Исследовательская работа по физике

Исследовательская работа по физике
Подготовлено:
Лёгких Николай Владимирович
Доцент кафедры компьютерной физики
ИЕН
Содержание
1. Введение…………………………………………….……………………….3
2. Пример исследовательского проекта «Магнитометр на основе эффекта
Холла»………………………………………….……………………….………4
3. Анализ работы и критические замечания к проекту
учащегося…………………………………………………………………...…23
4. Заключение…………………………….……………….…………………..24
2
1. Введение
В условиях ограниченного количества часов, выделяемых для изучения
школьного курса
физики, успешное освоение программы требует от
учащихся уделять много внимания самостоятельной работе над материалом.
Одной из форм внеклассной самостоятельной работы, практикуемой уже
регулярно,
является
участие
учащихся
исследовательских проектов. Темы
в
подготовке
научно-
проектов учащиеся могут
выбрать
самостоятельно с помощью учителя, либо использовать темы, предлагаемые
по месту
выполнения проекта. Как правило, проекты по физике
выполняются в
ВУЗах, академических
институтах, организациях
соответствующего профиля.
Как показывает практика, уровень выполнения проектов существенно
зависит от мотивации, подвигнувшей учащегося на выполнение проекта.
Хорошо выполненные проекты обычно принадлежат учащимся, искренне
интересующимся
тематикой задания, а
не просто
желающим
поучаствовать в конференции и « заработать очко» для рейтинга. Успешно
выполняются
проекты, когда
их руководителем является
учитель, а
непосредственный куратор от ВУЗа или другой организации представляется
как консультант. Учитель в данном случае может чаще
и регулярно
инспектировать выполнение проекта, ставить вопросы, на которые должен
отвечать ученик с помощью консультанта.
Ниже приведен вариант одного из предлагавшихся на Физическом
факультете ИЕН УрФУ проекта, анализирются его недостатки, обсуждается
меры по его улучшению.
3
Реферат представлен без
указания
фамилий
учащихся и
руководителей. В остальном оформление проекта осталось оригинальным.
***
Пример исследовательского проекта
«Магнитометр на основе эффекта Холла»
Образовательная область: естествознание
Предмет физика
ТЕМА ПРОЕКТА
Измерение индукции магнитного поля на основе эффекта Холла
Екатеринбург
2012
4
ПЛАН
1. Введение …………………………………………………………………..1
2. Методы измерения индукции магнитного поля
2.1. Веберметр……………………………………………………………..1
2.2. Вибрационные магнитометры…………………………………...1
2.3. Квантовые магнитометры…………………………………….2
2.4. ЯМР- магнитометры………………………………………3
2.5. Холловские магнитометры……………………….......3
3. Сущность эффекта Холла. Сила Лоренца………………………………4-5
4. Измеритель индукции магнитного поля на основе эффекта Холла…..5-7
5. Измерение индукции магнитного поля Земли в лаборатории………..8
6. Заключение………………………………………………………………..9
7. Список литературы
5
1.Введение
В связи с широким использованием достижений магнетизма одной из
насущных задач стало измерение индукции магнитного поля. В своем
проекте мы поставили цель – рассмотреть существующие методы измерения
этой величины,подробно рассмотреть эффект Холла и изготовить устройство
– измеритель индукции магнитного поля на основе эффекта Холла.
2.Методы измерения индукции магнитного поля.
2.1.Веберметр
Существуют различные методы измерения индукции магнитного поля.
Старейшим из них является веберметр (флюксметр). Метод
основан на
измерении величины магнитного потока в контуре, удаляемом из магнитного
поля. Веберметр в основном используется для измерения индукции в
механических зазорах. Ошибка измерения данного метода определяется
величиной контура и областью неоднородности магнитного поля.
2.2. Вибрационные магнитометры
6
Также
существуют
вибрационные
магнитометры,
они
основаны
на
изменении положении катушки в измеряемом поле. Применяются в
основном в синхронных двигателях.
2.3. Квантовые магнитометры
Во второй половине XX века появились квантовые магнитометры,
основанные на эффекте оптической ориентации атомов, состоящей из
изменения
намагниченности
вещества
при
освещении
его
светом
резонансной частоты и поляризации.
Рассмотрим простейшую схему с тремя энергетическими уровнями (рис.2).
А,В – подуровни основного состояния( например, отвечающие проекциям
ms=+ - ½), C – нижний уровень возбужденного состояния. Разность энергий
между уровнями А и В соответствует радиочастотному кванту, а переходы
АB – квантом оптического диапазона.
Предположим, что мы облучаем ансамбль атомов светом резонансной
частоты VAC ( переход ВС запрещен, хотя спектр частот падающего света
достаточно широк ). В этом случае атомы, поглотившие свет переходят из
состояния А в состояние С, откуда спустя время t~108 cек. Релаксируют в
7
состояние А и В. Количество атомов, попадающих в каждое состояние,
зависит от конкретных свойств системы и механизма релаксации, но
существенно, что время от времени какой-то атом попадает в состояние В и
его уже нельзя возбудить падающим светом частоты VAC.
