп және келесі декадтарда вольтметрдің көрсеткішін қайтадан 1 бөлікке әкеліңдер. Осыдан кейін вольтметрдің сезімталдылық шегін -қа қойыңдар және келесі екі декад тетіктерін айналдыра отырып, вольтметр көрсетуін нөлге қойыңдар.

- көлденең э.қ.к. -ті өлшеу нәтижелерін жеті декадты ажыратып-қосқыш бойынша жазып алыңдар. Бірінші декадтың бөлік құны – ; екіншінікі - , үшіншінікі – , төртіншінікі - , бесіншінікі- .;

- вольтметрдің сезімталдылық шегін әкеліңдер.

4- 3. Холл датчигі көмегімен электромагнитті градуирлеу.

Электромагниттің градуирлеу қисығы – ол магнит өрісі индукциясы

(Холл датчигі орналасқан саңылаудағы) мен электромагнит орамдары арқылы өтетін ток күші арасындағы тәуелділік. тәуелділікті алу үшін Холл датчигі көмегімен индукцияны өлшей отырып ток күшінің 5-7 мәнін алу керек. датчигінің сезімталдығы , егер датчик арқылы өтетін номиналь ток болса.

тәуелділігін өлшеу үшін:

1. Электромагнит орамдары арқылы өтетін ток күшін етіп орнату;

2. ІV-2 –дегі барлық жұмыстарды орындау арқылы Холл датчигіндегі көлденең э.қ.к. –ті компенсациялау керек. жеті декадты ажыратып-қосқыш арқылы көлденең э.қ.к. мәнін жазып алыңдар.

3. Нақты Холл э.қ.к. былай анықтаймыз:

4. (11) өрнек арқылы болғандағы магнит өрісінің индукциясы -ны анықтаңдар.

5. Электромагнит орамдары арқылы өтетін ток күшін етіп, осы бөлімнің 1,2,3,4 тапсырмаларын орындай отырып, тағы да магнит индукциясын анықтаңдар. тең ток күші мәндерін үшін магнит индукциясын анықтаңдар.

6. Алынған мәліметтер бойынша электромагнитті градуирлеу қисығын тұрғызыңдар.

7. Егер қосымша өлшеулер жүргізу қажет болмаса, келесі ретпен өлшеу құралдарын өшіріңдер:

- Р3003 компараторында қажетті тетікті баса отырып, сезімтал вольтметрдің сезімталдық шегін -қа келтіріңдер;

- Электромагнит орамдарындағы ток күшін нөлге дейін кеміту үшін түзеткішіндегі кернеуді реттеу тетігін сағат тілі бағытына қарама-қарсы бұрыңдар;

- және резисторларының тетігін сағат тіліне қарама-қарсы бұрау арқылы Холл датчигі арқылы өтетін ток күшін нөлге дейін кемітіңдер. тумблерді «выкл» жағдайына қойыңдар.

- Барлық құралдарды ток көзінен ажыратыңдар.

4.8.5 БАҚЫЛАУ СҰРАҚТАРЫ

1. Холл э.қ.к.-інің пайда болу себептерін түсіндіріңдер.

2. Холл э.қ.к.-інің таңбасының заряд тасушылар типіне байланыстылығын түсіндіріңдер.

3. Холл эффектісін зерттегенде қандай физикалық ақпарат алуға болады?

4. Холл датчигі қандай мақсаттар үшін қолданылады?

5. Холл датчигі көмегімен магнит өрісі индукциясын қалау анықтауға болады?