Датчики Холла и их применение в физическом эксперименте icon

Датчики Холла и их применение в физическом эксперименте



НазваниеДатчики Холла и их применение в физическом эксперименте
Дата конвертации02.07.2012
Размер104.68 Kb.
ТипРеферат
1. /Датчик Холла и его применение 2.docДатчики Холла и их применение в физическом эксперименте

Муниципальное образовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №2

с углубленным изучением предметов физико-математического цикла»


Датчики Холла и их применение в физическом эксперименте.


Авторы работы:

Балашов Михаил,

ученик 11 «А» класса

Емелин Егор

ученик 9 «В» класса.


Научный руководитель:

Пигалицын Лев Васильевич,

учитель физики,

Народный учитель России.


Город Дзержинск. 2011 год.

Содержание

Введение………………………………………………………….…….………… 3

Эффект Холла…………………………………………………………………… 3

Датчики Холла ………………………………………………………………… 4

Приборы для физических экспериментов на датчиках Холла …………………. 6


Выводы…………………………………………………………………………… 11

Список литературы……………………………………………………………… 12


Введение.

При движении электрического заряда в магнитном поле на него воздействует отклоняющая сила. Именно на этом принципе основана работа таких экспериментальных установок, как синхрофазотрон, широко использующихся в исследованиях в области физики элементарных частиц: в них заряженные частицы оказываются пойманными в тороидальную (в форме бублика) 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.

Представьте, что на столе перед вами лежит кусок проводящей проволоки, а магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости крышки стола. Если по проволоке пропустить ток, магнитное поле заставит заряды внутри провода отклоняться в одну сторону (вправо или влево от направления тока, в зависимости от ориентации магнитного поля и полярности зарядов). Смещаясь от направления прямолинейного движения внутри проводника, заряды будут скапливаться в приграничной зоне, пока силы взаимного электростатического отталкивания между ними, возникающие в силу закона Кулона, не уравновесят отклоняющую силу воздействия магнитного поля на ток. После этого ток снова потечёт прямолинейно, однако на проводнике возникнет разность электрических потенциалов в плоскости, перпендикулярной как направлению тока, так и направлению силовых линий магнитного поля, вызванная перераспределением электрических зарядов в плоскости сечения проводника, а величина этой разности потенциалов будет пропорциональна силе тока и напряженности магнитного поля.


Первым поперечное электрическое напряжение, возникающее под воздействием внешнего магнитного поля, по вышеописанной схеме измерил в 1879 году Эдвин Холл. Он осознал, что направление вектора напряжения будет зависеть от того, какие заряды — отрицательные или положительные — являются носителем тока. И, в результате проведённых опытов, Холл первым в мире наглядно продемонстрировал, что электрический ток в металлах создаётся направленным движением отрицательно заряженных электронов. А до этого опыта учёные сомневались и относительно полярности зарядов-носителей тока, и относительно того, воздействует ли магнитное поле на заряженные частицы внутри проводника или на саму неподвижную структуру проводника. Прошло более столетия после экспериментов Холла, и германский физик Клаус фон Клитцинг открыл квантово-механический аналог эффекта Холла, за что и был в 1985 году удостоен Нобелевской премии по физике.
Эффект Холла.

Если через полупроводник в одном направлении пропускать постоянный ток I плотностью j,  а в другом направлении воздействовать магнитным полем B, то в третьем направлении можно измерить напряжение V, меняющееся пропорционально силе магнитного поля:

V = R · B · b · j,

где R – постоянная Холла, b – расстояние между гранями, на которых возникает измеряемое напряжение.
 





Датчики Холла.

Аналоговые датчика Холла.

Аналоговые датчики магнитного поля обеспечивают на выходе электрическое напряжение (разность потенциалов), пропорциональное величине магнитной индукции.
 

Самым известным и используемым устройством для измерения величины магнитной индукции является датчик Холла. Измерители на основе этого устройства проектируются как пробники небольших габаритов, которые могут содержать один, два или три кристалла полупроводника для измерения магнитного поля в одно-, двух- или трех- взаимно перпендикулярных направлениях. 

Датчики Холла выпускаются многими компаниями в мире, например, компанией Honeywell. В России наиболее просто можно приобрести датчик ДХК-0.5А, поэтому разработка в одном из следующих разделов простого тесламетра будет проиллюстрирована на примере этого датчика, хотя все нижеизложенное справедливо и для других датчиков.

Датчик Холла ДХК-0.5А предназначен для измерения величины магнитной индукции на основе преобразования магнитной индукции в выходное напряжение. Датчик 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 Т и номинальном управляющем токе – 70 мВ (чувствительность K = 280 мВ/Т);

  • Остаточное напряжение при номинальном управляющем токе – не более 7 м;

  • 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.
     



Датчик ДХК-0.5А является знако чувствительным, как по отношению к направлению магнитной индукции, так и по отношению к полярности управляющего тока.
 



 

Датчик ДХК-0.5А мы нашли в пятидюймовых и трехдюймовых флоппи дисководах.






Датчики Холла на плате дисковода. Схема подключения датчика Холла.
Если поднести к тыльной стороне датчика Холла северный полюс магнита, то напряжение изменяется от 0 до ~ 180 мВ (положительное), если южный - то от 0 до ~ -180 мВ (отрицательное). При использовании неодимовых магнитов, напряжение на выходе датчика Холла будет ± 300 мВ.


Цифровые датчики Холла.

Бинарные датчики Холла. DD1.2 переключается в исходное состояние и на выходе инвертора появится «1». Магнитоуправляемая микросхема (МУПС) типа К1116КП1 с от­крытым коллектором широко применялась в кнопках клави­атур некоторых ЭВМ советского производства, например, в компьютере «Квант» и в переключателях режимов работы ЭВМ «ДВК-2». При под­ключении микросхемы к источнику питания на её выходе будет «1». Когда магнит достигает зоны чувствительности МУМС, уровень сигна­ла на выходе микросхемы скачком изменяется до «О». Удаление магнита приводит к переключению схемы в ис­ходное состояние, т.е. на выходе опять появляется «1».


Приборы для физических экспериментов на датчиках Холла.


Тесламетр. Рассмотрим схему тесламетра – прибора для измерения магнитной индукции магнитного поля. Основой тесламетра является датчик Холла. Резисторы R1 и R2 служат для ограничения тока в датчике Холла до 3 мА.

Напряжение с датчика Холла подается на инверсный и прямой входы операционного усилителя через резисторы R3 и R4. Резистор R5 является резистором обратной связи. Если к датчику Холл поднести магнит северным полюсом с одной стороны, то при подаче на инвертирующий вход положительного потенциала с датчика Холла, на выходе ОУ появится отрицательный потенциал 0 – 5 В, а если поднести магнит южным полюсом, то на выходе ОУ будет положительный потенциал.

При подключении выхода ОУ к демонстрационному нуль-гальванометру с дополнительным сопротивлением для измерения напряжения до 5 В, шкала которого проградуирована в Тл, получаем прибор Тесламетр для измерения магнитной индукции магнитного поля.

Для градуировки тесламетра датчик Холла прибора помещался в катушку. Во время градуировки в катушке изменяли ток от 0 до 10 А. Магнитная индукция магнитного поля катушки вычислялась по стандартной формуле B = µ0 I N/L. Одновременно измерялось напряжение на выходе ОУ, которое было пропорционально В. В соответствии с этим проводилась градуировка демонстрационного вольтметра в Тл.


Прибор для определения полюсов магнита.


Для проверки полюсов магнита или определения полюсов немаркированного магнита можно использовать прибор, схема которого изображена на рисунке. Она состоит из датчика Холла, который подключается к входам двух операционных усилителей, которые работают в режиме компараторов. Если к датчику Холл поднести магнит северным полюсом с одной стороны, то при подаче на инвертирующий вход отрицательного потенциала с датчика Холла на вход ДА1, на выходе ДА1 появится положительный потенциал, равный напряжению питания + 5В и загорится светодиод HL1, а так как на инвертирующий вход ДА2 будет подаваться с датчика Холла положительный потенциал, то на его выходе будет отрицательный потенциал и светодиод HL2 гореть не будет.

А если к датчику Холла поднести магнит южным полюсом, то HL1 не загорится, а HL2 загорится.

Универсальный тесламетр. На операционных усилителях можно собрать универсальный прибор для определения полюсов магнитов и определения величины магнитной индукцией магнитного поля.

На ДА1 собран усилитель сигнала, поступающего с датчика Холла. На его выходе появляется разнополярное напряжение в зависимости от того, какой полюс магнита подносится к датчику Холла. С выхода усилителя разнополярное напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ ДА2 и на инвертирующий вход ОУ ДА3. Если на выходе ДА1 будет положительный потенциал, то на выходе ДА2 будет положительный потенциал и светодиод HL1 загорится. Светодиод HL2 гореть не будет, так как ОУ ДА3 инвертитует сигнал, и на его выходе будет отрицательный потенциал. Если на выходе ДА1 будет отрицательный потенциал, то загорится HL2. Так как выходы ДА2 и ДА3 соединены вместе через диоды VD1 и VD2, то на гнездах «Выход» всегда будет положительное напряжение и к ним можно подключать демонстрационный вольтметр на 5 В или вход АЦП USB микроконтроллера.




Измерение массы и силы

Для измерения массы и веса тела можно исполь­зовать вышеописанный датчик Холла. Прибор для этой цели состоит из плоской коробочки, на дне которой находится датчик Холла. Сверху находится стальная упругая пластинка, к которой прикреплен неодимовый магнит. При помещении на упругую пластинку тела, вес которого нужно определить, расстояние между магнитом и датчиком Холла уменьшается, следовательно, напряжение на выходе датчика Холла увеличивается. Для увеличения выходного напряжения до 5 В датчик Холла подключен к усилителю, выполненным на ОУ.





Экспериментальные установки для проверки законов кинематики и динамики.


С помощью датчика Холла можно автоматизировать эксперимент по кинематике и динамике.


Прибор по кинематике и динамике : можно определять ускорение, конечную и сред­нюю скорости тела при равноускоренном движе­нии; исследовать зависи­мость ускорения от мас­сы тела, от приложенной к телу силы; исследовать движение связанных тел. Модернизация заключа­ется в том, что к одно­му концу прибора привинчивается электромагнит (на рисунке слева), а на стол на подставке ставится кнопка. При запуске программы таймер ПК запоминает текущее время и обесточивает электромагнит. Тележка начинает дви­гаться по монорельсу и, когда она нижним высту­пом нажимает на кнопку, на вход LPT-порта ПК поступает «О». Таймер запоминает новое текущее время, программа по разности времён определяет время движения тележки и по формулам вычисляет все необходимые величины.




Машина Атвуда: можно определять и исследовать то же самое, что и в предыдущем случае, плюс ускорение свободного падения. Никакой модернизации са­мой машины Атвуда не требуется. Роль кнопки выполняет датчик Холла.


Вращающийся диск. Диск можно взять из набора для вращательного движения или (вместе с опорным подшипником) из старого про­игрывателя. Снизу к диску приклеива­ют магнит, а на подставке устанавливают датчик Холла. При прохождении магнита около датчика Холла, на его выходе появляется напряжение, которое усиливается усилителем датчика Холла УДХ. При вращении диска на выходе усилителя появляется серия импульсов. Ее направляют на преобразователь «частота-напряжение». С выхода преобразователя напряжение 0 – 5 В подают на демонстрационный вольтметр, шкала




которого проградуирована в единицах частоты вращения или угловой скорости. Для вывода информации на экран ПК напряжение подают на вход USB микроконтроллера.


Анемометр .Для измерения скорости ветра применяют различные типы анемометров,

чаще всего чашечный. Ча­шечки можно сделать из шариков от на­стольного тенниса или из футляра «Киндер-сюрприза». Для этого надо взять два шарика, разрезать их пополам, скрепить попарно с помощью спиц, а середины спиц закрепить на оси вращения. В остальном конструкция практически полностью по­вторяет предыдущую. С выхода преобразователя напряжение 0 – 5 В подают на демонстрационный вольтметр, шкала которого проградуирована в единицах скорости. Для вывода информации на экран ПК напряжение подают на вход USB микроконтроллера.

Выводы


Данная работа не имеет аналогов в школьном и вузовском демонстрационном и лабораторном экспериментах. Приборы на датчиках Холла позволяют учителю на уроках, а школьникам на лабораторных работах и работах по физическому практикуму определять полюса магнитов, измерять магнитную индукцию постоянного магнитного поля.

Использование тензодатчиков в физических экспериментах позволяет визуализировать демонстрационные эксперименты по механике, молекулярной физике, термодинамике и электромагнетизму.

Для повышения мотивации школьников к изучению физики в этой работе предусмотрено подключение приборов с датчиками Холла к демонстрационным вольтметрам, входящим в оборудование школьных кабинетов физики и к компьютеру с выводом информации на большой экран с использованием видеопроектора.





Список литературы :


  1. Мякишев, Г. Я. Физика. Электродинамика. 10 класс / М. : Дрофа, 2005.

  2. Меерсон, А. М. Радиоизмерительная техника / Л. : Энергия, 1978.

  3. Пигалицын, Л. В. Школьный компьютерный физический эксперимент / Дзержинск: Восток-Запад, 2009.






Похожие:

Датчики Холла и их применение в физическом эксперименте iconДокументы
1. /Кобус А.Датчики Холла и магниторезисторы. 1971.djvu
Датчики Холла и их применение в физическом эксперименте iconДокументы
1. /Кобус А. Тушинский Я. Датчики Холла и магниторезисторы. 1971.djvu
Датчики Холла и их применение в физическом эксперименте iconДокументы
1. /Виглеб Г. Датчики.Устройство и применение.1989.djvu
Датчики Холла и их применение в физическом эксперименте iconДатчики ионизирующего излучения Общие сведения и терминология
В комплекте с измерительными блоками датчики образуют приборы для измерения ионизирующих излучений (спектрометры, радиометры, дозиметры...
Датчики Холла и их применение в физическом эксперименте iconПрактическое применение
Практическое применение экономических знаний при изучении предмета материальные технологии
Датчики Холла и их применение в физическом эксперименте iconЗадача №1. В эксперименте были получены некоторые данные. Построить график зависимостей по этим данным в программе mcad. Вариант 1, 1 23
В эксперименте были получены некоторые данные. Построить график зависимостей по этим данным в программе mcad
Датчики Холла и их применение в физическом эксперименте iconДокументы
...
Датчики Холла и их применение в физическом эксперименте iconДокументы
1. /Современные технологии в физическом образовании(В).doc
Датчики Холла и их применение в физическом эксперименте iconДокументы
1. /приказ участие в эксперименте.doc
Датчики Холла и их применение в физическом эксперименте iconДокументы
1. /изменения приказ участие в эксперименте.doc
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов