Магнитоэлектрические преобразователи

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 ZrxM1-xZn2 (где М – это Ti, Y, Nb или Hf, 0 £ x £1), Au4V, Sc3In 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 обнаружен также в аморфных (метастабильных) металлических сплавах и соединениях, аморфных полупроводниках, в обычных органических и неорганических стеклах, халькогенидах (сульфидах, селенидах, теллуридах) и т.п. К известным неметаллическим ферромагнетикам относятся, например, ионные соединения типа La1-x CaxMnO5(0,4 > x > 0,2), EuO, Eu2SiO4, 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: