Лабораторная работа
«Магнитоэлектрические преобразователи»
Цель:
Исследовать магнитное поле постоянного магнита, используя датчик Холла.
Общие понятия
Магнетизм
— форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля.
Магнитное поле
— составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля.
Основными источниками магнитного поля являются орбитальные и спиновые магнитные моменты элементарных частиц, атомов и молекул.
В макроскопическом масштабе источниками магнитного поля являются электрический ток (ток заряженных частиц) и постоянные магниты (магнитные моменты электронов в атомах). Основной (силовой) характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции , совпадающий в вакууме с вектором напряженности магнитного поля. В международной системе единиц СИ магнитная индукция измеряется в Тесла (Тл).
Магнит
— тело, обладающее собственным магнитным полем.
Постоянный магнит
— изделие из жёсткого материала с высокой остаточной магнитной индукцией, сохраняющее состояние намагниченности в течение длительного времени.
Постоянные магниты применяются в качестве автономных (не потребляющих энергии) источников магнитного поля.
Электромагнит
— устройство, магнитное поле которого создаётся только при протекании электрического тока. Как правило, это катушка-соленоид, со вставленным внутрь железным сердечником с большой магнитной проницаемостью µ ~ 104
.
|
|
|
| Рис. 1. Постоянный магнит
|
Рис. 2. Картина силовых линий магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом в форме стержня. Железные опилки на листе бумаги |
Классификация веществ по магнитным свойствам
магнитно не упорядоченные вещества:
диамагнетики;
парамагнетики.
вещества с дальним магнитным порядком (магнетики):
ферромагнетики;
антиферромагнетики;
ферримагнетики.
вещества с ближним магнитным порядком:
спиновые стекла;
суперпарамагнитные ансамбли частиц.
молекулярные магниты и кластеры.
плазма.
элементарные частицы.
По своим магнитным свойствам вещества делятся на три основных класса: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.
Имеется также два обособленных подкласса материалов, выделенных из общего класса ферромагнетиков — антиферромагнетики и ферримагнетики.
В обоих случаях эти вещества относятся к классу ферромагнетиков, но обладают особыми свойствами при низких температурах: магнитные поля соседних атомов выстраиваются строго параллельно, но в противоположных направлениях. Антиферромагнетики состоят из атомов одного элемента и, как следствие, их магнитное поле становится равным нулю. Ферримагнетики представляют собой сплав двух и более веществ, и результатом суперпозиции противоположно направленных полей становится макроскопическое магнитное поле, присущее материалу в целом.
Электрон, вращающийся вокруг атома, можно рассматривать как циклический электрический ток очень малой силы и радиуса, индуцирующий магнитное поле. Фактически же, все электроны, вращаясь вокруг атомов, производят свое магнитное поле, и каждый атом, как следствие, обладает собственным магнитным полем, которое представляет собой суммарное поле, или суперпозицию магнитных полей отдельных электронов.
В атомах одних элементов равное число электронов вращается во всевозможных направлениях, и их магнитные поля взаимно гасятся. В атомах других элементов орбиты электронов могут быть ориентированы таким образом, что часть электронов производит магнитные поля, остающиеся некомпенсированными за счет полей электронов, обращающихся в противоположном направлении. И когда такие магнитные поля, связанные с вращением электронов по орбите оказываются одинаково направленными у всех атомов кристаллической структуры вещества, вокруг вещества создаётся стабильное и достаточно сильное магнитное поле.
Магнитные свойства вещества зависят от конфигурации электронных орбит атомов. Даже после разбиения на отдельные атомы железо, например, сохранит свои ферромагнитные свойства. А вот при дальнейшем дроблении можно получить лишь элементарные частицы, которые собственными магнитными свойствами не обладают, и описать природу магнетизма будет уже нельзя. Магнитные свойства вещества зависят исключительно от конфигурации элементарных частиц в составе атома и организации кристаллических доменов, но не от свойства заряженных частиц атомной структуры.
Любой фрагмент такого вещества представляет собой маленький магнит с четко выраженными северным и южным полюсами. Именно совокупное поведение таких мини-магнитов атомов кристаллической решетки и определяет магнитные свойства вещества.
Диамагнетики
В веществах, атомы которых не обладают собственным магнитным моментом (то есть в таких, где магнитные поля гасятся еще в зародыше — на уровне электронов), может возникнуть магнетизм иной природы. Согласно второму закону электромагнитной индукции Фарадея, при увеличении потока магнитного поля, проходящего через токопроводящий контур, изменение электрического тока в контуре противодействует увеличению магнитного потока.
Вследствие этого, если вещество, не обладающее собственными магнитными свойствами, ввести в сильное магнитное поле, электроны на атомных орбитах, представляющие собой микроскопические контуры с током, изменят характер своего движения таким образом, чтобы воспрепятствовать увеличению магнитного потока, то есть, создадут собственное магнитное поле, направленное в противоположную по сравнению с внешним полем сторону. Такие материалы принято называть диамагнетиками.
Парамагнетики
В большинстве веществ внутренние силы выравнивания магнитной ориентации атомов отсутствуют, домены не образуются, и магнитные поля отдельных атомов направлены случайным образом. Из-за этого поля отдельных атомов-магнитов взаимно гасятся, и внешнего магнитного поля у таких веществ нет. В то же время эти вещества обладают собственным ненулевым локальным магнитным моментом (например, нескомпенсированный атомный магнитный момент).
При помещении такого вещества в сильное внешнее поле (например, между полюсами мощного магнита) магнитные поля атомов ориентируются в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля, и мы наблюдаем эффект усиления магнитного поля в присутствии такого вещества. Вещества, обладающие подобными свойствами, называются парамагнетиками.
Стоит, однако убрать внешнее магнитное поле, как парамагнетик тут же размагничивается, поскольку атомы снова выстраиваются хаотично. То есть, парамагнетики характеризуются способностью к временному намагничиванию.
Ферромагнетики
Ферромагнетики — вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры (температуры Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах).
(Температура Кюри — температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества. К примеру, при температуре ниже температуры Кюри ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью, вызванной упорядоченной ориентацией магнитных моментов атомов. При температуре выше температуры Кюри упорядоченность разрушается из-за сильных тепловых колебаний атомов. В результате этого ферромагнетик становится парамагнетиком. Аналогичные фазовые переходы могут наблюдаться не только в ферромагнетиках, но и в антиферромагнетиках, в сегнето- и антисегнетоэлектриках, в упорядоченных сплавах.)
Дальний ферромагнитный порядок заключается в следующем. Атомам (или ионам) при температуре ниже температуры Кюри оказывается энергетически выгодно выстроиться таким образом, что их магнитные поля оказываются однонаправленными и усиливают друг друга. Намагничивание ограничивается объемом, содержащим от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч атомов. Такой объем вещества принято называть доменом. В каждом домене магнитное поле ориентировано по-своему. Поэтому в обычном состоянии твердое железо не намагничено, хотя внутри него образованы домены, каждый из которых представляет собой готовый мини-магнит. Однако под воздействием внешних условий (например, при застывании выплавленного железа в присутствии мощного магнитного поля) домены выстраиваются упорядоченно и их магнитные поля взаимно усиливаются. Благодаря этому возникает макроскопическое магнитное поле за пределами материала.
Среди химических элементов ферромагнитными свойствами обладают переходные элементы Fe, Со и Ni и редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Но, Er. Также обладают ферромагнитными свойствами многочисленные металлические бинарные и более сложные (многокомпонентные) сплавы и соединения упомянутых металлов между собой и с другими неферромагнитными элементами, сплавы и соединения Cr и Mn с неферромагнитными элементами, соединения ZrZn2
и Zrx
M1-x
Zn2
(где М – это Ti, Y, Nb или Hf, 0 £ x £1), Au4
V, Sc3
In и др., а также некоторые соединения металлов группы актиноидов (например, UH3
).
Особую группу ферромагнетиков образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов, например Fe или Со в диамагнитной матрице Pd. В этих веществах атомные магнитные моменты распределены неупорядоченно (при наличии ферромагнитного порядка отсутствует атомный порядок). Ферромагнитный порядок обнаруж
Cax
MnO5
(0,4 > x > 0,2), EuO, Eu2
SiO4
, EuS, EuSe, EuI2
, CrB3
и т.п. У большинства из них температура Кюри лежит ниже 1 К. Только у соединений Eu, халькогенидов, CrB3
значение температуры Кюри ~ 100 К.
Антиферромагнетики
Антиферромагнетики — вещества, в кристалле которых формируются две или более двух антипараллельно ориентированных подрешёток, магнитные моменты которых дают в сумме нулевую намагниченность в отсутствии магнитного поля.
Обычно вещество становится антиферромагнетиком ниже определённой температуры TN
(температуры Нееля) и остаётся антиферромагнетиком вплоть до TК
(температуры Кюри).
Антиферромагнетиками являются твёрдый кислород (α-модификация при T < 24К), хром (TN
= 310К), а также ряд редкоземельных металлов (Dy, Ho, Er, Tu, Tb). Число известных химических соединений, которые становятся антиферромагнетиками при определённых температурах, приближается к тысяче (MnSO4
, FeSO4
, CoSO4
, NiSO4
, MnCO3
, FeCO3
, CoCO3
, NiCO3
, MnO, FeO, CoO, NiO, MnF2
, FeF2
, CoF2
, NiF2
.
Ферримагнетики
В ферримагнетиках, в отличие от антиферромагнетиков, полной компенсации магнитных моментов подрешёток не происходит, и материал в целом обладает ненулевой спонтанной намагниченностью.
Большинство ферримагнетиков — это ионные кристаллы, содержащие магнитные ионы различных элементов или одного элемента, но либо имеющие разную валентность, либо находящиеся в разных кристаллографических позициях. Наиболее обширный класс хорошо изученных ферримагнетиков образуют ферриты. Из других ферримагнитных кристаллов следует отметить группу гексагональных двойных фторидов (RbNiF3
, CsNiF3
, TlNiF3
, CsFeF3
), особенно интересных тем, что они являются прозрачными в оптической области. К ферримагнетикам принадлежит также ряд сплавов и интерметаллических соединений. В большинстве случаев это вещества, содержащие атомы редкоземельных элементов. В частности, особый интерес представляет соединение типа RMe5
, где R – редкоземельный ион, Me – ион группы железа (например, GdCo5
).
Ферримагнетики применяются в качестве сердечников высокочастотных контуров в радиотехнике, невзаимных элементов в СВЧ-технике, элементов памяти в ЭВМ и для создания постоянных магнитов.
Эффект Холла
Эффект Холла — возникновение поперечного электрического поля и разности потенциалов в проводнике или полупроводнике (датчике Холла), по которым проходит электрический ток, при помещении их в магнитное поле, перпендикулярное к направлению тока.
Если в магнитное поле с индукцией поместить проводник или электронный полупроводник, по которому течет электрический ток, то на электроны, движущиеся со скоростью в магнитном поле, действует сила Лоренца, отклоняющая их в определенную сторону. На противоположной стороне скапливаются положительные заряды.
Рис. 3. Действие силы Лоренца на движущийся отрицательный заряд
В дырочном полупроводнике знаки зарядов на поверхностях меняются на противоположные.
Рис. 4. Действие силы Лоренца на движущийся положительный заряд
Рис. 5. Техническая реализация эффекта Холла в датчике Холла
Рис. 6. Эффект Холла
1 — электроны; 2 — датчик Холла; 3 — магниты; 4 — магнитное поле; 5 — источник тока
Если магнитное поле напряжённости H перпендикулярно направлению течения тока силы I
, то разность потенциалов, возникающая между боковыми сторонами проводника ширины d:
.
Величина RХ
называется постоянной Холла. Если ток в проводнике (или полупроводнике) представляет собой поток свободных носителей заряда, то холловская постоянная для металлов равна:
.
где n — концентрация носителей, а e — их заряд.
По знаку постоянной Холла определяют тип проводимости полупроводника. При электронной проводимости q
= –e
(e
– заряд электрона) и R
< 0. При дырочной проводимости q
= e
и R
> 0. По величине R
можно определить концентрацию носителей тока.
Разность потенциалов прямо пропорциональна силе тока, из-за чего можно ввести холловское сопротивление, которое для заданной системы постоянно и не зависит от силы протекающего тока.
Эффект Холла открыт американским физиком Эдвином Холлом (E.Hall; 1855–1938), который в 1879 году первым измерил поперечное электрическое напряжение, возникающее под воздействием внешнего магнитного поля по вышеописанной схеме.