Если атом релаксирует в состояние А, то свет снова «поднимает» его
состояние С, откуда он с определенной вероятностью может попасть в
состояние В. После определенного интервала времени может наступить
такой момент , когда все атомы окажутся в состояние В ( если А и В
отвечают различным проекциям момента, то это будет означать полную
ориентацию моментов атома).
2.4. ЯМР- магнитометры
Существуют магнитометры на основе ядерного магнитного резонанса
(ЯМР). Магнитный резонанс заключается в резком возрастании уровня
поглощаемой мощности в контуре.
выполнения равенства
коэффициент,
определяемый
Эффект выполняется при условии
, где B – индукция магнитного поля, а
фундаментальными
–
характеристиками
резонирующих ядерных магнитных моментов, в данном случае, протонов.
Одной из таких характеристик является гиромагнитное отношение моментов
, равное отношению магнитного момента частицы к механическому
моменту. Также в коэффициенте содержится постоянная Планка. Значения
коэффициента для большинства ядер затабулированы. f- частота,
8
возбуждаемая в контуре с образцом, содержащим частицы с магнитным
моментом. Чаще всего таким частицами являются ядра водорода – протоны.
На практике в качестве образцов используют чистую воду. Резонансная
частота, при которой возникает эффект измеряется частотомером.
Таким образом, зная значения коэффициента и частоты, мы можем с высокой
точностью определять значение магнитной индукции.
2.5.Холловские магнитометры
Уже
длительное
время
для
измерения
индукции
магнитного
поля
используются измерители на основе эффекта Холла. Преимуществом
холловских
измерителей являются габариты (1х1х1 мм), возможность
измерения индукции магнитных полей от малых (доли Гаусса), до больших
(несколько ед. Тесла). Также измерители могут быть легко использованы в
интегральных технологиях.
3. Сущность эффекта Холла.
Измерение индукции магнитного поля.
Эффект Холла основан на возникновении ЭДС в полупроводниковых
кристаллах, при пропускании через них постоянного тока.
Наблюдение за эффектом Холла показано на рисунке 3.
9
Эффект связан с концентрацией носителей заряда около одной из граней
кристалла, которая обусловлена наличием силы Лоренца. Сила Лоренца
определяется по формуле
. Отсюда видно, что сила
Лоренца перпендикулярна как вектору V, так и вектору B. Под действием
силы Лоренца частица тока, движущаяся со скоростью V, начинает
отклоняться в плоскости, перпендикулярной B, в сторону одной из граней.
Действие силы Лоренца представлено на рисунке 1.
В связи с разделением заряда и возникает ЭДС Холла. Абсолютная величина
ЭДС Холла может меняться от образцов кристаллов, величины индукции
магнитного поля и пропускаемого тока. Связь между этими элементами
характеризуется следующей формулой:
, где E- ЭДС Холла, n-
концентрация носителей, e- заряд частиц, j- плотность тока, B – индукция
магнитного поля. Коэффициент пропорциональности
константой
Холла.
Ее
измерение
имеет
большое
называют
значение
для
экспериментального измерения концентрации носителей зарядов.
В случае, если образец имеет намагниченность, то при пропускании через
образец тока мы будем видеть ЭДС Холла без помещения в магнитное поле.
Такой эффект называется аномальным.
В сильных полях(10 Тесла) имеет место быть квантовый эффект Холла.
10
4. Измеритель индукции магнитного поля
на основе эффекта Холла.
Информация о величине индукции магнитного поля при использовании
эффекта
Холла
снимается
в
виде
разности
потенциалов
между
соответствующими выводами полупроводникового кристалла, через который
пропущен стабилизированный ток. Величина холловского напряжения
невелика, в малых полях эта величина сравнима с напряжением шумов.
Поэтому для использования сигнал необходимо усилить. Чтобы отделить
полезный сигнал от шумового используют модуляцию
на определенной
частоте, с тем, чтобы усиление производилось на частоте модуляции, с
последующим восстановлением сигнала. При этом получается, что полезный
сигнал усилен в большей степени, чем шумовой. В результате мы получаем
приемлемое для измерения холловское напряжение. Подобные устройства
требуют калибровки с помощью других магнитометров (например – ЯМР).
Поскольку холловские кристаллы имеют миниатюрные размеры, то создание
токовых и холловских контактов представляет собой непростую задачу.
Поэтому для широкого круга пользователей будет удобнее использовать
полученные в заводских условиях холловские датчики, оформленные в виде
интегральной микросхемы с выводами, оснащенной вспомогательными
узлами.
Для изготовления прибора мы использовали фирменную микросборку марки
AD22151.
Её схему можно увидеть на рисунке 6.
11
Эта микросхема предназначена для широкого круга устройств. Кроме
кристалла Холла датчик содержит устройство модуляции, восстановления и
дальнейшего усиления.
Помимо этого микросборка содержит датчик температур, который может
быть использован в широком диапазоне. По информации, полученной от
производителя составные части подобраны так, чтобы минимизировать
механические напряжения, возникающие при изменении температуры. Для
того, чтобы с помощью этой сборки мерять холловское напряжение, мы
должны к соответствующим контактам подвести стабилизированный ток.
Магниточувствительные микросхемы AD22151.
Более совершенными образцами современных магниточувствительных
микросхем признаны МЧМС типа AD22151, выпускаемые фирмой Analog
Devices.
Эти
микросхемы
высокочувствительных
предназначены
прецизионных
для
использования
магнитометрах
и
в
аналоговых
магнитных датчиках различного назначения.
Функциональная схема МЧМС типа AD22151, приведенная на рис. 4,
представляет
собой
высококачественного
влияния
сочетание
интегрального
инструментального
нестабильности
холловского
элемента
усилителя.
остаточного
Для
Холла
и
уменьшения
напряжения
Uo
предусмотрена модуляция сигнала с ЭХ с последующей его демодуляцией.
Кроме того, микросхема имеет встроенный датчик температуры.
12
Схемотехника
AD22151
позволяет
производить
регулировку
чувствительности, установку напряжения смещения на выходе и настройку
схемы термостабилизации параметров при помощи внешних двух или трех
резисторов.
Микросхемы отличаются высокой магнитной
хорошей
линейностью
характеристики
чувствительностью Su
преобразования
и
термостабильностью основных параметров в широком диапазоне температур.
Схема
построена
коэффициент
так,
усиления.
чтобы
Эта
по
желанию
процедура
пользователя
осуществляется
с
подобрать
помощью
присоединения сопротивлений к соответствующим выводам. Некоторым
неудобством для нас является то, что показания снимаются на фоне
паразитного напряжения. Чтобы исключить его из результата была
использована мостовая схема. На одну из диагоналей моста подавалось
полезное и паразитное напряжения, с другого плеча моста паразитное
уравнивается, а полезное снимается с диагонали моста. Это напряжение
снимается цифровым вольтметром, или, после дополнительного усиления
аналоговым.
Смотреть рисунок 5.
5. Измерение индукции магнитного поля Земли в лаборатории
Изготовленный нами измеритель имеет чувствительность 10mV/Гаусс. Эта
чувствительность и сопротивления позволяют использовать датчик в
комнатной температуре.
А) Микросхема прибора рисунок 6
13
Б) Стабилизатор напряжения рисунок 7
В) Весь прибор рисунок 8
Как показали измерения при помощи цифрового вольтметр,
индукция
магнитного поля в районе Шарташского рынка равна 0,5 Гаусса. Эта
величина соразмерна данным, полученным из других источников.
Заключение
Изучив литературы по вопросу измерения индукции магнитного поля и
приняв участие в разработке и сборке прибора для измерения индукции
магнитного поля на основе эффекта Холла, мы можем сделать вывод, что
прибор показал эффективность использования эффекта Холла для измерения
индукции магнитного поля.
Список литературы
1. Н.В.Легких. Специальный физический практикум по
радиоспектроскопии. – «УрГУ», Екатеринбург, 2006.
2. Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский. Физика 10 класс. –
«Просвещение», Москва, 2010.
14
3. О.Ф.Кабардин. Физика, справочные материалы. – «Просвещение»,
Москва, 1991.
4. Н.И.Кошкин, М.Г.Ширкевич. Справочник по элементарной физике. –
«Наука», Москва, 1988.
5. Ш.А.Горбушин. Азбука физики. - «Удмуртия», Ижевск, 1992.
Уже внешнее оформление работы показывает небрежное отношение
автора к выполнению своей работы. Что касается внутреннего
содержания, то здесь вообще проявляется поверхностный подход к
заданию.
15
Приложение
Рис. № 1
16
10
Рис.№2
17
Рис. № 3
11
18
Рис. 4- 5
19
Рис. 6
20
Рис. 7
21
Рис. 8
22
Анализ работы и критические замечания к проекту
учащегося
1.
В теоретической части в основном поверхностно, бегло
отмечен ряд приборов для измерения индукции магнитного поля.
Знаний в объеме школьного курса физики вполне хватило бы для
более подробного и детального рассмотрения принципов работы
отмеченных приборов.
2.
В практической
части не рассмотрены проблемы,
связанные с шумами при измерении малых полей, не обсуждаются
пути борьбы с шумами.
23
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленный выше проект демонстрирует отсутствие глубокого
интереса учащегося к теме проекта, и как следствие, формальное отношение
к делу. Хотя надо отметить, для выполнения работы по изготовлению
магнитометра
требуются
схемотехники. Отсутствие
определённые
подобных
навыки
работы
в области
навыков и являюсь, по-видимому,
основной трудностью для учащегося. Вместе с тем, надо
признать, что
наличие в проекте практической части, связанной с непосредственным
участием с учащегося
в физическом
эксперименте и изготовлении
устройств, приборов и т.п. существенно повышает ценность проекта.
Таким образом, можно порекомендовать
выполнение учащимися
подобных работ, содержащих экспериментальную и теоретическую часть,
способствующих как более глубокому усвоению материала, иак и
приобретению навыков экспериментальной работы, что должно облегчить
адаптацию учащегося при дальнейшем поступлении в ВУЗ.
24