Измерительная установка и методика измерений

Установка № 1

Приборы и оборудование: лабораторная установка, в которую вмонтированы миллиамперметр, милливольтметр, трансформатор, диодный мостик, потенциометры, переключатель, электромагнит, контакты и полупроводниковый образец.

Сущность метода измерения холловской разности потенциалов заключается в следующем. Напряжение от сети через понижающий трансформатор Т1 подается на диодный мостик YD1. Выпрямленное напряжение с помощью потенциометра R1 через переключатель SA2 подается на электромагнит ЭМ. Направление магнитного поля в образце О изменяется переключателем SA2, а ток через магнит измеряется миллиамперметром РА1. Ток через образец О регулируется потенциометром R2 и измеряется миллиамперметром РА2. Холловская разность потенциалов измеряется милливольтметром PV1 (см. рис.15.2).

Порядок выполнения работы

1. Изучите краткую теорию и принцип действия установки и определите цену деления используемых приборов.

2. Включите установку в сеть. Установите переключатель SA1 в верхнее положение и потенциометром R2 установите через образец ток 0.1 mA. Для этого тока потенциометром R1 установите три значения тока через электромагнит в пределах от 130 до 160 mA. Для каждого значения тока через электромагнит измерьте холловскую разность потенциалов U^– и U⁺, изменяя направление тока через электромагнит переключателем SA2. Проделайте такие же измерения для токов через образец 0.2 mA и 0.3 mA. Результаты измерений занесите в таблицу 15.1.

Рис.15.2. Электрическая схема установки

Замечание:Контакты А и С (рис.15.1) подключения милливольтметра, как правило, находятся несимметрично (не находятся на эквипотенциальной поверхности в отсутствие магнитного поля). Поэтому измеряемая разность потенциалов U на самом деле является суммой Холловской разности потенциалов U_х и разности потенциалов Dj, возникшей вследствие несимметричности контактов: U⁺=U_х+Dj. При изменении направления магнитного поля на противоположное изменится на противоположное и направление силы Лоренца, а значит, изменится знак Холловской разности потенциалов, но знак Dj останется без изменения. Полная разность потенциалов будет: U^–=–U_х+Dj. Окончательно получим формулу для Холловской разности потенциалов, исключающей влияние несимметричности контактов А и С:

U_х=(U⁺ – U^–)/2. (15.9)

3. По формуле (15.9) вычислите Холловскую разность потенциалов для каждого измерения. Результаты занесите в таблицу 15.1.

4. По графику (рис.15.3) зависимости В от I_эм определите В и занесите в таблицу 15.1.

5. По формуле (15.6) рассчитайте R_Х для каждого значения В, определяемого по току через электромагнит. Вычислите среднее значение R_Х, по которому определите концентрацию носителей заряда n, используя формулу (15.5).

6. Зная R и g, по формуле (15.8) вычислите подвижность носителей заряда u.

7. Вычислите погрешность R_Х .

8. Все полученные результаты запишите в таблицу 15.1.

4.00   3.00   2.00   1.00

Таблица 15.1

Ток через образец I, мA	Ток через электро- магнит Iэм., мA	U+, мB	U–, мB	Uх, мB	B, Тл	RХ, м3/Кл	RХ ср, м3/Кл	ΔRХ	u, м2/(В.с)	n, м-3
0.1
0.2
0.3

Установка № 2

Приборы и оборудование: измерительный блок и объект исследования.

Рис.15.4. Внешний вид установки.

Измерительный блок формирует и регулирует силу тока электромагнита I_эм и преобразователя (ток через образец) I, изменяет полярность тока. Ток преобразователя и электромагнита изменяются в пределах соответственно 0÷5 мА и 0÷10 мА. Объект исследования состоит из полупроводникового преобразователя Холла и электромагнита.

Порядок выполнения работы

1. Включить установку (переключатель «сеть» находится на задней панели измерительного блока).

2. Переключателем измерителя переключить миллиамперметр в режим измерения тока через датчик Холла (при этом должен загореться соответствующий светодиод).

3. Установить полярность «+» переключателем «направление тока» (в индикации миллиамперметра отсутствует знак «–»).

4. Кнопками регулировки силы тока «+» и «–» установить силу тока через датчик Холла I=3 мА.

5. Переключателем измерителя переключить миллиамперметр в режим измерения тока электромагнита (при этом должен загореться соответствующий светодиод).

6. Установить полярность «+» переключателем «направление тока» (в индикации миллиамперметра отсутствует знак «–»).

7. Кнопками регулировки силы тока «+» и «–» установить силу тока электромагнита I_эм=3 мА.

8. Измерить ЭДС Холла U⁺, записать все величины в таблицу 15.2.

9. Кнопками регулировки силы тока «+» и «–» устанавливать силу тока электромагнита I_эм=4 мА; 5 мА; … 10 мА, каждый раз измеряяи записывая величину U⁺.

10. Установить полярность «–» переключателем «направление тока» (в индикации миллиамперметра присутствует знак «–»).

11. Повторить пункты 7-9, записывая в таблицу ЭДС Холла U^– при другом направлении магнитного поля.

12. Повторить измерения ЭДС Холла для тока через датчик I=4 мА (пункты 2-11), а затем для I=5 мА.

13. По формуле (15.9) вычислите Холловскую разность потенциалов для каждого измерения. Результаты занесите в таблицу 15.2.

U_х=(U⁺ – U^–)/2. (15.9)

14. По графику (рис.15.5) зависимости В от I_эм определите В и занесите в таблицу 15.2.

15. По формуле (15.6) рассчитайте R_Х для каждого значения В, определяемого по току через электромагнит.

, (15.6)

где I – ток через образец, d=3^.10^-4м – толщина пластинки.

16. Вычислите среднее значение R_Х, по которому определите концентрацию носителей заряда n, используя формулу (15.5):

. (15.5)

17. Зная R и g, по формуле (15.8) вычислите подвижность носителей заряда u:

u=g/(en)=gR_Х. (15.8)

18. Вычислите погрешности R_Х и u.

Таблица 15.2

Ток через образец I, мA	Ток через электро- магнит Iэм., мA	U+, мB	U–, мB	Uх, мB	B, Тл	RХ, м3/Кл	RХ ср, м3/Кл	ΔRХ	u, м2/(В.с)	Δ u

Контрольные вопросы

1. В чем заключается эффект Холла?

2. Чем объясняется эффект Холла?

3. Чему равна и как направлена сила Лоренца?

4. Для каких целей практически используется эффект Холла?

5. Выведите формулу для Холловской разности потенциалов.

6. Как расположены эквипотенциальные поверхности при прохождении постоянного тока через образец: а) в отсутствие магнитного поля; в) при включенном магнитном поле?

7. Как исключается погрешность, связанная с несимметричностью контактов подключения миллиамперметра к образцу?

8. Каков знак носителей тока в изучаемом образце?

Используемая литература

[1] §§ 21.2, 23.2;

[2] §§ 14.2, 14.5;

[4] т.2, §§ 79;

[5] §§ 114, 117.

Лабораторная работа 2-16