Ph12c: Praktikum Hall-Effekt und Magnetfeldmessungen
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C:\Users\Axel Stein\Documents\Schule 2010-11\Ph 12\101206 Praktikum-Hinweise.docx STORMARNSCHULE AHRENSBURG Ph12c: Praktikum Hall-Effekt und Magnetfeldmessungen Zu jedem Versuch wird von jedem Gruppenmitglied ein Versuchsprotokoll angefertigt Material, Aufbau mit Skizze, Durchführung, Messwerte, Auswertung, Ergebnis Versuche Nr. 1 2a 2b 3 Versuch-Titel Halleffekt an einem Germanium-Halbleiter Magnetfeld im Innern einer langen Spule (von Phywe) Magnetfeld im Innern einer langen Spule (von Leybold) Magnetfeld um einen einzelnen geraden Leiter Anzahl 3x 1x 1x 2x Gruppenzusammensetzung und durchzuführende Versuche Gruppen-Nr. I II III IV V Gruppen-Mitglieder (max. 4) Vanessa, Inga, Justus Ma-La, Mariya, Ute, Josephine Anna-Lena, Magdalena, Sophie Anna-Lynn, Leonie, Laura, Pia Betty, Karolin, Janina 3. + 4. Std 1 1 2a 3 1 5. + 6. Std. 2a 3 1 1 2b Versuch 1 Halleffekt an einem Germanium-Halbleiter Materialien 1 Hallgenerator vom P-Typ oder vom N-Typ auf Grundplatte 1 Neodym-Magnet 2 Vielfachmessgeräte 1 Hallsonde mit Teslameter (bei Versuchen 2 und 3 benutzen) 1 Netzgerät Ziel Benutzen Sie die in der Vorbereitung hergeleiteten Zusammenhänge für die Abhängigkeit der Hallspannung UH von der Stromstärke Ierr, um die Hallkonstante RH (und damit die Dichte n der freien Ladungsträger) im Germanium-Halbleiter) und eine Größenordnung für die Driftgeschwindigkeit v der Ladungsträger zu ermitteln. Arbeitsanweisungen und Hinweise 1.1 1.2 2.1 2.2 Bauen Sie die Schaltung gemäß der Abbildung auf. Führen Sie den Nullabgleich mit dem Potentiometer auf der Grundplatte durch, so dass bei ausgeschaltetem Magnetfeld und einem Stromfluss durch den Halbleiter die Hallspannung UH = 0 ist. Als konstantes Magnetfeld wird ein Neodym-Magnet verwendet. Dieser wird senkrecht zur Grundplatte an den Halbleiter herangeführt. Notieren Sie den Pol des Magneten, messen Sie die Magnetfeldstärke B mit dem Teslameter und notieren Sie diesen Wert. Für alle Messungen muss der gleiche Pol verwendet werden. Führen Sie für konstantes Magnetfeld B (s. o.) eine Messreihe (I in mA – UH in mV) durch. Maximaler Strom durch den Halbleiter 50 mA. Tragen Sie die Werte in eine Messwerttabelle ein (Schema aus dem Unterricht verwenden! – Mindestens 4 Auswertungszeilen vorsehen). Überprüfen Sie die theoretisch hergeleitete Proportionalität UH ~ Ierr. Ermitteln Sie experimentell aus Ihrer Messreihe 1.2 den Werte für RH und n für den verwendeten Halbleiter. Vergleichen Sie mit den angegebenen Daten. Bestimmen Sie experimentell unter Verwendung der Messwerte von 1.2 eine Größenordnung für die Driftgeschwindigkeit v der Ladungsträger. C:\Users\Axel Stein\Documents\Schule 2010-11\Ph 12\101206 Praktikum-Hinweise.docx STORMARNSCHULE AHRENSBURG 3 4 Erläutern Sie, wie es in einem Halbleiter zu einem Stromfluss kommt und was man unter einem p- und einem n-Halbleiter versteht. Ziehen Sie dazu weitere Quellen zu Rate. Beschreiben Sie den Aufbau und die Funktionsweise eines Teslameters (unter Verwendung der im Unterricht erarbeiteten Kenntnisse). Technische Daten der Halbleiter Art Spezifischer Widerstand Maximaler Steuerstrom Hallkonstante Trägerkonzentration Abmessungen Abgleichpotentiometer N-Typ 4-7 Ωm 50 mA 1,56 – 2,72 · 10-2 m3/As 4 – 2,3 1020 Atome/m3 10 x 5 x 1mm bzw. 2 x 1 x 0,1 cm (siehe Aufdruck) 10 kΩ Versuch 1 Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3 P-Typ 3,4 – 5,2 Ωm 50 mA 0,7 – 1,04 · 10-2 m3/As 9 – 6 1020 Atome/m3 10 x 5 x 1mm bzw. 2 x 1 x 0,1 cm (siehe Aufdruck) 10 kΩ C:\Users\Axel Stein\Documents\Schule 2010-11\Ph 12\101206 Praktikum-Hinweise.docx STORMARNSCHULE AHRENSBURG Versuch 2a Magnetfeld im Innern einer langen Spule (Phywe) Materialien 5 Spulen mit n = 140, 300, 600, 900, 1200 Windungen 1 Teslameter (MESURA) mit tangentialer Hallsonde 1 Lineal 1 Netzgerät (EA-PS 2000) 0…5 A mit eingebauter Stromstärkenanzeige Ziel Es sollen die Abhängigkeiten des Magnetfeldes im Innern einer langen Spule von der Erregerstromstärke Ierr, der Windungszahl N und der Spulenlänge l ermittelt werden. Dabei wird die Magnetfeldstärke jeweils in der Spulenmitte gemessen. Eine lange Spule ist eine Spule der Länge wesentlich größer ist als ihr Durchmesser. Arbeitsanweisungen und Hinweise 1 Bauen Sie die Messanordnung auf. Die Hallsonde muss immer genau in der Mitte der Spule platziert werden. Lesen Sie sich die Bedienungsanleitung des Teslameters genau durch, damit Sie korrekte Messwerte aufnehmen können. Messen Sie die Spulenlänge l der Spulen. 2.1 Führen Sie eine Messreihe B = B(Ierr) durch bei konstanter Windungszahl. und konstanter Spulenlänge l durch. Benutzen Sie hierfür die Spule mit N = 300. Maximale Stromstärke 4 A! Ermitteln Sie mindestens 6 Messwertpaare aus dem Bereich 0… 4 A. Tragen Sie die Werte in eine Messwerttabelle ein (Schema aus dem Unterricht verwenden! – Mindestens 2 Auswertungszeilen vorsehen). Stellen Sie die Messwerte graphisch dar. Ermitteln Sie den formelmäßigen Zusammenhang B = B(Ierr) mit Angabe der Konstanten k1. 2.2 Führen Sie eine Messreihe B = B(N) durch bei konstanter Spulenlänge l und konstanter Erregerstromstärke Ierr = 0,3 A durch. Benutzen Sie dazu alle vier Spulen. Tragen Sie die Werte in eine Messwerttabelle ein (Schema aus dem Unterricht verwenden! – Mindestens 2 Auswertungszeilen vorsehen). Stellen Sie die Messwerte graphisch dar. Ermitteln Sie den formelmäßigen Zusammenhang B = B(N) mit Angabe der Konstanten k2. 2.3 Für B = B(l) bei konstanter Erregerstromstärke Ierr und konstanter Windungszahl N lässt sich experimentell ermitteln, dass B antiproportional zu l ist bzw. dass B proportional zu 1/l ist. (in Formelzeichen: B ~ 3 1 ) l Fassen Sie die drei Einzelabhängigkeiten zu einer Abhängigkeit B = B(Ierr, N, l) zusammen und ermitteln Sie in dieser Formel auftretende Konstante k. Benutzen Sie dabei noch freie Auswertungszeilen in den Messwerttabellen, Vorgehen wie im Unterricht. Vergleichen Sie mit dem Literaturwert kLiteratur = μ0 = 1,257 · 10-6 Tm/A. (μ0 heißt magnetische Feldkonstante) Das Spulenfeld verläuft im Innern der Spule entlang der Spulenachsen. Die Richtung der Feldlinien sind auch in der Verlängerung der Spulenachse immer noch in guter Näherung parallel zu dieser. Wählen Sie eine geeignete Spule aus (maximale Stromstärke beachten). Messen Sie die magnetische Feldstärke B entlang dieser Spulenachse, in dem Sie die Hall-Sonde längs der Spulenachse durch die Spule führen. Legen Sie eine Messwerttabelle an und stellen Sie den Verlauf von B graphisch dar. C:\Users\Axel Stein\Documents\Schule 2010-11\Ph 12\101206 Praktikum-Hinweise.docx STORMARNSCHULE AHRENSBURG Versuch 2b Magnetfeld im Innern einer langen Spule (von Leybold) Materialien 4 lange Spulen mit n = 46, 250, 500, 1000 Windungen 1 Teslameter (MESURA) mit tangentialer Hallsonde 1 Lineal 1 Netzgerät (EA-PS 2000) 0…10 A mit eingebauter Stromstärkenanzeige Ziel Es sollen die Abhängigkeiten des Magnetfeldes im Innern einer langen Spule von der Erregerstromstärke Ierr, der Windungszahl N und der Spulenlänge l ermittelt werden. Dabei wird die Magnetfeldstärke jeweils in der Spulenmitte gemessen. Eine lange Spule ist eine Spule der Länge wesentlich größer ist als ihr Durchmesser. Arbeitsanweisungen und Hinweise 1 Bauen Sie die Messanordnung auf. Die Hallsonde muss immer genau in der Mitte der Spule platziert werden. Lesen Sie sich die Bedienungsanleitung des Teslameters genau durch, damit Sie korrekte Messwerte aufnehmen können. Messen Sie die Spulenlänge l der Spulen. 3.1 Führen Sie eine Messreihe B = B(Ierr) durch bei konstanter Windungszahl. und konstanter Spulenlänge l durch. Benutzen Sie hierfür die Spule mit N = 250. Maximale Stromstärke 5 A! Ermitteln Sie mindestens 6 Messwertpaare aus dem Bereich 0… 5 A. Tragen Sie die Werte in eine Messwerttabelle ein (Schema aus dem Unterricht verwenden! – Mindestens 2 Auswertungszeilen vorsehen). Stellen Sie die Messwerte graphisch dar. Ermitteln Sie den formelmäßigen Zusammenhang B = B(Ierr) mit Angabe der Konstanten k1. 3.2 Führen Sie eine Messreihe B = B(N) durch bei konstanter Spulenlänge l und konstanter Erregerstromstärke Ierr = 1 A durch. Benutzen Sie dazu alle vier Spulen. Tragen Sie die Werte in eine Messwerttabelle ein (Schema aus dem Unterricht verwenden! – Mindestens 2 Auswertungszeilen vorsehen). Stellen Sie die Messwerte graphisch dar. Ermitteln Sie den formelmäßigen Zusammenhang B = B(N) mit Angabe der Konstanten k2. 2.3 Für B = B(l) bei konstanter Erregerstromstärke Ierr und konstanter Windungszahl N lässt sich experimentell ermitteln, dass B antiproportional zu l ist bzw. dass B proportional zu 1/l ist. (in Formelzeichen: 4 B~ 1 ). Fassen Sie die drei l Einzelabhängigkeiten zu einer Abhängigkeit B = B(Ierr, N, l) zusammen und ermitteln Sie in dieser Formel auftretende Konstante k. Benutzen Sie dabei noch freie Auswertungszeilen in den Messwerttabellen, Vorgehen wie im Unterricht. Vergleichen Sie mit dem Literaturwert kLiteratur = μ0 = 1,257 · 10-6 Tm/A. (μ0 heißt magnetische Feldkonstante) Das Spulenfeld verläuft im Innern der Spule entlang der Spulenachsen. Die Richtung der Feldlinien sind auch in der Verlängerung der Spulenachse immer noch in guter Näherung parallel zu dieser. Wählen Sie eine geeignete Spule aus (maximale Stromstärke beachten). Messen Sie die magnetische Feldstärke B entlang dieser Spulenachse, in dem Sie die Hall-Sonde längs der Spulenachse durch die Spule führen. Legen Sie eine Messwerttabelle an und stellen Sie den Verlauf von B graphisch dar. C:\Users\Axel Stein\Documents\Schule 2010-11\Ph 12\101206 Praktikum-Hinweise.docx STORMARNSCHULE AHRENSBURG Versuch 3 Magnetfeld um einen einzelnen geraden Leiter Materialien 1 Hochstromtransformator auf geschlossenem Eisenkern bestehend aus Primärspule mit nP =75 Windungen und Sekundärspule mit nS = 6 Windungen 2 Kabel Stromleiter (rot) für Hochstrom 1 Teslameter mit axialer Hallsonde 1 Stelltrafo (Phywe) Anschluss 25 V~ 0…12 A ~ Wechselspannung bzw. Wechselstrom 1 Stromzange (Voltcraft VC-500) zur berührungslosen Strommessung 1 Lineal Ziel Es sollen die Abhängigkeiten des Magnetfeldes um einen langen geraden Leiter von derErregerstromstärke Ierr, und dem Abstand r zur Leitermitte ermittelt werden. Die dazu nötige hohe Stromstärke in dem Leiter wird über einen Hochstromtrafo erzeugt. Dabei wird durch den Stromleiter Wechselstrom fließen. Die Stromstärke in diesem Leiter wird induktiv (also berührungslos) über eine Stromzange gemessen. Arbeitsanweisungen und Hinweise 1 Bauen Sie die Messanordnung auf. Am Teslameter muss Wechselfeld-Messung (Schalterstellung ~) eingestellt sein. Wählen Sie an der Stromzange die richtige Einstellung (400 A ~). 2.1 Führen Sie eine Messreihe B = B(Ierr) durch konstantem Abstand r = 1 cm durch. Erhöhen Sie Ierr dabei von 0 A aus in 10 A –Schritten .Maximale Stromstärke durch den Stromleiter 50 A! Beachten Sie, dass bereits kleine Veränderungen der Spannung am Netzgerät große Veränderungen für Ierr bedeuten. Tragen Sie die Werte in eine Messwerttabelle ein (Schema aus dem Unterricht verwenden! – Mindestens 2 Auswertungszeilen vorsehen). Stellen Sie die Messwerte graphisch dar. Ermitteln Sie den formelmäßigen Zusammenhang B = B(Ierr) mit Angabe der Konstanten k1. 2.2 Führen Sie eine Messreihe B = B(r) durch bei konstanter Erregerstromstärke I err (Ierr= 30 A) durch. Erhöhen Sie dabei den Abstand von r = 1cm in 1cm-Schritten auf 10cm. Tragen Sie die Werte in eine Messwerttabelle ein (Schema aus dem Unterricht verwenden! – Mindestens 2 Auswertungszeilen vorsehen). Stellen Sie die Messwerte graphisch dar. Ermitteln Sie den formelmäßigen Zusammenhang B = B(r) mit Angabe der Konstanten k2. 3 Fassen Sie die beiden Einzelabhängigkeiten zu einer Abhängigkeit B = B(I err ,r) zusammen und ermitteln Sie in dieser Formel auftretende Konstante k. Benutzen Sie dabei noch freie Auswertungszeilen in den Messwerttabellen, Vorgehen wie im Unterricht. -7 Vergleichen Sie mit dem Literaturwert kLiteratur = 2 · 10 Tm/A. 4 Erläutern Sie die Funktionsweise des verwendeten Hochstromtransformators.
