HALLIN ILMIÖ 1. TUTKITTAVAN ILMIÖN TEORIAA



Samankaltaiset tiedostot
FYSA220/1 (FYS222/1) HALLIN ILMIÖ

PERMITTIIVISYYS. 1 Johdanto. 1.1 Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla . (1) , (2) (3) . (4) Permittiivisyys

1.1 Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla

DIODIN OMINAISKÄYRÄ TRANSISTORIN OMINAISKÄYRÄSTÖ

Kondensaattorin läpi kulkeva virta saadaan derivoimalla yhtälöä (2), jolloin saadaan

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto. 2 Teoreettista taustaa

Kuva 1. Ohmin lain kytkentäkaavio. DC; 0 6 V.

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto

FYSP1082 / K4 HELMHOLTZIN KELAT

FysA220/1 Hallin ilmiö

1/6 TEKNIIKKA JA LIIKENNE FYSIIKAN LABORATORIO V

Fysiikan laboratoriotyöt 1, työ nro: 3, Vastuksen ja diodin virta-jänniteominaiskäyrät

Kertaus. x x x. K1. a) b) x 5 x 6 = x 5 6 = x 1 = 1 x, x 0. K2. a) a a a a, a > 0

ELEKTRONIN LIIKE MAGNEETTIKENTÄSSÄ

Fy06 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/7

Johdanto. 1 Teoriaa. 1.1 Sähkönjohtimen aiheuttama magneettikenttä

Vastksen ja diodin virta-jännite-ominaiskäyrät sekä valodiodi

Fy06 Koe ratkaisut Kuopion Lyseon lukio (KK) 5/13

y=-3x+2 y=2x-3 y=3x+2 x = = 6

Oikeat vastaukset: Tehtävän tarkkuus on kolme numeroa. Sulamiseen tarvittavat lämmöt sekä teräksen suurin mahdollinen luovutettu lämpö:

TASASUUNTAUS JA PUOLIJOHTEET

Virrankuljettajat liikkuvat magneettikentässä ja sähkökentässä suoraan, kun F = F eli qv B = qe. Nyt levyn reunojen välinen jännite

Muuntajan toiminnasta löytyy tietoja tämän työohjeen teoriaselostuksen lisäksi esimerkiksi viitteistä [1] - [4].

Sähköstatiikan laskuissa useat kaavat yksinkertaistuvat hieman, jos vakio C kirjoitetaan muotoon

Tekijä Pitkä matematiikka

7. Resistanssi ja Ohmin laki

RATKAISUT: 18. Sähkökenttä

RATKAISUT: 19. Magneettikenttä

SÄHKÖSTATIIKKA JA MAGNETISMI. NTIETS12 Tasasähköpiirit Jussi Hurri syksy 2013

TASAVIRTAPIIRI - VASTAUSLOMAKE

33 SOLENOIDIN JA TOROIDIN MAGNEETTIKENTTÄ

c) Määritä paraabelin yhtälö, kun tiedetään, että sen huippu on y-akselilla korkeudella 6 ja sen nollakohdat ovat x-akselin kohdissa x=-2 ja x=2.

Ensimmäisen asteen polynomifunktio

1. Tasavirta. Virtapiirin komponenttien piirrosmerkit. Virtapiiriä havainnollistetaan kytkentäkaaviolla

Kertaus. x x x. K1. a) b) x 5 x 6 = x 5 6 = x 1 = 1 x, x 0. K2. a) a a a a, a > 0

4757 4h. MAGNEETTIKENTÄT

Helsingin, Itä-Suomen, Jyväskylän, Oulun, Tampereen ja Turun yliopisto Matematiikan valintakoe klo Ratkaisut ja pisteytysohjeet

Työn tavoitteita. 1 Teoriaa

SOLENOIDIN MAGNEETTIKENTTÄ

Työ 31A VAIHTOVIRTAPIIRI. Pari 1. Jonas Alam Antti Tenhiälä

Jännite, virran voimakkuus ja teho

B-OSA. 1. Valitse oikea vaihtoehto. Vaihtoehdoista vain yksi on oikea.

Kaikkiin tehtäviin ratkaisujen välivaiheet näkyviin! Lue tehtävänannot huolellisesti. Tee pisteytysruudukko B-osion konseptin yläreunaan!

YLEISMITTAREIDEN KÄYTTÄMINEN

3 TOISEN ASTEEN POLYNOMIFUNKTIO

Suora 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori, koordinaatistot, piste

origo III neljännes D

on radan suuntaiseen komponentti eli tangenttikomponentti ja on radan kaarevuuskeskipisteeseen osoittavaan komponentti. (ks. kuva 1).

