Лабораторная работа №3 «Исследование преобразователя Холла»
ст. преподаватель: Юлиш В.И.
Санкт-Петербург 2013
Цели работы
Изучение принципа действия, применения и основных характеристик датчиков Холла;
Исследование характеристики преобразования датчика;
Измерение основных параметров датчика.
Оборудование и приборы
В лабораторной работе используют измерительное устройство, содержащее:
Измерительный щуп с датчиком Холла или измерительный щуп с двумя датчиками Холла—продольным и поперечным;
Блок питания;
Мультиметр для измерения выходного сигнала датчика;
Коммутационную коробку, служащую для электрического соединения перечисленных выше компонентов.
Измерительное устройство схематично изображено на рис. 1.
Для измерения выходного напряжения датчика используется измерительный прибор—многофункциональный цифровой мультиметр. Характеристики мультиметра по напряжению постоянного тока приведены в табл. 1.
Таблица 1. Характеристики погрешности мультиметра
|
Верхний предел диапазона измерений. В |
Единица младшего разряда в данном диапазоне Uразр., мВ |
Основная допускаемая погрешность прибора пр., В |
|
0,200 |
0,100 |
|
|
2,0 |
1-0 |
(0,005Uизмер.+1разр.) |
|
20,0 |
10,0 |
|
Предел основной допускаемой погрешности установлен для нормальных условий эксплуатации:
температура окружающей среды 23±5° С;
относительная влажность воздуха 60±20%;
атмосферное давление 750±30 мм рт. ст.;
номинальное напряжение питания 9 В .
Дополнительная погрешность при изменении температуры окружающей среды на 1°С составляет 0,15 от предела допускаемой основной погрешности.
Входное сопротивление мультиметра—10 Ом.
Основные теоритические сведения
3.1. Эффект Холла
Согласно теории электромагнетизма на заряд q, движущийся со скоростью v в магнитном поле, действует сила Лоренца:
,
где В—индукция магнитного поля. Движущиеся в магнитном поле электрические заряды под воздействием силы Лоренца изменяют свою траекторию.
Если в магнитное поле поместить пластину с током, направление которого перпендикулярно вектору магнитной индукции, то под действием силы Лоренца движущиеся заряды будут отклоняться от направления тока, и на противоположных гранях пластины будут скапливаться заряды разных знаков. Накапливание зарядов будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле зарядов не скомпенсирует магнитную составляющую силы Лоренца. В результате, на соответствующих сторонах пластиныпоявится разность потенциалов—ЭДС (напряжение Холла), что показано на рис.2.
или
,
где d—ширина пластины,q—заряд частицы-носителя,n—концентрация носителей, I—ток, протекающий через пластину, K—коэффициент, зависящий от материала пластины и её размеров.
Из приведённого соотношения следует, что измеряемый милливольтметром сигнал пропорционален магнитной индукции МП и плотности электрического тока, протекающего в пластине. Следовательно, характеристика преобразования датчиков Холла линейна (как правило, в пределах 1%) практически во всём диапазоне измерений.
Поскольку напряжённость и магнитная индукция МП—векторные величины, показания датчика зависят от ориентации пластины относительно направления МП, а также от неравномерности самого МП. Для того, чтобы полнее охарактеризовать МП, необходимо представить его параметры в трёх пространственных координатах.
Так как напряжение Холла пропорционально величине индукции магнитного поля, то эффект широко используется для измерения параметров магнитных полей. По величине и знаку напряжения в магнитном поле с известными параметрами определяют концентрацию и знак носителей тока.