УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТА ХОЛЛА Российский патент 2008 года по МПК H01F27/00 

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме в высших и средних специальных учебных заведениях по курсу физики для изучения и углубления знаний физических законов и явлений.

Известен прибор для демонстрации эффекта Холла (А.С.Кингсеп и др. Основы физики. Курс общей физики. Том 1. - М.: Физматлит, 2001, с.230, рис.5.5). Он содержит образец из металла или полупроводника, помещенный во внешнее магнитное поле таким образом, чтобы направление тока было перпендикулярно вектору магнитной индукции. Данный прибор позволяет только продемонстрировать наличие ЭДС Холла и показать, что, изменяя материал образца, ЭДС Холла может быть не только различной величины, но и разного знака. Однако на нем нельзя снять зависимость ЭДС Холла U от магнитной индукции В, т.е. U=f(В), а также зависимость ЭДС Холла U от тока, протекающего через датчик Холла I, т.е. U=f(I). Нельзя также измерить магнитную индукцию в тороиде с воздушным зазором. Нельзя определить напряженность магнитного поля в сердечнике, а также остаточную намагниченность сердечника тороида.

Известен также прибор для исследования магнитного поля с помощью эффекта Холла, используя функциональную зависимость между ЭДС Холла и индукцией магнитного поля (Ф.В.Кушнир и др. Измерения в технике связи. - М.: Связь, 1970, с.478, рис.16.6). Этот прибор позволяет определить модуль вектора магнитной индукции и направление проекции вектора магнитной индукции на заданное направление. На нем также нельзя снять зависимости U=f(B) и U=f(I), а также измерить магнитную индукцию в тороиде с воздушным зазором. Нельзя определить напряженность магнитного поля в сердечнике, а также остаточную намагниченность сердечника тороида.

Наиболее близкой к предлагаемой установке является установка для исследования полупроводников с помощью эффекта Холла (Руководство к лабораторным занятиям по физике. Под редакцией Л.Л.Гольдина. - М.: Наука, 1973, с.229, рис.148). Она содержит датчик Холла, электромагнит, источник постоянного тока, плюсовая клемма которого соединена через последовательно соединенные первый ключ, амперметр и реостат с первым токовым вводом датчика Холла, а минусовая клемма его соединена со вторым токовым вводом датчика Холла и первым вводом катушки электромагнита.

При исследовании эффекта Холла зазор электромагнита постоянно занят датчиком Холла и недоступен для измерения индукции магнитного поля. О величине поля во время опыта приходится судить по величине протекающего через катушку электромагнита тока, а для этого необходимо иметь дополнительный амперметр. Данное устройство позволяет получить зависимость U=f(B), а также зависимость U=f(I). Однако это устройство нельзя использовать для измерения неизвестной магнитной индукции (например, в тороиде с воздушным зазором). Датчик Холла установлен неподвижно в зазоре электромагнита и им нельзя воспользоваться для измерения неизвестной магнитной индукции.

Целью изобретения является упрощение известной установки (избавление от дополнительного амперметра) и расширение ее функциональных возможностей. В предлагаемом устройстве с помощью датчика Холла снимается зависимость U=f(B) в зазоре электромагнита, а затем этим же подвижным датчиком Холла измеряется ЭДС Холла в тороиде с воздушным зазором, а затем по графику U=f(B) определяется неизвестная магнитная индукция в зазоре тороида. Кроме того, в предлагаемом устройстве можно определить напряженность магнитного поля в сердечнике, а также остаточную намагниченность сердечника тороида. Эта цель достигается тем, что в известное устройство введены: подставка; первая стойка с вертикальной прорезью, установленная на подставке; второй и третий ключи; тороид с воздушным зазором в сердечнике, установленный на первой стойке с вертикальной прорезью так, что прорезь совпадает с воздушными зазорами в сердечниках тороида и электромагнита, при этом первый ввод катушки тороида соединен с плюсовой клеммой источника постоянного тока, а второй ввод ее соединен через второй ключ с минусовой клеммой источника постоянного тока; гибкий шланг; вторая стойка, установленная на подставке; щуп, на одном конце которого установлен датчик Холла, а на другом конце щуп закреплен подвижно на второй стойке, при этом щуп может менять положение в вертикальной плоскости относительно подставки; разъем, на который выведены соединительные провода с токовых и холловских электродов датчика Холла, которые проходят внутри щупа гибкого шланга; ступенчатый реостат, первый ввод которого соединен через третий ключ с плюсовой клеммой источника постоянного тока; переключатель резисторов ступенчатого реостата на несколько положений, неподвижные контакты которого соединены с соответствующими резисторами ступенчатого реостата, а подвижный контакт соединен со вторым вводом катушки электромагнита; вольтметр, входные клеммы которого соединены через разъем с холловскими электродами датчика Холла; индикаторная лампочка, первый ввод которой соединен с первым вводом ступенчатого реостата, а другой ввод - с минусовой клеммой источника постоянного тока.

На чертеже изображен общий вид предлагаемой установки.

Предлагаемая установка содержит: 1 - датчик Холла; 2 - щуп; 3 - вторая стойка; 4 - подставка; 5 - гибкий шланг; 6 - разъем; 7 - вольтметр; 8 - реостат; 9 - амперметр; 10 - первый ключ; 11 - источник постоянного тока; 12 - электромагнит с воздушным зазором в сердечнике; 13 - ступенчатый реостат; 14 - третий ключ; 15 - индикаторная лампочка; 16 - переключатель резисторов ступенчатого реостата; 17 - тороид с воздушным зазором в сердечнике; 18 - второй ключ; 19 - первая стойка.

Если через пластину из металла или полупроводника пропустить ток I и поместить ее в магнитное поле с индукцией , направленной перпендикулярно линиям тока, то в пластине возникает разность потенциалов U в направлении, перпендикулярном току и магнитному полю. Будем использовать пластину из полупроводника с собственной электронной проводимостью, тогда разность потенциалов (ЭДС Холла) между гранями пластины

где R - постоянная Холла, а - толщина пластины.

Из последнего выражения следует, что эффект Холла может быть использован для измерения магнитной индукции В, если известны величины I, а, R и U. Вместе с тем, при известной магнитной индукции В и заданных значениях I, а и U, соотношение (1) может быть использовано для нахождения постоянной Холла R, что позволяет, в свою очередь, определить концентрацию носителей тока и тип проводимости (электронный или дырочный).

В настоящей работе эффект Холла используется для измерения величины магнитной индукции внутри и вне сердечника тороида. Витки тороида расположены вплотную, поэтому тороид можно приближенно рассматривать как систему большого числа последовательно соединенных круговых токов одинакового радиуса. Для измерения магнитной индукции внутри сердечника тороида применяется тороид с незначительным воздушным зазором в сердечнике, в который помещается датчик Холла.

Сердечник тороида выполнен из железа. Длина его по средней линии - l₁, а воздушный зазор равен l₂. По обмотке тороида проходит ток такой величины, что после выключения остается остаточная индукция В, которую можно измерить в зазоре сердечника. По измеренной индукции можно вычислить напряженность магнитного поля H₁ в сердечнике, а также остаточную намагниченность J сердечника.

Ток, проходящий по обмотке, обусловливает существование внутри тороида магнитного поля, силовые линии которого замкнуты. Можем считать величину во всех точках сечения тороида, а так как воздушный зазор в тороиде узкий (l₂<<l₁), то рассеянием линий индукции можно пренебречь.

При переходе через границу раздела двух сред нормальная составляющая напряженности магнитного поля Н_n изменяется, в то время как нормальная составляющая вектора магнитной индукции В_n остается неизменной, т.е.

B_1n=B_2n=B=const; H_1n≠H_2n.

Для определения напряженности воспользуемся теоремой о циркуляции вектора , выбрав в качестве контура интегрирования среднюю линию тороида L=l₁+l₂. При этом необходимо принять во внимание, что нормальные по отношению сечения тороида составляющие напряженности магнитного поля Н являются тангенциальными по отношению к выбранному контуру обхода. Таким образом,

где H₁ и H₂ - напряженности полей в сердечнике и в зазоре соответственно; I_i - сила тока, проходящего по обмотке; n - число витков в тороиде.

После выключения тока для выбранного контура обхода выражение (2) можно записать в виде H₁l₁+Н₂l₂=0, откуда

Напряженность H и индукция магнитного поля В в зазоре связаны соотношением Подставив это выражение в (3) получим, что напряженность магнитного поля в сердечнике

Учитывая выражение (4), а также формулу определяем остаточную намагниченность J сердечника:

Схема лабораторной установки представлена на чертеже. Она включает датчик Холла 1, который представляет собой пластину собственного полупроводника из антимонида индия с толщиной пластины а=1,2 мм. Датчик Холла 1 расположен на одном из концов щупа 2. Место расположения датчика Холла 1 указанно на конце щупа 2 кружком. Другой конец щупа 2 закреплен подвижно на стойке 3, которая установлена на подставке 4. При этом щуп 2 может вращаться и датчик Холла 1 может менять положение в вертикальной плоскости относительно подставки 4. Соединительные провода с токовых Т-Т и холловских Х-Х электродов датчика Холла 1 проходят внутри щупа 2, гибкого шланга 5 и выводятся на разъем 6. Холловские электроды Х-Х разъема 6 соединены с входными клеммами вольтметра 7, который измеряет ЭДС Холла U. Токовые электроды Т-Т разъема 6 соединены последовательно через реостат 8, амперметр 9, первый ключ 10 с выходными клеммами источника постоянного тока 11. С помощью реостата 8 устанавливается требуемый ток I, протекающий через датчик Холла 1. Величина этого тока измеряется амперметром 9. Замыкание цепи тока токовых электродов Т-Т датчика Холла 1 осуществляется первым ключом 10.

Магнитное поле для датчика Холла 1 создается с помощью электромагнита 12 с воздушным зазором в сердечнике. В воздушном зазоре может располагаться датчик Холла 1. Через катушку электромагнита 12 протекает ток от источника постоянного тока 11 через ступенчатый реостат 13 и третий ключ 14. При подаче напряжения на обмотку электромагнита 12 загорается сигнальная лампочка 15.

Величина тока, протекающего через обмотку электромагнита 12, и соответственно магнитная индукция в воздушном зазоре изменяется с помощью ступенчатого реостата 13 и переключателя резисторов ступенчатого реостата 16. С помощью переключателя 16 в цепь катушки электромагнита подключается соответствующая группа резисторов ступенчатого реостата 13. Величины резисторов ступенчатого реостата 13 подобраны таким образом, чтобы магнитная индукция в воздушном зазоре сердечника электромагнита 12 изменялась дискретно. Например, от 0 до 0,1 Т с шагом 0,01 Т.

Для определения неизвестной магнитной индукции В по измеренной ЭДС Холла U в лабораторной установке используется тороид 17 с воздушным зазором в сердечнике. С помощью щупа 2, который вращается относительно оси, установленной на второй стойке 3, в воздушный зазор тороида 17 устанавливаем датчик Холла 1. С помощью вольтметра 7 измеряется ЭДС Холла U, а затем, зная R, I и а, рассчитывается по формуле (1) магнитная индукция в сердечнике тороида 17. При измерении магнитной индукции в сердечнике тороида 17 с помощью второго ключа 18 к источнику постоянного тока 11 подключаем обмотку тороида 17.

Тороид 17 установлен на первой стойке 19 с вертикальной прорезью. Прорезь совпадает с воздушным зазором в сердечниках тороида 17 и электромагнита 12. С помощью подвижного щупа 2 датчик Холла 1 приводится в движение и устанавливается в одно из трех положений. В первом положении датчик Холла 1 находится в воздушном зазоре сердечника электромагнита 12. Во втором положении датчик Холла 1 располагается в воздушном зазоре сердечника тороида 17. В третьем положении датчик Холла 1 может находиться вне сердечника тороида и электромагнита 12.

Предлагаемая установка позволяет определить зависимость ЭДС Холла U от величины магнитной индукции В при заданном токе I, протекающем через датчик Холла 1. По этим данным строим усредненный график зависимости U=f(B). По этому графику по формуле (1) рассчитываем величину постоянной Холла. На данной установке можно определить также зависимость ЭДС Холла U от величины тока I, протекающего через датчик Холла 1, при постоянной магнитной индукции В, а также определить значение магнитной индукции внутри и вне тороида 17.

Технико-экономическая эффективность предлагаемой установки заключается в том, что она обеспечивает повышение качества усвоения основных законов и явлений физики обучающимися.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в учебных приборах для лабораторного практикума по курсу физики. Технический результат состоит в расширении эксплуатационных возможностей. Установка содержит датчик Холла, электромагнит, источник постоянного тока, плюсовая клемма которого соединена через последовательно соединенные первый ключ, амперметр и реостат с первым токовым вводом датчика Холла, а минусовая клемма - со вторым токовым вводом датчика Холла и первым вводом катушки электромагнита. На первой стойке установлен тороид с воздушным зазором в сердечнике. Первый ввод катушки тороида соединен с плюсовой клеммой источника постоянного тока, а второй - через второй ключ с его минусовой клеммой. На подставке установлена вторая стойка, на которой подвижно соединен один конец щупа. На другом конце щупа установлен датчик Холла. На разъем выведены соединительные провода с токовых и холловских электродов датчика Холла, которые проходят внутри щупа и гибкого шланга. С плюсовой клеммой источника постоянного тока соединен через третий ключ первый ввод ступенчатого реостата. Неподвижные контакты переключателя резисторов ступенчатого реостата соединены с соответствующими резисторами ступенчатого реостата, а подвижный контакт соединен со вторым вводом катушки электромагнита. Входные клеммы вольтметра соединены через разъем с холловскими электродами датчика Холла. Первый ввод индикаторной лампочки соединен с первым вводом ступенчатого реостата, а другой ввод - с минусовой клеммой источника постоянного тока. 1 ил.

Установка для исследования эффекта Холла, содержащая датчик Холла, электромагнит, источник постоянного тока, плюсовая клемма которого соединена через последовательно соединенные первый ключ, амперметр и реостат с первым токовым выводом датчика Холла, а минусовая клемма его соединена со вторым токовым вводом датчика Холла и первым вводом катушки электромагнита, отличающаяся тем, что в нее введены подставка, первая стойка с вертикальной прорезью и установленная на подставке, второй и третий ключи, тороид с воздушным зазором в сердечнике, установленный на первой стойке с вертикальной прорезью так, что прорезь совпадает с воздушными зазорами в сердечниках тороида и электромагнита, при этом первый ввод катушки тороида соединен с плюсовой клеммой источника постоянного тока, а второй ввод ее соединен через второй ключ с минусовой клеммой источника постоянного тока, гибкий шланг, вторая стойка, установленная на подставке, щуп, на одном конце которого установлен датчик Холла, а на другом конце щуп закреплен подвижно на второй стойке, при этом щуп может менять положение в вертикальной плоскости относительно подставки, разъем, на который выведены соединительные провода с токовых и холловских электродов датчика Холла, которые проходят внутри щупа гибкого шланга, ступенчатый реостат, первый ввод которого соединен через третий ключ с плюсовой клеммой источника постоянного тока, переключатель резисторов ступенчатого реостата на несколько положений, неподвижные контакты которого соединены с соответствующими резисторами ступенчатого реостата, а подвижный контакт соединен со вторым вводом катушки электромагнита, вольтметр, входные клеммы которого соединены через разъем с холловскими электродами датчика Холла, индикаторная лампочка, первой ввод которой соединен с первым вводом ступенчатого реостата, а другой ввод - с минусовой клеммой источника постоянного тока.