Sähköopin mittauksia 1

Integrointi ja sovellukset

EVTEK/ Antti Piironen & Pekka Valtonen 1/6 TM01S/ Elektroniikan komponentit ja järjestelmät Laboraatiot, Syksy 2003

Kondensaattorin läpi kulkeva virta saadaan derivoimalla yhtälöä (2), jolloin saadaan. cos sin.

Juuri 6 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty Vastaus: Määrittelyehto on x 1 ja nollakohta x = 1.

4.1 Kaksi pistettä määrää suoran

Sähkötekiikka muistiinpanot

kipinäpurkauksena, josta salama on esimerkki.

Juuri 2 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

Tekijä Pitkä matematiikka

Helsingin, Itä-Suomen, Jyväskylän, Oulun, Tampereen ja Turun yliopisto Matematiikan valintakoe klo 10-13

Fy06 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/6

VASTUSMITTAUKSIA. 1 Työn tavoitteet

Nimi: Muiden ryhmäläisten nimet:

Elektroniikka. Tampereen musiikkiakatemia Elektroniikka Klas Granqvist

2 Yhtälöitä ja epäyhtälöitä

Mittaustuloksen esittäminen Virhetarkastelua. Mittalaitetekniikka NYMTES 13 Jussi Hurri syksy 2014

Pyramidi 4 Analyyttinen geometria tehtävien ratkaisut sivu 352 Päivitetty Pyramidi 4 Luku Ensimmäinen julkaistu versio

Vektorit. Kertausta Seppo Lustig (Lähde: avoinoppikirja.fi)

2. Sähköisiä perusmittauksia. Yleismittari.

a) Piirrä hahmotelma varjostimelle muodostuvan diffraktiokuvion maksimeista 1, 2 ja 3.

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

SATE1120 Staattinen kenttäteoria kevät / 5 Laskuharjoitus 2 / Coulombin laki ja sähkökentänvoimakkuus

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

SÄHKÖTEKNIIKKA. NTUTAS13 Tasasähköpiirit Jussi Hurri kevät 2015

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

1.1 ATOMIN DISKREETIT ENERGIATILAT

Juuri 7 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty c) sin 50 = sin ( ) = sin 130 = 0,77

Taitaja2004/Elektroniikka Semifinaali

eriste C K R vahvistimeen Kuva 1. Geigerilmaisimen periaate.

TN T 3 / / SÄH Ä KÖAS A IOI O TA T Vi taniemen koulu

Katso Opetus.tv:n video: Kirchhoffin 1. laki

Tehtävä 1. a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt = 1, A = 1, C s protonin varaus on 1, C

Laskun vaiheet ja matemaattiset mallit

AVOIMEN SARJAN VASTAUKSET JA PISTEITYS

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 6 Maanantai

Laskun vaiheet ja matemaattiset mallit

FYSA220/K2 (FYS222/K2) Vaimeneva värähtely

Sähkömagneettinen induktio

Mittalaitetekniikka. NYMTES13 Vaihtosähköpiirit Jussi Hurri syksy 2014

OSA 1: YHTÄLÖNRATKAISUN KERTAUSTA JA TÄYDENNYSTÄ SEKÄ FUNKTIO

5 Rationaalifunktion kulku

Luku Ohmin laki

Matemaattisten menetelmien hallinnan tason testi.

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2013 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Lauri Karppi j SATE.2010 Dynaaminen kenttäteoria DIPOLIRYHMÄANTENNI.

Transkriptio:

1 ALLIN ILMIÖ MOTIVOINTI allin ilmiötyössä tarkastellaan johteen varauksenkuljettajiin liittyviä suureita Työssä nähdään kuinka all-kiteeseen generoituu all-jännite allin ilmiön tutkimiseen soveltuvalla laitteistolla määritetään Volframi-kiteen allvakio allin ilmiöllä voidaan osoittaa, että puolijohteissa on olemassa sekä negatiivisia että positiivisia varauksenkuljettajia allin ilmiötä käytetään esimerkiksi anturitekniikassa Työ havainnollistaa kohtisuoraan magneettikenttään asetettuun ohueen ja sähkövirralliseen volframiliuskaan syntyvää allin jännitteen käsitettä. Työssä perehdytään johteessa esiintyvään allin ilmiöön, sekä määritetään sitä karakterisoiva allin vakio. Luentojen lisäksi asiaa on käsitelty seuraavissa viitteissä: Young & Freedman: niversity Physics 10th Edition s. 890-892 Ohanian: Physics 2nd edition. s. 765-768 Alonso-Finn: Fundamental niversity Physics II 2nd edition s. 119 ja III s. 261-273 Grant & Phillips: Electromagnetism 2nd Edition s.123, 247 1. TTKITTAVAN ILMIÖN TEORIAA Mikäli virtaa kuljettava johde, tässä tapauksessa suorakulmainen johdelevy, asetetaan magneettikenttään siten, että magneettikenttä B on kohtisuorassa virran I kulkusuuntaa vastaan (Kuva 1.) vaikuttaa varauksen kuljettajiin x-akselin suuntainen Lorentin voima. Voiman vaikutuksesta varaukset ajautuvat johdelevyn reunalle aiheuttaen x-akselin kanssa yhdensuuntaisen sähkökentän E x, jonka suunta riippuu varauksenkuljettajien merkistä. Tämä kenttä vastustaa varaustenkuljettajien liikettä x-akselin suunnassa, joten syntyy tasapainotila. Sivujen välinen potentiaaliero voidaan mitata. Tätä jännitettä kutsutaan allin jännitteeksi, ilmiötä allin ilmiöksi ja johdelevyä allin generaattoriksi. allin ilmiö

2 Kuva 1. allin generaattori magneettikentässä. Elektronien on ajateltu toimivan varauksenkuljettajina. Sähkömagneettisessa kentässä liikkuvaan varaukseen vaikuttaa Lorentin voima r r r F = q (1) r ( E + v B). Kiteessä olevat varauksenkuljettajat voivat olla negatiivisesti tai positiivisesti varautuneita. Kuten kaavasta nähdään erimerkkiset varaukset kokevat magneettikentässä vastakkaissuuntaisen voiman. all-kiteessä molemmat varaukset kuitenkin ajautuvat kiteen samalle pinnalle, koska erimerkkiset varaukset liikkuvat sähkökentässä eri suuntiin. Kiteeseen indusoituu sähkökenttä, joka kumoaa magneettikentän aiheuttaman voiman. Tasapainon vallitessa on varauksenkuljettajiin vaikuttava nettovoima nolla, joten yhtälön (1) nojalla saadaan (kuvan 1. tapauksessa) josta seuraa Olkoon ohjausvirran ( E + v B ) = 0, F (2) x = q x y E = v B. (3) x y I tiheys j c. Tälle virrantiheydelle on voimassa yhtälö j c = nqv y, (4) missä n on varauksenkuljettajien lukumäärä tilavuusyksikköä kohti. Kun yhtälöstä (4) ratkaistaan v ja se sijoitetaan yhtälöön (3), saadaan y jyb Ex = nq. (5) Yhtälön (5) avulla saatavaa suuretta allin ilmiö

3 1 R =, (6) nq kutsutaan all-vakioksi. Yhtälön (5) avulla saadaan lisäksi Ex d R = =, (7) j B I B y missä jännitettä nimitetään all-jännitteeksi ja vastaavasti y-suunnassa kiertävää virtaa all-virraksi. Lisäksi yhtälöstä (7) voi nähdä, että allin jännite on suoraan verrannollinen levyn läpi kulkevaan virtaan ja myös magneettikenttään eli I ja B. (8) Yhtälö (7) voidaan siis kirjoittaa muodossa = vakio I B, (9) missä vakio = R. Vakiovirralle I d yhtälö (9) on suoran yhtälö, jonka kulmakerroin on R vakio I = I =. (10) d B Siten allin vakion itseisarvo voidaan määrittää vakiovirran paksuuden ja kulmakertoimen (10) avulla: I, johdeliuskan R d =. (11) B I R on negatiivinen n-johtavalle (q = -e) ja positiivinen p-johtavalle aineelle. Ko. merkki voidaan päätellä käytetyn kytkennän ja all-jännitteen polariteetin avulla. all generaattoria voidaan käyttää myös varauksen lukumäärän tutkimiseen. Mikäli tutkittavan levyn johtavuus σ tunnetaan, voidaan varauksenkuljettajien liikkuvuus laskea kaavasta missä σ µ = = σr, (12) nq allin ilmiö

4 l σ =, (13) RA ja l on levyn johdelevyn pituus sekä A poikkipinta-ala. Resistanssi R voidaan laskea puolijohdelevyn yli mitattavasta jännitteestä ja levyn läpi kulkevasta virrasta. 2. LAITTEISTO Kuva 3. Kuvassa on allin ilmiön havainnointiin soveltuvan laitteiston kytkentä. Sähkömagneetti aiheuttaa tarvittavan magneettikentän. Virtamittarilla voidaan seurata magneettivuontiheyden stabiloitumista. Älä ylitä 5 A:n virtaa. Kuva 4. all-generaattori. all-generaattorin tekniset tiedot: 5 1. Volframijohde, jonka paksuus on d = 5 10 m. 2. Johdinpistokkeet virralle I. Virran maksimiarvo 22 A. Johdinten kuumenemisen vuoksi älä ylitä 15 A:n virtaa kuin hetkellisesti. 3. Pistokkeet allin jännitteelle. 4. Viiden ohmin potentiometri nollakohdan säätämiseksi. 5. Tukijalka allin ilmiö

5 Magneettikentän on oltava välillä 0,1 0,9 T. all-generaattori asetetaan sähkömagneetin aiheuttamaan kenttään. 3. MITTAKSET VALMISTELT 1. Tarkista mittauskytkentä. Älä ylitä magnetointivirralla I M 5 A:n arvoa. Volframiliuskan läpi kulkevan virran arvo ei saa ylittää 15 A. 2. Kytke mikrovolttimittari päälle. 3. Aseta sähkömagneetin napakenkäpari riittävän lähelle toisiaan. Napakengät tulisi olla siten, että niiden väliin jäävä ilmatila olisi mahdollisimman pieni. Varmistu niiden lukituksesta. 4. Mittaa tangentiaalisella B-sondilla ja teslamittarilla napakenkien välinen magneettikenttä ja virtamittarilla I M magneettikentän kalibroimista varten. Kirjaa ylös kytkentä, virran ja magneettikentän suunnat. Magneettikenttä kannattaa mitata liikuttamalla B-sondia vaaka- ja pystysuunnassa napakenkäparien välissä ja etsimällä itseisarvoltaan maksiminäyttämä. Varo ettei B-sondi taitu. 5. Sähkömagneetti demagnetisoidaan laittamalla keloihin 5 A A virta ja vähentämällä virtaa hiljalleen 0 A:iin. 6. Nollaa mikrovolttimittari, kun all-generaattorin johdot ovat kiinni mittarissa. 7. Säädä all-generaattoriin virta I = 10, 0 A ja säädä all-generaattorin potentiometrin avulla mikrovolttimittarin lukema nollaan. uomaa, että mittarin lukema vaihtelee. :N MITTAS :n arvoa siten, että maksimiarvot eivät ylity. Sa- Valitaan neljä eri B :n eli I M moin valitaan neljä I :n arvoa. ja mitataan mikrovolttimittarilla kaikilla I M :n I :n kombinaatioilla etumerkkeineen. Kaikkiaan havaintosarjoja tulee ( 2 4) ( 2 4) = 64 kappaletta. I :n ja B :n etumerkit vaihdetaan vaihtamalla vastaavista jännitelähteistä menevät johdot keskenään. Varauksen kuljettajien merkin (p vai n) selvittämiseksi piirrä mittauspöytäkirjaan kuva, josta ilmenee virran ja magneetikentän suunta, sekä :n polariteetti. uomaa, että magneettikenttää ei tässä vaiheessa enää mitata, koska magnetointivirran ja magneettikentän relaatio on jo mitattu ilman allin-generaattoria. 4. TLOSTEN KÄSITTELY allin ilmiö

Mittausten avulla päätellään enemmistövaraustenkuljettajien tyyppi (p vai n, perustele vastauksesi). Mittaustuloksista lasketaan all-vakio R. ( I, B M ) -kalibrointisuoran avulla määritetään kutakin työssä käytettyä/valittua magnetointivirran I M :n arvoa vastaava magneettikentän B arvo. Kullekin neljälle valitulle johteen läpi kulkevalle virralle I määrätään yhtälön (10) kulmakerroin, jonka avulla lasketaan all-vakio yhtälöstä (11). Kuvassa 4. on esimerkkitapaus kulmakertoimen määrittämisestä. Se on syytä tehdä B graafisesti. 6 Kuva 4. Kuvassa on all-jännite magneettikentän funktiona. Kuvaajasta voi nähdä, että alljännite on suoraan verrannollinen magneettikenttään. Työstä laaditaan lyhyt selostus, joka koostuu havainnoista, sekä tuloksista ja niiden tarkastelusta, jossa puolestaan on oleellisin osuus systemaattisten virheiden löytämisellä. allin ilmiö