Порядок виконання роботи. 1. Підключити джерело струму до поздовжніх холлівських електродів

1. Підключити джерело струму до поздовжніх холлівських електродів, запропонованого викладачем перетворювача. Поперечні холлівськи контакти підключити до вольтметра та ввести перетворювач Холла у магнітне поле.

1.1 Подати на поздовжні контакти перетворювача струм І₁ і виміряти значення ЕРС.

1.2 Змінюючи магнітне поле за допомогою блоку живлення, побудувати залежність U(B) при І₁=const.

1.3 Змінюючи струм І₁ на поздовжніх електродах та повторюючи пункти 1.1 і 1.2, отримати три залежності U(B).

2. Підключивши джерело струму І₁ до поперечних контактів, а вольтметр - до поздовжніх, визначити значення ЕРС та провести послідовно вимірювання аналогічно пунктам 1.1, 1.2, 1.3.

3. Зробити висновки щодо використання перетворювачів Холла як сенсорів магнітного поля.

Зміст звіту

1. Номер, назва та мета роботи.

2. Короткі теоретичні відомості. Принципова схема вимірювань.

3. Робоча таблиця з результатами вимірювань.

4. Побудовані залежності U(B).

5. Висновки з роботи.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. В чому полягає ефект Холла?

2. Конструкція та принцип роботи датчика Холла.

3. Недоліки та переваги сенсорів магнітного поля на ефекті Холла.

4. При якому підключенні живлення до перетворювача Холла (поздовжньому чи поперечному) чутливість сенсору буде більшою?

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Мікроелектронні сенсори фізичних величин: Науково-навчальне видання. В 3 томах. Т.1/ За ред. З.Ю. Готри. – Львів: Ліга-Прес, 2003. - 595 с.

2. А. Кобус, Я. Тушинский. Датчики Холла и магниторезисторы. Пер. с польск. – Москва: Энергия, 1971. – 352 с.

Лабораторна робота 2

Одержання тонкоплівкового сенсора температури

Мета роботи–Одержати тонкоплівковий сенсор температури (термопару) та проградуювати її.

Елементи теорії. Температура впливає на перебіг більшість процесів і явищ, що відбувають у природі, здійснюються в лабораторіях і на промислових підприємствах. У зв'язку з цим, вимірювання температури має велике практичне значення. Для її вимірювання звичайно використовують сенсорні пристрої, які отримали назву термометрів.

Термометрами називаються вимірювальні засоби, вхідною (вимірюваною) величиною яких є температура, а вихідною (вихідним сигналом) будь-яка величина, яка однозначно залежить від температури. Найпростіше вимірювати електричні величини, крім того їх вимірювання можна проводити дистанційно, саме тому серед термометричних сенсорів електричні займають гідне місце. Проміж електричних термометрів найбільшого поширення в лабораторіях і промисловості набули термоелектричні термометри, оскільки вони дозволяють вирішувати задачу вимірювання температури достатньо простими засобами.

Рисунок 1 – Замкнуте електричне коло з двох різнорідних металів, спаї яких мають неоднакову температуру

Провідники, що утворюють спаї називають термоелектродами, а сам пристрій – термопарою. Один з спаїв, що розміщують в середовищі, температура якого вимірюється, є робочим кінцем термопари, а другий, що знаходиться при постійній температурі, є вільним кінцем термопари. Як правило вільній спай термопари підтримують при температурі 0 °С. Важливим є те, що термоелектричний контур можна розімкнути у будь-якому місці і включити в нього один або декілька однакових чи різнорідних провідників. Якщо їх місця з'єднання знаходяться при однаковій температурі то паразитної термоелектрорушійної сили (ЕРС) не виникає. Це дозволяє, наприклад, подовжувати вільні кінці термопари за допомогою матеріалів, що мають добру провідність.

Термоелектрорушійна сила, що виникає у контакті двох металів (скорочено термо-ЕРС) обумовлена трьома причинами:

1) залежністю рівня Фермі від температури;

2) дифузією електронів;

3) захопленням електронів фононами.

Положення рівня Фермі у металі залежить від його температури. Тому стрибок потенціалу при переході з одного металу в іншій (тобто внутрішня контактна різниця потенціалів) для спаїв, що знаходяться при різних температурах, неоднаковий. Відповідно сума стрибків потенціалу відмінна від нуля. Одного цього достатньо для виникнення ЕРС в електричному колі (рис. 1).

Щоб зрозуміти другу причину виникнення термо-ЕРС, розглянемо однорідний металевий провідник, уздовж якого створено градієнт температури dT/dl (рис. 2).

Рисунок 2 – Дифузія електронів уздовж неоднорідного нагрітого стрижня. Верхня стрілка вказує напрям дифузії швидших електронів, нижня стрілка - напрям дифузії повільніших електронів

В цьому випадку концентрація електронів з енергією, що більша ніж енергія Фермі у нагрітого кінця буде більшою, ніж у холодного; концентрація ж електронів з енергією, що менша ніж енергія Фермі буде, навпаки, у нагрітого кінця меншою. В результаті вздовж провідника виникає градієнт концентрації електронів з заданим значенням енергії. Це спричиняє дифузію швидших електронів до холодного кінця, а повільніших – до гарячого. При цьому дифузійний потік швидких електронів буде більший, ніж потік повільних електронів. Тому поблизу холодного кінця утворюється надлишок електронів, а поблизу теплого – їх нестача. Це приводить до виникнення дифузійного доданку термо-ЕРС.

Третя причина виникнення термо-ЕРС полягає в захопленні електронів фононами. За наявності градієнта температури вздовж провідника виникає дрейф фононів. Стикаючись з електронами, фонони надають їм направлений рух від більш нагрітого кінця провідника до менш нагрітого. В результаті відбувається накопичення електронів на холодному кінці і збіднення електронами гарячого кінця. Це приводить до виникнення «фононного» доданку термо-ЕРС.

Обидва процеси – дифузія електронів і захоплення електронів фононами – приводять до утворення надлишку електронів поблизу холодного кінця провідника і нестачі їх поблизу гарячого кінця. В результаті всередині провідника виникає стороннє (неелектростатичне) поле Е_ст*, направлене назустріч градієнту температури.

Термо-ЕРС, що виникає у електричному колі (рис. 1) яке складається з двох провідників можна представити у вигляді

. (1)

Величину називають диференціальною або питомою термоелектрорушійною силою даної пари матеріалів. Для більшості пар металів має порядок 10^-5-10^-4 В/К, в той час як для напівпровідників вона може сягати значно більших значень (до 1,5 10^-3 В/К).

В окремих випадках питома термо-ЕРС слабо залежить від температури. Тоді формулу (1) можна приблизно представити у вигляді

. (2)

У більшості випадків, із збільшенням різниці температур спаїв термо-ЕРС змінюється складним чином, аж до того, що вона може змінювати знак. Так, наприклад, якщо один спай пари металів залізо - мідь підтримувати при 0 °С, то при температурі другого спаю, рівній приблизно 540 °С, термо-ЕРС обертається у нуль; при нижчій температурі спаю термо-ЕРС має один знак, при вищій – інший. Для виготовлення термопар вибирають пари металів, зміна термо-ЕРС яких при зміні температури є близькою до лінійної. Про значення температури можна судити по силі виникаючого термоструму, що вимірюється гальванометром, більш точний результат можна отримати, якщо вимірювати термо-ЕРС методом компенсації. Перед вимірюванням температури термопару обов’язково градуюють.

Поиск по сайту: