WWW.DIS.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     || 2 |

«УТВЕРЖДАЮ Декан ЕНМФ Ю.И. Тюрин 2007 г. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА С ПОМОЩЬЮ ДАТЧИКА ХОЛЛА Методические указания к выполнению лабораторной работы Э-16а по разделу ...»

-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования Российской Федерации

Томский политехнический университет

Кафедра теоретической и экспериментальной физики

«УТВЕРЖДАЮ»

Декан ЕНМФ

Ю.И. Тюрин

2007 г.

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА С

ПОМОЩЬЮ ДАТЧИКА ХОЛЛА

Методические указания к выполнению лабораторной работы Э-16а по разделу «Электричество и магнетизм» курса «Общей физики» для студентов всех специальностей Томск 2007 УДК 53.01 Исследование магнитного поля соленоида с помощью датчика Холла.

Методические указания к выполнению лабораторной работы Э-16а по курсу «Общая физика» для студентов всех специальностей.

Томск, изд. ТПУ С.М. 2007. – 12 с.

Составитель С.Н. Гриняев Рецензент: Н.С. Кравченко Методические указания рассмотрены и рекомендованы методическим семинаром кафедры теоретической и экспериментальной физики.

Зав. кафедрой В.Ф. Пичугин «_»_2007 г.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследовать распределение магнитного поля внутри соленоида, ознакомиться с принципом работы датчика Холла.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: соленоид, датчик Холла, блок питания для соленоида, источник питания для датчика Холла, милливольтметр для измерения электродвижущей силы (э.д.с.) Холла.

1. Магнитное поле соленоида Соленоидом называется система витков, образованных при намотке провода на цилиндрический каркас. При пропускании тока через провод каждый виток создает вокруг себя неоднородное магнитное поле.

Суперпозиция полей отдельных круговых токов образует поле всего соленоида. Если витки расположены вплотную друг к другу, то у бесконечно длинного соленоида поле внутри однородно и направлено вдоль оси, образуя с направлением тока в витках правовинтовую систему. Вне бесконечного соленоида магнитное поле равно нулю. Если соленоид конечный, но его длина L много больше диаметра витков d, то магнитное поле внутри соленоида в его центральной части тоже будет однородным. Однако по мере приближения к концам соленоида однородность магнитного поля нарушается, поле убывает и на некотором расстоянии от его концов стремится к нулю.

Основной характеристикой магнитного поля является магнитная индукция B r rr r ( ) B = м0 H + J = м0 мH, (1) r r где H - напряженность магнитного поля, J - намагниченность среды, Гн м0 = 4р 10 -7 - магнитная постоянная, µ - безразмерная величина, м характеризующая магнитные свойства среды и называемая относительной магнитной проницаемостью среды.

r Напряженность магнитного поля H определяет тот вклад в магнитную r индукцию B, который дают внешние источники поля. Для соленоида внешним источником поля является ток, протекающий по виткам.

r Вектор намагниченности J характеризует степень намагниченности вещества в магнитном поле, он представляет собой магнитный момент единицы объема вещества и определяет индукцию магнитного поля, создаваемого намагниченным веществом. Так как намагниченность воздуха ничтожно мала, то для соленоида без сердечника J 0, µ 1 и Рассмотрим соленоид, имеющий длину L и состоящий из N витков с радиусом r (рис.1). Его магнитную индукцию получим путем суммирования индукций отдельных круговых токов. Выделим малый участок соленоида длиной dl (рис. 1), на него приходится ndl витков, где n = N/L - число витков на единицу длины соленоида. Если через соленоид пропускать ток силой I, то участок dl соленоида можно рассматривать как круговой ток силой Indl.

можно записать где – угол между осью соленоида и радиусом – вектором, проведенным из рассматриваемой точки к участку dl.

Дифференциал выражения (4) равен Так как r + l = 2, то после подстановки в (3) получаем Магнитная индукция в точке A от всех элементов соленоида направлена параллельно его оси, поэтому для нахождения результирующего значения B в точке A надо проинтегрировать полученное выражение по всем значениям угла. Обозначая через 1 и 2 значения углов для концов соленоида, в результате интегрирования получаем:

где cos 1 = l 1 и l 2 – расстояния от точки А до концов соленоида.

Записывая длину соленоида как L = l 1 + l 2, после подстановки в (5) находим:

Выражая l1 через расстояние х, отсчитанное от центра соленоида l1 = L/2 + x, получаем более симметричное выражение для индукции B При х = 0 находим значение магнитной индукции B в центре соленоида При L из (8) получаем значение магнитной индукции B в центре бесконечно длинного соленоида поля у края соленоида. При 1 = получаем значение магнитной индукции у левого края соленоида Аналогично можно определить выражение для индукции магнитного поля в некоторой точке С, расположенной на оси соленоида, но за его пределами где а – расстояние от края соленоида до точки С (рис.1).

2. Измерение индукции магнитного поля с помощью Магнитное поле измеряется с помощью датчика, принцип работы которого основан на эффекте Холла. Эффект Холла заключается в следующем. Пусть образец имеет форму прямоугольной пластинки длиной l, шириной d, толщиной b (рис.2). Если вдоль длины образца (направление оси у) пропустить электрический ток i, а перпендикулярно плоскости пластинки (направление оси х) приложить магнитное поле B, то в направлении, перпендикулярном направлению тока i и B (направление оси z), возникнет электрическое поле, называемое полем Холла, с напряженностью ЕХолла. В Рис. 2. Ориентация тока, индукции магнитном поле на движущийся со магнитного поля и напряженности плоскости, в которой лежат векторы и B (рис.3а). Величина силы Лоренца равна поскольку угол между векторами и B прямой (рис.2).



На рис.3 показано движение электрона под действием силы Лоренца внутри пластины. Видно, что электроны создают на верхней пластине избыток отрицательных зарядов. На нижней пластине появляется избыток положительного заряда. В результате между этими обкладками возникает электрическое поле Холла с напряженностью которой отвечает холловская разность потенциалов UХолл (ЭДС Холла Холл) Так как плотность тока равна где п — концентрация носителей тока, то силу тока можно записать в виде Рис. 3 Определение направления силы Лоренца при помощи правила левой руки на движущийся положительный заряд в магнитном поле (а) и иллюстрация действия силы Лоренца на движущиеся в магнитном поле электроны в металлической пластине Отсюда выражаем скорость и подставляя ее в (12), получаем формулу для ЭДС Холла где R = - характеристика изучаемого вещества, называемая постоянной Холла, k = - постоянная датчика.

Таким образом, ЭДС Холла Холл пропорциональна силе тока через образец i и обратно пропорциональна толщине образца b.

3. Описание экспериментальной установки На рис. 4 показана экспериментальная установка для выполнения работы. Установка включает длинный соленоид 1, блок питания для соленоида 2, датчик Холла, источник питания для датчика Холла 3, милливольтметр для измерения ЭДС Холла 4.

Cоленоид изготовлен из виниловой трубы с радиусом r = 55 мм и медного провода диаметром 0,6 мм. Длина намотки (соленоида) составляет L= 0.4 м. Плотность витков соленоида n = 925 витков/м. При данном соотношении длины намотки к диаметру магнитное поле внутри на оси соленоида меньше магнитного поля бесконечно длинного соленоида на 3,5%.

Углы 1 и 2 равны 165,32 и 14,680 соответственно.

Рис. 4 Внешний вид экспериментальной установки Обмотка соленоида питается от стабилизированного источника постоянного тока HY 3002 с плавной регулировкой тока. Датчик Холла АD 22151 является линейным преобразователем магнитного поля. Выходной сигнал датчика – это напряжение, пропорциональное магнитному полю, приложенному перпендикулярно верхней плоскости корпуса датчика. Датчик питается от источника с выходным напряжением 5 вольт. Датчик крепится на кронштейне 5, с помощью которого он может перемещаться вдоль и поперек оси соленоида.

Принципиальная электрическая схема для измерения индукции магнитного поля соленоида показана на рис.5. В блок питания входят Рис. 5 Принципиальная электрическая схема установки вольтметром, с помощью которого измеряют ЭДС Холла Холл.

Методика и техника проведения измерений Тарирование (градуировка) датчика Холла заключается в получении зависимости ЭДС Холла холл от модуля вектора магнитной индукции В в некоторой области магнитного поля, где величина этого поля известна. В работе для тарирования используют тот же соленоид магнитное поле которого необходимо изучить. Для тарирования датчика Холла его помещают в центр соленоида (рис.6, точка А). Индукцию магнитного поля в этой точке определяют по формуле (8), которую удобно переписать в виде При тарировании измеряют ЭДС Холла как функцию тока I, питающего соленоид. Полученные результаты записывают в табл.1. Затем по формуле (14) рассчитывают значения Вс – индукции магнитного поля, соответствующие значениям тока I и строят тарировочный график зависимости Холл = f(Bс). Согласно (13) этот график должен представлять собой прямую линию, выходящую из начала координат.

Коэффициент наклона прямой к оси абсцисс (угловой коэффициент) равен постоянной датчика К:

Рис. 6. Сечения соленоида сверху (а) и сбоку (б) по направлениям вдоль осей соленоида ОО и перпендикулярно к ней ВВ и СС. Черными точками (•) на осях указаны места, где необходимо произвести измерение индукции магнитного поля с помощью датчика Холла B( Тл ) Зная постоянную датчика K, из измерения ЭДС холл датчиком Холла, можно определить значение магнитного поля В в любых местах соленоида.

Для этого найденную с помощью милливольтметра величину ЭДС холл в исследуемой области магнитного поля делят на постоянную датчика K B. Исследование магнитного поля внутри соленоида Исследование магнитного поля внутри соленоида и обработка результатов измерений проводятся в следующей последовательности.

1. Установите ток, питающий соленоид, равным 1 А.

2. Перемещайте датчик вдоль оси от центра соленоида к его к началу через 1 сантиметр вдоль оси ОО, измеряя при этом ЭДС Холла 3. Запишите значения ЭДС Холла и соответствующие значения расстояния датчика Холла от центра соленоида х в таблицу 1.

4. Установите датчик в центре соленоида и, перемещая датчик поперек оси вдоль направления ВВ соленоида через 1 сантиметр, измерьте соответствующие значения ЭДС Холла (рис.6а). Результаты измерений запишите в таблицу 2.

5. Установите датчик на краю соленоида и, перемещая датчик поперек оси вдоль направления СС соленоида через 1 сантиметр, измерьте соответствующие значения ЭДС Холла (рис.6а и б). Результаты измерений запишите в таблицу 3.

6. По формуле (16) рассчитайте индукцию магнитного поля B во всех исследуемых точках соленоида и запишите в таблицу.

7. Постройте графики зависимости индукции магнитного поля как функцию расстояния исследуемой точки от центра соленоида х вдоль 8. По формуле (7) рассчитайте теоретическую зависимость В(х) для направления ОО и нанесите ее на график с экспериментальной кривой.

9. Проведите анализ полученных результатов, сделайте выводы.

n1, n2, n3 – число измерений вдоль осей ОО, ВВ, СС 1. Как ведут себя силовые линии магнитного поля внутри и вне соленоида?

2. Как изменится значение индукции магнитного поля в центре соленоида при уменьшении длины соленоида ?

3. Какое физическое явление положено в основу работы датчика Холла ?

4. От каких параметров датчика Холла зависит величина его ЭДС ?

5. Для чего нужно тарировать датчик Холла ? В чем заключается тарирование датчика? Каким образом проводят тарирование ?

6. Какая формула используется для нахождения индукции магнитного поля на оси внутри длинного соленоида ?



Pages:     || 2 |

Похожие работы:

«Библиографија Монографије 1. Экзистенциальные проблемы этики творчества Н. Бердяева. М.,2002. - 124 с. – 7,75 п.л. 2. Экзистенциальная диалектика Н. Бердяева как метод современной философии. М., 2004. с. -14,25 п.л. 3. Философия культуры Н.А. Бердяева и актуальные проблемы современности. М., 2005. с. – 13,75 п.л. Студије 1. Учебно-методическое пособие для студентов и аспирантов по курсу “Философии культуры Николая Бердяева”. Москва, 2004. – 24 с. – 3 п.л. 2. Проблема рациональности современной...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра теоретической и экспериментальной физики УТВЕРЖДАЮ Декан ЕНМФ ИЗУЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ АКТИВАЦИИ ПРОВОДИМОСТИ Методические указания к выполнению лабораторной работы Э-09 по курсу Общей физики для студентов всех специальностей Томск 2005 УДК 53.01 Изучение температурной...»

«Литература специальности: Лечебное дело, Педиатрия, Медико-профилактическое дело, Стоматология Основная 1. Антонов В.Ф., Коржуев А.В. Физика и биофизика : курс лекций для студентов медицинских вузов : учебное пособие. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : ГОЭТАР-Медиа, 2010. – 240 с. 2. Антонов В.Ф., Коржуев А.В. Физика и биофизика : курс лекций для студентов медицинских вузов : учебное пособие. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : ГОЭТАР-Медиа, 2007. – 240 с. 3. Антонов В.Ф., Коржуев А.В. Физика и...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Амурский государственный университет Кафедра физики УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ Основы материаловедения Основной образовательной программы по специальности: 010701.65 Физика Специализация Физическое материаловедение Благовещенск 2012 г. 1 УМКД разработан старшим преподавателем Волковой Натальей Александровной. Рассмотрен и...»

«Ho IL М А К А Р К И Н И. М. ШАРАНОВ Н. Ф. Д Ю Д Я Е В в ; Ф. Б А Й Н Е В ИНФОРМАТИКА УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Рекомендовано Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по экономическим и гуманитарным специальностям САРАНСК ИЗДАТЕЛЬСТВО МОРДОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 1998 УДК 338.242 ББК У.ф М151 Рецензенты: кафедра информационно-вычислительных систем Саранского кооперативного института Московского...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Амурский государственный университет Кафедра физики УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ Технология конструкционных материалов Основной образовательной программы по специальностям: 260704.65 – Технология текстильных изделий 260901.65 – Технология швейных изделий 260902.65 – Конструирование швейных изделий Благовещенск 2012 г. 1 УМКД...»

«Московский физико-технический институт (государственный университет) Кафедра теоретической физики Электрический ток в наноструктурах: кулоновская блокада и квантовые точечные контакты Учебно-методическое пособие МОСКВА 2010 Составители: Н. М. Щелкачёв, Я. В. Фоминов УДК 538.935 Рецензент д.ф.-м.н. Г. Б. Лесовик Электрический ток в наноструктурах: кулоновская блокада и квантовые точечные контакты: Учебно-методическое пособие/ Сост. Н. М. Щелкачёв, Я. В. Фоминов. — М.: МФТИ, 2010. — 39 с....»

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФАКУЛЬТЕТ РАДИОФИЗИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ Ю. Л. Крученок ЭКОНОМИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И МОДЕЛИ Учебное пособие Минск 2005 Рекомендовано Ученым советом факультета радиофизики и электроники 30 марта 2004 г., протокол № 8 Крученок Ю. Л. Экономико-математические методы и модели: Учебное пособие. – Мн.: БГУ, 2005. – 100 с. Излагаются материалы лекций курса Экономико-математические методы и модели для студентов специальности E 25 01 10 Коммерческая деятельность...»

«Международный университет природы, общества и человека Дубна Кафедра Ядерной физики ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКЕ ОПТИКА Дубна, 2006 Лабораторный практикум по общей физике. Оптика. / А.В. Карпов, Н.И. Ескин, И.С. Петрухин, под редакцией Г.Р. Лошкина. Технический редактор А.С. Деникин. В учебное пособие включены описания 11 лабораторных работ по общей физике (раздел Оптика). Работы и методические указания к ним разработаны сотрудниками университета Дубна и МФТИ под редакцией профессора...»

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра биохимии Поверхностное натяжение биологических жидкостей Методические указания к лабораторной работе по курсу “Биофизика” для студентов биологического факультета специальностей G.31.01.01 “Биология”, Н.33.01.01 “Биоэкология” МИНСК БГУ 2004 УДК 57.3(076.5) ББК 28.071я73 Э45 Авторы-составители М.М.Филимонов Д.А.Новиков Утверждено Ученым советом биологического факультета “” _ 2004 г., протокол № Поверхностное натяжение...»




 
© 2013 www.dis.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.