靜電場電力線與等位線繪制.doc

實驗一 靜電場電力線與等位線繪制一、實驗?zāi)康?、掌握電場中電場線的測量方法；2、掌握電場中等位線的描繪方法。二、 實驗設(shè)備1. DZ-2型電場描繪儀器1臺2. 雙層探針1個3. 兩點電荷水槽電極 1個4. 同軸柱面水槽電極 1塊5. 聚焦電場水槽電極 1塊三、實驗原理在一些電子器件和設(shè)備中，有時需知道其中的電場分布，一般都通過實驗的方法來確定。直接測量電場有很大的困難，所以實驗時常采用一種物理實驗的方法模擬法，即仿造一個電場 ( 模擬場 ) 與原電場完全一樣。當(dāng)用探針去測模擬場時，也不受干擾，因此可間接地測出被模擬的電場中各點的電位，連接各等電位點作出等位線。根據(jù)電力 線與等位線的垂直關(guān)系，描繪出電力線，即可形象地了解電場情況，加深電場強度、電位和電位差概念的理解。1 兩點電荷的電場分布由圖1.1所示，兩點電荷A、B各帶等量異號電荷，其上分別為+V和-V，由于對稱性，等電位面也是對稱分布的，電場分布圖見圖1。_+圖1.1 兩點電荷的電場分布r Vr+_B圖1.2 同軸柱面的電場分布 做實驗時，是以導(dǎo)電率很好的自來水，填充在水槽電極的兩極之間。若在兩電極上加一定的電壓，可以測出自來水中兩點電荷的電場分布。與長平行導(dǎo)線的電場分布相同。2 同軸柱面的電場分布由圖1.2所示，因環(huán)B的中心放一點電荷A，分別加+V和-V，由于對稱性，等位面都是同心圓，電場分布的圖形見圖1.2。如圖 1.2 所示，設(shè)小圓的電位為Va半徑為a，大圓的電位為Vb，半徑為b，則電場中距離軸心為r處的電位Vr可表示為： （1）又根據(jù)高斯定理，則圓柱內(nèi)r點的場強E=K/r （當(dāng)a r b時） （2）式中K由圓柱的線電荷密度決定。將（2）式代入（1）式 （3）在r=b處應(yīng)有：所以 （4）如果取，將（4）式代入（3）式，得到： （5）為了計算方便，上式也可寫作： （6）3 聚焦電極的電場分布示波管的聚焦電場是由第一聚焦電極A2和第二加速電極A2組成，A2的電位比A1的電位高。電子經(jīng)過此電場時，由于受到電場力的作用，使電子聚焦和加速。做模擬實驗時，將圖1.3所示的兩級電極固定在水槽內(nèi)，并在兩電極上加適當(dāng)?shù)碾妷海隳艿玫綀D1.3所示的電場分布。圖1.3 聚焦電極的電場分布當(dāng)電極接上交流電上，產(chǎn)生交流電場中的瞬時值是隨時間變化的，但交流電壓的有效值與直流電壓是等效的。所以在交流電場中用交流毫伏表測量有效值的等位線與在直流電場中測量同值的等位線，其效果和位置完全相同。四、 實驗電路圖按照圖1.4連成分壓電路，E可取AC-12靜電場描繪電源或其它交流電源，經(jīng)R滑線變阻器分壓為實驗所需要的兩電荷之間的電壓值。V表可用交流毫伏表（晶體管毫伏表），真空管繁用表或MF30萬用表的10V擋，分別測給各電極的電場中的等電位點。五、 實驗步驟1. 兩點電荷的電場分布使用DZ-2型靜電場描繪儀的兩點電荷水槽電極，參考圖1.4實驗電路圖連線，晶體管毫伏表10V量程，及探針聯(lián)合使用，調(diào)節(jié)分壓器使工作電壓為10V，然后分別測出其等位點。2. 同軸柱面的電場分布更換DZ-2型電場描繪儀的同軸柱麗水槽電極，參考圖1.4進(jìn)行實驗，既可定性描繪，也可定量計算。3. 聚焦電極的電場分布更換聚焦電場的水槽電極進(jìn)行實驗，可了解靜電透鏡的聚焦作用，加深對陰級射線示波管的理解。_K EV-R+ 圖1.4 實驗電路六、儀器特點1. 采用雙層式結(jié)構(gòu)，便于記錄各組的等電位點。2. 用自來水作為導(dǎo)電解質(zhì)，自來水可多次實驗，節(jié)省實驗經(jīng)費。3. 儀器直觀性強、調(diào)整和更換電極方便。4.，探針經(jīng)過特殊加工實驗效果較佳。5. 自來水的導(dǎo)電率各向均勻，數(shù)據(jù)重復(fù)性好，電場分布圖形規(guī)范七、注意事項1. 水槽由有機玻璃制成，使用時注意不要摔裂。2. 電極與銅導(dǎo)線保持良好接觸，實驗完后，將水槽中的自來水倒凈空干。實驗二 靜磁場磁感應(yīng)強度線繪制一、實驗?zāi)康?、掌握靜磁場磁感應(yīng)強度的測量方法和原理；2、掌握磁感應(yīng)強度線的繪制。二、實驗設(shè)備HLZ-5螺線管磁場測試儀。裝置結(jié)構(gòu)如下：2143 7 6 5圖2.21、螺線管 2、霍爾元件 3、垂直移動尺 4、水平移動尺5、勵磁電流換向開關(guān) 6、霍爾電壓換向開關(guān) 7、工作電流換向開關(guān)三、實驗原理1. 霍爾效應(yīng)把半導(dǎo)體薄片放在磁場中 , 并使薄片平面垂直于磁場方向 , 如圖2.1(a), 若在縱向4、3通以電流I , 那么在橫向 2 、 1 兩端間出現(xiàn)電位差 , 這種現(xiàn)象叫做 霍爾效應(yīng) 。出現(xiàn)的電位差叫做霍爾電壓 VH。（a）中載流子為正（b）中載流子為負(fù)圖2.1載流子的類型由這種霍爾電壓的極性來判斷。如果 1 端面的電位比 2 端面的電位高 , 則載流子為空穴 , 相當(dāng)于帶正電的粒子 , 如圖 2.1(a)； 如果 1 端面的電位比 2 端面的電 位低 , 則載流子為電子 , 帶負(fù)電 , 如圖2.1(b) 。實驗證明 , 在金屬中的載流子為電子。 霍爾電位差的出現(xiàn)是由于電流 I 沿 4 、 3 方向通過薄片時 , 薄片內(nèi)定向移動的載流子要受到洛侖磁力島的作用而偏轉(zhuǎn)。 (1)式中 e 、 Vd 分別是載流子的電量和移動速度 ,B 是磁感應(yīng)強度。載流子偏轉(zhuǎn)的結(jié)果使電荷在橫向的 l 、2 兩端面積累而形成靜電場 E, 這個電場作用在電荷上的電場力為fE。 (2)其方向與馬相反。開始時 , fE比 fB 小 , 電荷繼續(xù)在 1 、 2 兩端面上積累。隨著積累的電荷不斷增多 ,也不斷增大 , 最后達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)。即 (3)實驗證明 , 霍爾電壓與磁感應(yīng)強度及工作電流成正比 , 即 (4)上式中 KH 稱霍爾元件的靈敏度 , 它的大小與薄片材料的性質(zhì)以及薄片的尺寸有關(guān)。對一定的半導(dǎo)體 KH是一常數(shù) , 可用實驗方法測定。它表示霍爾元件在單位磁感應(yīng)強度和單位工作電流時霍爾電壓的大小 , 其單位是：mV/(mA T) 或 V/(A T) 。 實驗所用的半導(dǎo)體霍爾元件長 4.0mm, 寬 2.0mm, 厚 0.2mm 。在長邊兩端 3 、 4 的 引線為工作電流引線 ( 用紅色標(biāo)記 ): 短邊兩端 l 、 2 的引線為霍爾電壓引線 ( 用綠色標(biāo)記 ) ?，F(xiàn)將霍爾元件封裝在有機玻璃管內(nèi) , 并粘裝在鍍絡(luò)的銅管的一端 , 做成一個測量磁場的探頭。2. 霍爾電壓上式是在作了一些假定的理想情況下得到的霍爾電壓 , 實際上測得的并不僅僅是 VH, 還包括其它因素引起的附加電壓 , 因而計算出的磁感應(yīng)強度有誤差。引起誤差的附 加電壓包報以下兩種：(1) 不等位電壓 ：由于霍爾元件材料本身的不均勻或 1 、 2 兩面的焊接點不在同一等位面上 , 在有工作電流時 , 無磁場的情況下 ,1 、 2 兩面之間也有電位差 V0 存在。 V0稱為不等位電壓 , 其正負(fù)與工作電流 I 的方向有關(guān)。(2) 能斯脫效應(yīng)、厄廷豪森效應(yīng)、里紀(jì)勒社克效應(yīng)等 , 由于霍爾元件的電極接觸電阻不同 , 就會產(chǎn)生不同的焦耳熱而產(chǎn)生的電位差等。 綜合以上情況 , 為了消除這些附加電壓 , 采取以下措施：通過改變工作電流及勵磁電流 ( 磁場 ) 方向 , 組成四種狀態(tài)測出四個電壓值：V1，V2 ，V3 ，V4 ，取其絕對值后 , 用下式VH = 1/4(V1+V2 +V3 +V4)來求出霍爾電壓。3. 螺線管內(nèi)外的磁感應(yīng)強度 Ba. 理論值計算公式螺線管是用一根長導(dǎo)線繞成密集排列的螺線圈組成的。對于密繞的螺線管來說 , 可 近似地看成一系列圓線圈排列起來的。螺線管的長度比螺線管線圈的直徑大得多。其半徑為 R, 長度為 L, 單位長度的線圈匝數(shù)為 n, 并取螺線管的軸線為X軸。 (1) 螺線管內(nèi)部的磁感應(yīng)強度 B, 其軸線上的中心區(qū)域是一個均勻磁場 , (5)式中0 為真空磁導(dǎo)率等于 4 X10-7 韋伯 / 安培米；I0 為螺線管線圈的勵磁電流 ,單位為安培。當(dāng)螺線管平均直徑 D 不遠(yuǎn)小于長度 L 時 , 則中部的 B0 值為 (6) (2) 螺線管兩端口的磁感應(yīng)強度 B 為中部磁感應(yīng)強度的一半。(3) 螺線管外部的磁感應(yīng)強度 B 在理論上為零 : 實際上在螺線管管外部 B 很弱 , 當(dāng)趨于中央部分時 , 磁感應(yīng)強度 B 很快趨近于零。b. 測量磁感應(yīng)強度 B確定霍爾片在螺線管內(nèi)軸線上某位置 , 測出 VH 值 , 可通過下式計算出該點的 B 值 (7)當(dāng)霍爾元件的靈敏度 KH 一經(jīng)確定 , 就可利用(7) 式計算出磁感應(yīng)強度大小 , 式中 VH 用 UJ31 型電位差計或高阻抗的數(shù)字 mv 表測得 , 工作電流I用 20mA 的直流毫安表測得。用WYH-3 盲流穩(wěn)壓電源提供三路電源。四、實驗內(nèi)容1. 判斷半導(dǎo)體載流子的類型根據(jù)圖2.1進(jìn)行判斷 , 由通電螺線管的電流流向確定磁場 B 的方向 , 再根據(jù)工作電流由 4 到 3 或 3 到 4 的方向 , 及電位差計或數(shù)字mv表確定霍爾電壓在 l 或 2 的正負(fù) , 即 可判斷出半導(dǎo)體霍爾元件的載流子類型。2. 測定螺線管內(nèi)部的磁感應(yīng)強度調(diào)節(jié)工作電流I=10.0mA, 勵磁電流=1.00A, 調(diào)節(jié)水平移動尺 , 再按順序?qū)、B換向 , 使霍爾元件在螺線管內(nèi)部的確定位置測出，V2 ，V3 ，V4，求出VH , 算出對應(yīng)的 B 值。 計算出管口及管內(nèi)軸線上各點的磁感應(yīng)強度。 例：填表X(cm)(mv)B(x10-3T)B/ B0然后畫出螺線管內(nèi)部磁感應(yīng)強度分布曲線 , 并與理論計算比較。3. 將霍爾元件調(diào)出螺線管 , 再調(diào)節(jié)垂直移動尺 , 使霍爾元件移動到螺線管外部的上方 , 相應(yīng)調(diào)節(jié)水平移動尺 , 測出各點的磁感應(yīng)強度。4. 研究霍爾元件的工作電流和霍爾電壓的關(guān)系。五、技術(shù)參數(shù)適用電源直流 30V 、 lk6V 、 05A螺線管長度 L280 土 l mm螺線管內(nèi)徑 d14.00mm螺線管外徑 D36mmD=25mm螺線管匝數(shù) N2770 士 30匝(2800匝)螺線管內(nèi)阻4.6 0.l霍爾元件尺寸420.2mm3工作