Ćwiczenie nr 4 Badanie zjawiska Halla i przykłady zastosowań tego zjawiska do pomiarów kąta i indukcji magnetycznej

Podobne dokumenty
Badanie własności hallotronu, wyznaczenie stałej Halla (E2)

Zadanie 106 a, c WYZNACZANIE PRZEWODNICTWA WŁAŚCIWEGO I STAŁEJ HALLA DLA PÓŁPRZEWODNIKÓW. WYZNACZANIE RUCHLIWOŚCI I KONCENTRACJI NOŚNIKÓW.

Ćwiczenie nr 43: HALOTRON

Efekt Halla. Cel ćwiczenia. Wstęp. Celem ćwiczenia jest zbadanie efektu Halla. Siła Loretza

i elementy z półprzewodników homogenicznych część II

Wyznaczanie sił działających na przewodnik z prądem w polu magnetycznym

F = e(v B) (2) F = evb (3)

BADANIE EFEKTU HALLA. Instrukcja wykonawcza

KO OF Szczecin:

BADANIE EFEKTU HALLA. Instrukcja wykonawcza

Ruch ładunków w polu magnetycznym

MAGNETYZM, INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA. Zadania MODUŁ 11 FIZYKA ZAKRES ROZSZERZONY

Zjawisko Halla Referujący: Tomasz Winiarski

Efekt Halla w germanie.

Klasyczny efekt Halla

Badanie rozkładu pola magnetycznego przewodników z prądem

6. Zjawisko Halla w metalach

Prąd elektryczny 1/37

Wyznaczanie stosunku e/m elektronu

E1. OBWODY PRĄDU STAŁEGO WYZNACZANIE OPORU PRZEWODNIKÓW I SIŁY ELEKTROMOTORYCZNEJ ŹRÓDŁA

BADANIE EFEKTU HALLA

Materiały pomocnicze 10 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

Czym jest prąd elektryczny

Projekt efizyka. Multimedialne środowisko nauczania fizyki dla szkół ponadgimnazjalnych. Zjawisko Halla. Ćwiczenie wirtualne

Ć W I C Z E N I E N R E-7

Ładunki elektryczne. q = ne. Zasada zachowania ładunku. Ładunek jest cechąciała i nie można go wydzielićz materii. Ładunki jednoimienne odpychają się

EFEKT HALLA W PÓŁPRZEWODNIKACH.

Wyznaczanie momentu magnetycznego obwodu w polu magnetycznym

Ruch ładunków w polu magnetycznym

ĆWICZENIE 1 CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE DIOD P-N

Ładunek elektryczny. Ładunek elektryczny jedna z własności cząstek elementarnych

3.5 Wyznaczanie stosunku e/m(e22)

Pomiar indukcji pola magnetycznego w szczelinie elektromagnesu

EUROELEKTRA Ogólnopolska Olimpiada Wiedzy Elektrycznej i Elektronicznej Rok szkolny 2015/2016

Wykład FIZYKA II. 3. Magnetostatyka. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Pomiar rezystancji. Rys.1. Schemat układu do pomiaru rezystancji metodą techniczną: a) poprawnie mierzonego napięcia; b) poprawnie mierzonego prądu.

Wykład 8 ELEKTROMAGNETYZM

SPRAWDZANIE SŁUSZNOŚCI PRAWA OHMA DLA PRĄDU STAŁEGO

Badanie transformatora

Wyznaczanie składowej poziomej natężenia pola magnetycznego Ziemi za pomocą busoli stycznych

Pracownia Automatyki i Elektrotechniki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 1. Połączenia szeregowe oraz równoległe elementów RC

Wyznaczanie oporu elektrycznego właściwego przewodników

Różne dziwne przewodniki

1 K A T E D R A F I ZYKI S T O S O W AN E J

Badanie transformatora

RÓWNANIA MAXWELLA. Czy pole magnetyczne może stać się źródłem pola elektrycznego? Czy pole elektryczne może stać się źródłem pola magnetycznego?

Wyznaczanie momentu magnetycznego obwodu w polu magnetycznym

Charakterystyka statyczna diody półprzewodnikowej w przybliŝeniu pierwszego stopnia jest opisywana funkcją

BADANIE AMPEROMIERZA

SPRAWDZENIE PRAWA OHMA POMIAR REZYSTANCJI METODĄ TECHNICZNĄ

WYDZIAŁ.. LABORATORIUM FIZYCZNE

Obwód składający się z baterii (źródła siły elektromotorycznej ) oraz opornika. r opór wewnętrzny baterii R- opór opornika

Dielektryki polaryzację dielektryka Dipole trwałe Dipole indukowane Polaryzacja kryształów jonowych

KONKURS PRZEDMIOTOWY Z FIZYKI dla uczniów dotychczasowych gimnazjów. Schemat punktowania zadań

BADANIE CHARAKTERYSTYK FOTOELEMENTU

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

Wykład FIZYKA II. 2. Prąd elektryczny. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Badanie rozkładu pola elektrycznego

LI OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP II Zadanie doświadczalne

KONKURS PRZEDMIOTOWY Z FIZYKI dla uczniów gimnazjów województwa lubuskiego. Schemat punktowania zadań

MOMENT MAGNETYCZNY W POLU MAGNETYCZNYM

RUCH FALOWY. Ruch falowy to zaburzenie przemieszczające się w przestrzeni i zmieniające się w

i odwrotnie: ; D) 20 km h

30P4 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - IV POZIOM PODSTAWOWY

ĆWICZENIE 31 MOSTEK WHEATSTONE A

Wyznaczanie przenikalności magnetycznej i krzywej histerezy

Pole elektromagnetyczne

Badanie transformatora

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania fizyka, wzory fizyka, matura fizyka

2 K A T E D R A F I ZYKI S T O S O W AN E J

Ładunki elektryczne i siły ich wzajemnego oddziaływania. Pole elektryczne. Copyright by pleciuga@ o2.pl

ELEMENTY ELEKTRONICZNE TS1C

Metodę poprawnie mierzonego prądu powinno się stosować do pomiaru dużych rezystancji, tzn. wielokrotnie większych od rezystancji amperomierza: (4)

Q t lub precyzyjniej w postaci różniczkowej. dq dt Jednostką natężenia prądu jest amper oznaczany przez A.

WYZNACZANIE MODUŁU YOUNGA METODĄ STRZAŁKI UGIĘCIA

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 123: Półprzewodnikowe złącze p-n

Indukcja elektromagnetyczna Faradaya

Powtórzenie wiadomości z klasy II. Przepływ prądu elektrycznego. Obliczenia.

Test (4 p.) 2. (1 p.) Wskaż obwód, który umożliwi wyznaczenie mocy żarówki. A. B. C. D. 3. (1 p.) str. 1

BADANIE WYMUSZONEJ AKTYWNOŚCI OPTYCZNEJ. Instrukcja wykonawcza

Miernictwo - W10 - dr Adam Polak Notatki: Marcin Chwedziak. Miernictwo I. dr Adam Polak WYKŁAD 10

Prosty model silnika elektrycznego

Podstawy fizyki sezon 2 5. Pole magnetyczne II

Przyrządy i Układy Półprzewodnikowe

Wyznaczanie krzywej ładowania kondensatora

Materiały pomocnicze 11 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

POMIARY ELEKTRYCZNE WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH 2

Teoria pasmowa ciał stałych

Zespół Szkół Technicznych im. J. i J. Śniadeckich w Grudziądzu

POWTÓRKA PRZED KONKURSEM CZĘŚĆ 14 ZADANIA ZAMKNIĘTE

Ćwiczenie nr 9. Pomiar rezystancji metodą porównawczą.

WOJEWÓDZKI KONKURS FIZYCZNY stopień wojewódzki

Powtórka 5. między biegunami ogniwa przepłynął ładunek 13,5 C. Oblicz pracę wykonaną przez ogniwo podczas przemieszczania ładunku między biegunami.

Pole przepływowe prądu stałego

Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia

POLE ELEKTRYCZNE PRAWO COULOMBA

Wymiana ciepła. Ładunek jest skwantowany. q=n. e gdzie n = ±1, ±2, ±3 [1C = 6, e] e=1, C

Człowiek najlepsza inwestycja

Transkrypt:

Ćwiczenie nr 4 Badanie zjawika alla i przykłady zatoowań tego zjawika do pomiarów kąta i indukcji magnetycznej Opracowanie: Ryzard Poprawki, Katedra Fizyki Doświadczalnej, Politechnika Wrocławka Cel ćwiczenia: Zapoznanie tudentów z ruchem czątek naładowanych w polu elektrycznym i magnetycznym, zjawikiem alla, przykładami zatoowań tego zjawika do pomiaru różnego typu wielkości fizycznych, a w zczególności pomiaru kąta oraz indukcji magnetycznej. 1. Wtęp Zjawiko gromadzenia ię ładunków elektrycznych na ściankach płytki przewodzącej umiezczonej w polu magnetycznym przez którą płynie prąd elektryczny zotało przewidziane przez Maxwella, a odkryte przez E.. alla w 1879 roku. Rozpatrzmy płytkę płako równoległą wykonaną z metalu lub półprzewodnika (materiału przewodzącego prąd elektryczny) umiezczoną w polu magnetycznym o indukcji B (ry.1). Ry.1. Ryunek pomocniczy do wyprowadzenia wzoru na napięcie alla Duża powierzchnia płytki przez którą płynie prąd o natężeniu jet protopadła do kierunku pola magnetycznego. Na poruzające ię w polu magnetycznym nośniki ładunku działa iła Lorentza F L qv B, (1) gdzie: q ładunek nośnika, v prędkość nośnika. Siła Lorentza jet protopadła do kierunku pola magnetycznego i kierunku ruchu nośników ładunku. Pod działaniem tej iły tory nośników ulegają zakrzywieniu i na powierzchniach bocznych płytki gromadzą ię ładunki przeciwnego znaku. Pole elektryczne o natężeniu E wytworzone przez ładunki zgromadzone na powierzchniach bocznych płytki działa na ładunki poruzające ię wewnątrz płytki iłą F E qe, (2) Kierunek tej iły jet przeciwny do kierunku iły Lorenza. Po bardzo krótkim czaie utala ię równowaga (iła Lorentza jet równoważona przez iłę F E ) qe qv B (3) Jeżeli kierunek ruchu nośników ładunku (kierunek przepływu prądu przez płytkę) jet protopadły do kierunku pola magnetycznego równanie (3) można zapiać jako v B E (4) Różnicę potencjałów czyli napięcie między powierzchniami bocznymi płytki nazywamy napięciem alla, U E a, (5) gdzie: a oznacza odległość pomiędzy ścianami bocznymi płytki (hallotronu). Równanie (5) jet pełnione, jeżeli natężenie pola elektrycznego wewnątrz płytki można uznać za jednorodne. Podtawiając do równania (4) natężenie pola elektrycznego obliczone z równania (5) otrzymujemy: U a v B (6) Prędkość nośników można obliczyć znając natężenie prądu płynącego przez hallotron.

Gętość prądu j możemy zapiać jako tounek natężenia prądu do pola przekroju poprzecznego przewodnika S, j (7) S Gętość prądu związana jet z koncentracją nośników n. Koncentracja nośników oznacza liczbę nośników w jednotce objętości N n, (8) gdzie: N liczba nośników, objętość przewodnika. Prąd elektryczny jet uporządkowanym ruchem nośników dodatnich i ujemnych, dlatego gętość prądu można zapiać jako j n v q n v q, (9) gdzie: n +, n - oznacza odpowiednio koncentrację nośników dodatnich i ujemnych, v +, v - prędkość nośników a q +, q - ładunki tych nośników. W metalach nośnikami ładunku elektrycznego ą wobodne elektrony, w półprzewodnikach elektrony i (lub) dziury, w elektrolitach jony dodatnie i ujemne, natomiat w zjonizowanych gazach jony dodatnie i elektrony. Załóżmy, że nośnikami ładunku ą tylko elektrony. Z równania (9) wynika, że prędkość elektronów j v, ne Sne (10) gdzie: e oznacza ładunek elektronu (ładunek elementarny), natomiat S pole przekroju poprzecznego hallotronu. Wprowadzimy jezcze definicję ruchliwości nośnika ładunku v. (11) E Ruchliwość nośnika ładunku jet więc prędkością nośnika w polu elektrycznym o natężeniu jednotkowym (w układzie S /m). Wtawiając prędkość nośników ładunku (10) do równania (6) otrzymujemy a U a, (12) Sne adne dne gdzie: a jet odległością między bocznymi ściankami hallotronu. Równanie (12) możemy zapiać w potaci: U B (13) 1 gdzie: (14) dne jet tałą hallotronu. Zwróćmy uwagę na to, że wartość tej tałej zależy od grubości hallotronu oraz koncentracji nośników ładunku, a jej znak od znaku nośników ładunku. Tak więc wyznaczając tałą alla można wyznaczyć koncentrację i znak nośników ładunku. Równanie (13) w potaci wektorowej można zapiać jako: U B, a wartość U in (15) gdzie: jet kątem między kierunkiem prądu płynącego przez hallotron i kierunkiem wektora indukcji magnetycznej B. Kończąc krótkie wprowadzenie do zjawika alla warto zwrócić uwagę, na to, że hallotrony znajdują wiele zatoowań praktycznych: ą toowane do pomiaru natężenia prądu (w tym mierniki beztykowe w których mierzone jet natężenie pola magnetycznego wytworzone przez przepływający w przewodniku prąd), natężenia pola magnetycznego, pomiaru mocy (iloczynu natężenia prądu i napięcia), kąta obrotu, czętości obrotów, drgań, przeunięć oraz do budowy głowic odczytujących informacje zapiane na nośnikach magnetycznych (taśmy magnetofonowe, wideo, twarde dyki i dykietki).

2. Badanie charakterytyk hallotronu 2.1. Cel ćwiczenia : Wyznaczenie podtawowych charakterytyk hallotronu oraz zatoowanie hallotronu do pomiaru kątów. 2.2 Układ pomiarowy Schemat ideowy układu do badania zjawika alla przedtawiono na ry. 2. Fotografię tego układu zamiezczono na ry.3. Układ kłada ię z nieruchomego hallotronu umiezczonego w polu magnetycznym o indukcji B wytworzonym przez dwa magney neodymowe (ryunki 2 i. 3). Magney zamocowane ą tak, że można nimi obracać wokół nieruchomego hallotronu. Do obudowy magneów zamocowana jet podziałka kątowa umożliwiająca pomiary kąta obrotu magneów względem hallotronu. Regulowane napięcie zailające hallotron podawane jet z zailacza widocznego z lewej trony ry. 3. W obwód zailacza należy podłączyć miernik prądu miliamperomierz (ry. 2), a do zacików napięciowych hallotronu miliwoltomierz, który łuży do pomiaru napięcia alla. ndukcja magnetyczna w obzarze między magneami jet tała co do wartości i wynoi około 0.5 T. Orientację pola magnetycznego względem płazczyzny hallotronu można zmieniać obracając magneami w przedziale od zera do 360 o. Z równania (15) wynika, że napięcie alla U in. Ry.2. Schemat ideowy układu do badania zjawika alla. Ry.3. Układ do badania zjawika alla Układ pomiarowy umożliwia wyznaczenie zależności napięcia alla od natężenia prądu płynącego przez hallotron przy utalonej wartości indukcji magnetycznej (utalonym kącie między płazczyzną hallotronu i kierunkiem indukcji magnetycznej), oraz zależności napięcia alla od kąta między płazczyzną hallotronu i kierunkiem indukcji magnetycznej przy utalonym natężeniu prądu. Na podtawie uzykanych wyników można wyznaczyć tałą hallotronu, a znając grubość hallotronu możemy wyznaczyć koncentrację nośników prądu (równanie 14). 2.3. Zadania pomiarowe 1. Dla dwóch utalonych wartości natężenia prądu płynącego przez hallotron (z przedziału od 6 do 12 ma) wyznaczyć zależności napięcia alla od kąta między powierzchnią płytki (kierunkiem przepływu prądu) i kierunkiem indukcji magnetycznej. Pomiary wykonać w przedziale od 0 do 360 o co 10 o. 2. Wyznaczyć zależność napięcia alla od natężenia prądu płynącego przez hallotron dla dwóch orientacji magneów względem hallotronu.

2.4. Opracowanie wyników 1. Naryować wykrey zależności napięcia alla od kąta jaki tworzy kierunek indukcji magnetycznej z płazczyzną hallotronu. 2. Naryować wykrey zależności napięcia alla podzielonego przez wartość makymalną tego napięcia dla danej wartości prądu. Na wykre nanieść zależność funkcji in x od x. Wyznaczyć przeunięcie 0 między wykreami U / U i funkcji in x. max 3. Naryować wykre zależności napięcia alla od natężenia prądu płynącego przez hallotron przy utalonym kącie. 4. Obliczyć tałą hallotronu, koncentrację nośników oraz niepewności wyznaczenia tych wielkości. Wartość indukcji magnetycznej obliczyć ze wzoru B B in 0 0. Przyjąć B 0 = (500 5) mt, grubość d 19 hallotronu d 2 m, 2%, ładunek elektronu e 1.6 10 C. d 5. Na podtawie wyników pomiarów obliczyć: U czułość prądową hallotronu: S przy utalonym B, U czułość polową S B, B U makymalną czułość kątową układu S. Uwaga: Jeżeli naryujemy wykre zależności czułości kątowej od kąta, taje ię jana odpowiedź na pytanie dlaczego toując hallotrony do pomiarów kątów (w zerokim zakreie) touje ię dwa wzajemnie protopadłe hallotrony. 3. Pomiar indukcji magnetycznej za pomocą hallotronu, wyznaczanie zależności indukcji magnetycznej między biegunami elektromagneu od natężenia prądu płynącego przez elektromagne. 3.1. Cel ćwiczenia : Zatoowanie hallotronu do pomiaru indukcji magnetycznej, wyznaczenie charakterytyki elektromagneu. 3.2. Zetaw przyrządów : 1. Elektromagne. 2. Zailacz elektromagneu. 3. Zailacz hallotronu. 4. Miliwoltomierz do pomiaru napięcia alla. 5. Miliamperomierz do pomiaru natężenia prądu płynącego przez hallotron. 6. Amperomierz do pomiaru natężenia prądu płynącego przez elektromagne. 7. allotron w ruchomej obudowie 8. Przytawka hallotronu

3.3. Schemat układu pomiarowego i połączenia Połączyć układ zailający elektromagne oraz układ hallotronu wg chematów przedtawionych na ryunkach 4 i 5. Ry. 4. Układ zailania elektromagneu - ma + + Zailacz hallotronu - U h Ry. 5 Układ połączeń hallotronu 3.4. Przebieg pomiarów. Wyznaczyć zależność napięcia alla U od natężenia prądu magneującego m przy utalonym natężeniu prądu płynącego przez hallotron = cont. a) utalić prąd zailania hallotronu (w zakreie 4 12 ma ) np. = 6 i 10 ma; b) włączyć zailacz elektromagneu; c) przeprowadzić pomiary zależności napięcia alla od natężenia prądu płynącego przez elektromagne m (prąd magneujący) w zakreie od 50 ma do 500 ma (np. co 50 ma ), przy utalonej wartości prądu płynącego przez hallotron. d)pomiary wykonać dla obu kierunków prądu magneującego. W celu zmiany kierunku prądu płynącego przez elektromagne należy zamienić miejcami przewody zailające elektromagne. 3.5. Opracowanie wyników Naryować wykre zależności indukcji magnetycznej od natężenia prądu płynącego przez elektromagne. U Wartości indukcji magnetycznej obliczyć korzytając ze wzoru B, gdzie 33.4 0.5. AT