靜電場(chǎng)電力線與等位線繪制.doc

實(shí)驗(yàn)一 靜電場(chǎng)電力線與等位線繪制一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握電場(chǎng)中電場(chǎng)線的測(cè)量方法；2、掌握電場(chǎng)中等位線的描繪方法。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備1. DZ-2型電場(chǎng)描繪儀器1臺(tái)2. 雙層探針1個(gè)3. 兩點(diǎn)電荷水槽電極 1個(gè)4. 同軸柱面水槽電極 1塊5. 聚焦電場(chǎng)水槽電極 1塊三、實(shí)驗(yàn)原理在一些電子器件和設(shè)備中，有時(shí)需知道其中的電場(chǎng)分布，一般都通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定。直接測(cè)量電場(chǎng)有很大的困難，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)常采用一種物理實(shí)驗(yàn)的方法模擬法，即仿造一個(gè)電場(chǎng) ( 模擬場(chǎng) ) 與原電場(chǎng)完全一樣。當(dāng)用探針去測(cè)模擬場(chǎng)時(shí)，也不受干擾，因此可間接地測(cè)出被模擬的電場(chǎng)中各點(diǎn)的電位，連接各等電位點(diǎn)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(chǎng)情況，加深電場(chǎng)強(qiáng)度、電位和電位差概念的理解。1 兩點(diǎn)電荷的電場(chǎng)分布由圖1.1所示，兩點(diǎn)電荷A、B各帶等量異號(hào)電荷，其上分別為+V和-V，由于對(duì)稱性，等電位面也是對(duì)稱分布的，電場(chǎng)分布圖見圖1。_+圖1.1 兩點(diǎn)電荷的電場(chǎng)分布r Vr+_B圖1.2 同軸柱面的電場(chǎng)分布 做實(shí)驗(yàn)時(shí)，是以導(dǎo)電率很好的自來(lái)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(cè)出自來(lái)水中兩點(diǎn)電荷的電場(chǎng)分布。與長(zhǎng)平行導(dǎo)線的電場(chǎng)分布相同。2 同軸柱面的電場(chǎng)分布由圖1.2所示，因環(huán)B的中心放一點(diǎn)電荷A，分別加+V和-V，由于對(duì)稱性，等位面都是同心圓，電場(chǎng)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(chǎng)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(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)E=K/r （當(dāng)a r b時(shí)） （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(jì)算方便，上式也可寫作： （6）3 聚焦電極的電場(chǎng)分布示波管的聚焦電場(chǎng)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(guò)此電場(chǎng)時(shí)，由于受到電場(chǎng)力的作用，使電子聚焦和加速。做模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，將圖1.3所示的兩級(jí)電極固定在水槽內(nèi)，并在兩電極上加適當(dāng)?shù)碾妷?，便能得到圖1.3所示的電場(chǎng)分布。圖1.3 聚焦電極的電場(chǎng)分布當(dāng)電極接上交流電上，產(chǎn)生交流電場(chǎng)中的瞬時(shí)值是隨時(shí)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(chǎng)中用交流毫伏表測(cè)量有效值的等位線與在直流電場(chǎng)中測(cè)量同值的等位線，其效果和位置完全相同。四、 實(shí)驗(yàn)電路圖按照?qǐng)D1.4連成分壓電路，E可取AC-12靜電場(chǎng)描繪電源或其它交流電源，經(jīng)R滑線變阻器分壓為實(shí)驗(yàn)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(wàn)用表的10V擋，分別測(cè)給各電極的電場(chǎng)中的等電位點(diǎn)。五、 實(shí)驗(yàn)步驟1. 兩點(diǎn)電荷的電場(chǎng)分布使用DZ-2型靜電場(chǎng)描繪儀的兩點(diǎn)電荷水槽電極，參考圖1.4實(shí)驗(yàn)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(cè)出其等位點(diǎn)。2. 同軸柱面的電場(chǎng)分布更換DZ-2型電場(chǎng)描繪儀的同軸柱麗水槽電極，參考圖1.4進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，既可定性描繪，也可定量計(jì)算。3. 聚焦電極的電場(chǎng)分布更換聚焦電場(chǎng)的水槽電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可了解靜電透鏡的聚焦作用，加深對(duì)陰級(jí)射線示波管的理解。_K EV-R+ 圖1.4 實(shí)驗(yàn)電路六、儀器特點(diǎn)1. 采用雙層式結(jié)構(gòu)，便于記錄各組的等電位點(diǎn)。2. 用自來(lái)水作為導(dǎo)電解質(zhì)，自來(lái)水可多次實(shí)驗(yàn)，節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。3. 儀器直觀性強(qiáng)、調(diào)整和更換電極方便。4.，探針經(jīng)過(guò)特殊加工實(shí)驗(yàn)效果較佳。5. 自來(lái)水的導(dǎo)電率各向均勻，數(shù)據(jù)重復(fù)性好，電場(chǎng)分布圖形規(guī)范七、注意事項(xiàng)1. 水槽由有機(jī)玻璃制成，使用時(shí)注意不要摔裂。2. 電極與銅導(dǎo)線保持良好接觸，實(shí)驗(yàn)完后，將水槽中的自來(lái)水倒凈空干。實(shí)驗(yàn)二 靜磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度線繪制一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握靜磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量方法和原理；2、掌握磁感應(yīng)強(qiáng)度線的繪制。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備HLZ-5螺線管磁場(chǎng)測(cè)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(dòng)尺 4、水平移動(dòng)尺5、勵(lì)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(shí)驗(yàn)原理1. 霍爾效應(yīng)把半導(dǎo)體薄片放在磁場(chǎng)中 , 并使薄片平面垂直于磁場(chǎng)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(lái)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(shí)驗(yàn)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(guò)薄片時(shí) , 薄片內(nèi)定向移動(dòng)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(dòng)速度 ,B 是磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng) E, 這個(gè)電場(chǎng)作用在電荷上的電場(chǎng)力為fE。 (2)其方向與馬相反。開始時(shí) , 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(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。即 (3)實(shí)驗(yàn)證明 , 霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)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(duì)一定的半導(dǎo)體 KH是一常數(shù) , 可用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。它表示霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位工作電流時(shí)霍爾電壓的大小 , 其單位是：mV/(mA T) 或 V/(A T) 。 實(shí)驗(yàn)所用的半導(dǎo)體霍爾元件長(zhǎng) 4.0mm, 寬 2.0mm, 厚 0.2mm 。在長(zhǎng)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(jī)玻璃管內(nèi) , 并粘裝在鍍絡(luò)的銅管的一端 , 做成一個(gè)測(cè)量磁場(chǎng)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(shí)際上測(cè)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(jì)算出的磁感應(yīng)強(qiáng)度有誤差。引起誤差的附 加電壓包報(bào)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(diǎn)不在同一等位面上 , 在有工作電流時(shí) , 無(wú)磁場(chǎng)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(huì)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(guò)改變工作電流及勵(lì)磁電流 ( 磁場(chǎng) ) 方向 , 組成四種狀態(tài)測(cè)出四個(gè)電壓值：V1，V2 ，V3 ，V4 ，取其絕對(duì)值后 , 用下式VH = 1/4(V1+V2 +V3 +V4)來(lái)求出霍爾電壓。3. 螺線管內(nèi)外的磁感應(yīng)強(qiáng)度 Ba. 理論值計(jì)算公式螺線管是用一根長(zhǎng)導(dǎo)線繞成密集排列的螺線圈組成的。對(duì)于密繞的螺線管來(lái)說(shuō) , 可 近似地看成一系列圓線圈排列起來(lái)的。螺線管的長(zhǎng)度比螺線管線圈的直徑大得多。其半徑為 R, 長(zhǎng)度為 L, 單位長(zhǎng)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(qiáng)度 B, 其軸線上的中心區(qū)域是一個(gè)均勻磁場(chǎng) , (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(lì)磁電流 ,單位為安培。當(dāng)螺線管平均直徑 D 不遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度 L 時(shí) , 則中部的 B0 值為 (6) (2) 螺線管兩端口的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 為中部磁感應(yīng)強(qiáng)度的一半。(3) 螺線管外部的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 在理論上為零 : 實(shí)際上在螺線管管外部 B 很弱 , 當(dāng)趨于中央部分時(shí) , 磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 很快趨近于零。b. 測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度 B確定霍爾片在螺線管內(nèi)軸線上某位置 , 測(cè)出 VH 值 , 可通過(guò)下式計(jì)算出該點(diǎn)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(jì)算出磁感應(yīng)強(qiáng)度大小 , 式中 VH 用 UJ31 型電位差計(jì)或高阻抗的數(shù)字 mv 表測(cè)得 , 工作電流I用 20mA 的直流毫安表測(cè)得。用WYH-3 盲流穩(wěn)壓電源提供三路電源。四、實(shí)驗(yàn)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(chǎng) 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(jì)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(cè)定螺線管內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)工作電流I=10.0mA, 勵(lì)磁電流=1.00A, 調(diào)節(jié)水平移動(dòng)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(cè)出，V2 ，V3 ，V4，求出VH , 算出對(duì)應(yīng)的 B 值。 計(jì)算出管口及管內(nèi)軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)度分布曲線 , 并與理論計(jì)算比較。3. 將霍爾元件調(diào)出螺線管 , 再調(diào)節(jié)垂直移動(dòng)尺 , 使霍爾元件移動(dòng)到螺線管外部的上方 , 相應(yīng)調(diào)節(jié)水平移動(dòng)尺 , 測(cè)出各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(zhǎng)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