Прошло более столетия после экспериментов Холла, и германский физик Клаус фон Клитцинг (Klaus von Klitzing) открыл квантово-механический аналог эффекта Холла, за что был в 1985 году удостоен Нобелевской премии по физике. В сильных магнитных полях в плоском проводнике (то есть в квази-двумерном электронном газе) начинают сказываться квантовые эффекты, что приводит к квантовому эффекту Холла: квантованию холловского сопротивления. В ещё более сильных магнитных полях проявляется дробный квантовый эффект Холла, который связан с кардинальной перестройкой внутренней структуры двумерной электронной жидкости.
Эффект Холла применяется в работе синхрофазотрона, который используется в исследованиях в области физики элементарных частиц: в нём заряженные частицы оказываются пойманными в тороидальную магнитную ловушку и летают по кругу внутри неё. В малых масштабах этот эффект используется в устройстве микроволновой печи — в ней электроны, циркулируя в магнитном поле, производят сверхвысокочастотное излучение, разогревающее пищу.
Эффект Холла также используется в генераторах Холла и датчиках тока.
Генератор Холла — измерительный прибор для определения индукции магнитного поля. Его принцип действия основан на измерении ЭДС Холла UХ
, пропорциональной магнитной индукции поля, при постоянном управляющем токе Ist
. При помощи добавочного сопротивления RV
устанавливается оптимальное значение управляющего тока, которое контролируется вольтметром через падение напряжения на резисторе RN
. Этот же вольтметр переключается для измерения ЭДС Холла. При наличии двух прямоугольных расположенных напротив друг друга датчиков Холла можно определить направление магнитного поля.
Рис. 7. Генератор Холла
Н – датчик Холла; selector – переключатель вольтметра
Описание установки
Общий вид лабораторной установки показан на рис.
Рис. 8. Лабораторная установка
На рисунке:
1 – датчик Холла, закреплённый на держателе
2 – Вольтметр
3 – Источник постоянного тока
4 – Тестер
Рис. 9. Исследуемый магнит, помещённый в защитный кожух
Порядок работы
1. Включите тестер в режиме измерения постоянного тока (DCA) на пределе измерений 200 мА (200m).
2. Включите источник постоянного тока Б5-49 и подайте с него на выводы датчика Холла постоянный ток величиной 3 мА, пользуясь показаниями тестера.
3. Включите прибор Щ4313 в режиме измерения постоянного напряжения на пределе 200 мВ. Данный прибор в ходе измерений служит для отображения величины ЭДС Холла UХ
.
4. Пользуясь датчиком Холла, определите распределение силовых линий магнитного поля постоянного магнита. Для этого воспользуйтесь сеткой миллиметровки, самостоятельно выбрав начало отсчёта для измерений и шаг измерений.
5. Определите значение индукции магнитного поля. Значение чувствительности для использующегося в работе датчика ДХК-05 можно взять в Приложении 1.
6. Занесите результаты измерений и расчётов в отчёт.
Приложение 1. Характеристики датчика Холла ДХК-0.5А
Назначение
Датчик Холла ДХК-0.5А предназначен для преобразования магнитной индукции в выходное напряжение. Принципом работы служит эффект Холла. Выполнен на основе планарной топологической структуры, сформированной на поверхности кремниевого кристалла.
Основные технические характеристики:
Номинальный управляющий ток - 3 мА.
Напряжение Холла при магнитной индукции 0.25 Тл и номинальном управляющем токе - 70 мВ (чувствительность K = 280 мВ/Тл).
Остаточное напряжение при номинальном управляющем токе - не более 7 мВ (значение этого параметра зависит от условий поставки).
Входное сопротивление - 1.8 ... 3 кОм (сопротивление между выводами Iх).
Выходное сопротивление - не более 3 кОм (сопротивление между выводами Uх).
Масса - не более 2.5 г.
Конструкция:
-Iх и +Iх - выводы для подключения источника управляющего тока (токовые выводы); -Uх и +Uх - выводы выходного сигнала (холловские выводы); сопротивление между токовыми выводами меньше, чем между холловскими.
Выходное напряжение в мВ: +Uх - (-Uх) = K*(Iх : 3)*B, где Iх - значение управляющего тока в мА, K - чувствительность в мВ/Тл (около 280 мВ/Тл), B - величина магнитной индукции в Тл.
Датчик ДХК-0.5А является знакочувствительным как по отношению к направлению магнитной индукции, так и по отношению к полярности управляющего тока.
Простая схема подключения датчика ДХК-0.5А: