Магнитоэлектрические преобразователи (стр. 2 из 2)
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: