A m´er´esi ¨ossze´all´ıt´as

-8.1. ´abra. Szuszceptibilit´as m´er´ese Gouy-m´odszerrel

A gyakorlat sor´an teh´at hiteles´ıteni kell a Hall-szond´at, ami azt jelenti, hogy k¨ul¨on-b¨oz˝o m´agneses terekn´el m´erj¨uk a Hall-fesz¨ults´eget ´es megadjuk az UH(B) f¨uggv´enyt. A szuszceptibilit´as m´er´ese sor´an m´erj¨uk az ¨osszetartoz´o F er˝o ´es UH ´ert´ekeket, ´es a hite-les´ıt´es alapj´an megadjuk az F(B²) grafikont, amib˝ol a ki´ert´ekel´es sor´an kisz´amoljuk κ

´ert´ek´et.

8.3. A m´ er´ esi ¨ ossze´ all´ıt´ as

A m´er´esi ¨ossze´all´ıt´as a8.1. ´abr´an l´athat´o. A m´agneses teret egy elektrom´agnessel ´all´ıtjuk el˝o kb. 1 cm-es l´egr´esben. Az 1. m´er˝ohelyen lev˝o m´agnessel kb. 1,1 T, a 2. m´agnes-sel pedig kb. 0,7 T a maxim´alisan el´erhet˝o t´er. Az elektrom´agnest egyenfesz¨ults´eg˝u t´apegys´eg m˝uk¨odteti. A t´erm´er˝o Hall-szond´at az egyik m´agnespof´ara ragasztottuk fel.

A Hall-szonda ´aramell´at´as´at ´all´ıthat´o ´aramgener´ator szolg´altatja. Az I_H Hall-´aramot

´es az UH Hall-fesz¨ults´eget digit´alis fesz¨ults´egm´er˝ovel m´erj¨uk. A szonda hiteles´ıt´ese a

fluxm´er˝oh¨oz kapcsol´od´o m´er˝otekerccsel t¨ort´enik. Az er˝ot analitikai m´erleggel m´erj¨uk.

8.4. A m´ er´ es kivitelez´ ese

8.4.1. A t´ apegys´ egek kezel´ ese

Az elektrom´agnesek gerjeszt˝o ´aram´at a t´apegys´egeken c´elszer˝u az ´aramhat´arol´o gomb-bal ´all´ıtani (miut´an a fesz¨ults´eget elegend˝oen nagyra ´all´ıtottuk). Az ´aram ´ert´ek´et a t´apegys´egek amperm´er˝oj´er˝ol olvashatjuk le.

Itt meg kell jegyezn¨unk, hogy az ´aram nagys´ag´anak csak technikai jelent˝os´ege van; a minta kiz´ar´olag a teret ´erzi, f¨uggetlen¨ul att´ol, hogy ez a t´er hogy ´allt el˝o. R´aad´asul az

´aram ´es az indukci´o ´ert´eke k¨oz¨ott nem is egy´ertelm˝u a kapcsolat. A vasmagos tekercsekre jellemz˝o hiszter´ezis g¨orbe ´ert´eke ugyanis f¨ugg az el˝o´elett˝ol, ´es az ´aram v´altoz´as´anak ir´any´at´ol!

Az 1. m´er˝ohelyen lev˝o m´agnes maxim´alisan megengedett gerjeszt˝o ´arama 7 A, a 2.

m´er˝ohelyen l´ev˝o m´agnes´e 4 A.

Ugyelj¨unk arra, hogy ki- ´es bekapcsol´askor az ´aramot fokozatosan cs¨okkents¨uk, ill.¨ n¨ovelj¨uk, ezzel elker¨ulhet˝ok a t´ul nagy induk´alt fesz¨ults´egek. Ezek ugyanis t¨onkretehetik a t´apegys´eget.

8.4.2. M´ agneses t´ er m´ er´ ese Hall-szond´ aval

A m´agneses t´er a Hall-effektus alapj´an m˝uk¨od˝o Hall-szond´aval m´erhet˝o (8.2. ´abra). A

IH

-+ -+ -+ B

UH

P₂ P₁

E R_P

8.2. ´abra. A Hall-szonda m˝uk¨od´esi v´azlata

Hall-szonda lapk´aj´ara mer˝oleges B t´erben, az I ´aram miatt l´etrej¨ov˝o mozg´o t¨olt´esekre Lorenz-er˝o hat. A lapka egyik oldal´an ez´ert negat´ıv t¨olt´esek halmoz´odnak fel, a m´asikon oldal pedig pozit´ıvabb´a v´alik. A fenti folyamat sor´an kialakul´o E t´erer˝oss´eg v´eg¨ul g´atat szab a tov´abbi t¨olt´es-felhalmoz´od´asnak, ´es kialakul egy egyens´uly, amikor a lapka ´aramra mer˝oleges pontjai k¨oz¨ott UH fesz¨ults´eget m´erhet¨unk. Ide´alis esetben

U_H^idealis= (RH/d)IHB,

ahol RH a Hall-´alland´o, d a lapka vastags´aga, IH a Hall-´aram, B a m´agneses indukci´o nagys´aga.

Ha azonban, a k´et potenci´al-vezet´ek, P1 ´es P2, nincs t¨ok´eletesen ”szemben”, akkor a Hall-´aram, ´athaladva a P1 ´es P2 k¨oz¨otti RP parazita ellen´all´ason, egy ohmikus UP

parazita-fesz¨ults´eget hoz l´etre. Ez a fesz¨ults´eg, mely term´eszetesen nulla t´ern´el is jelen van, hozz´aad´odik a Hall-jelens´egb˝ol sz´armaz´o fesz¨ults´eghez. Teh´at, v´eg¨ul, amit m´er¨unk az

UH = (RH/d)IHB +UP, (8.6)

ahol UP = IHRP Ahhoz, hogy a Hall-szond´at haszn´alni tudjuk t´er-m´er´esre, elegend˝o, hogy egy´ertelm˝u f¨uggv´enykapcsolat legyen B ´es UH k¨oz¨ott. A parazitafesz¨ults´eg l´ete ezen nem v´altoztat, puszt´an a B(UH) hiteles´ıt´esi egyenes tengelymetszete lesz v´eges.

Megjegyezz¨uk, hogy r´eszben a fent eml´ıtett parazita fesz¨ults´eg, r´eszben az elektro-m´agnes remanens elektro-m´agnesess´ege az oka annak, hogy nulla gerjeszt˝o´aram mellett nem nulla a Hall-fesz¨ults´eg ´ert´eke.

A m´er´es¨unkben alkalmazott Hall-szonda kapcsol´asi v´azlata a 8.3. ´abr´an l´athat´o.

A szond´an ´atfoly´o ´aramot n´egy jegyre stabil ´aramgener´ator szolg´altatja. Az ´aramge-ner´ator ´arama egy durva ´es egy finom ´all´ıt´ast lehet˝ov´e tev˝o potenciom´eterrel ´all´ıthat´o.

Az ´aramgener´ator ´aram´at egy nagy stabilit´as´u ellen´all´ason is ´atvezett¨uk (R =10 Ω). A m˝uszeren lev˝o kapcsol´o RIH ´all´as´aban az ellen´all´ason es˝o fesz¨ults´eget, az UH ´all´asban a Hall-fesz¨ults´eget m´erhetj¨uk. A m´agneses t´er m´er´ese el˝ott kb. 5 mA-s ´aramot ´all´ıtsunk be. Ez a fesz¨ults´egm´er˝o m˝uszeren50 mV-ot jelent. A m´er´es szempontj´ab´ol nem kritikus, hogy IH =5,00 mA legyen, de az igen, hogy ´ert´eke v´altozatlan maradjon a m´er´es ´es a hiteles´ıt´es alatt.

A Hall-szonda hiteles´ıt´ese indukci´os tekercs ´es fluxm´er˝o m˝uszer seg´ıts´eg´evel t¨ort´enik.

Aznmenetsz´am´u tekercset a m´erend˝o t´erbe helyezz¨uk ´ugy, hogy fel¨ulete az er˝ovonalakra mer˝oleges legyen. Ha a tekercset kih´uzzuk a m´agnesespof´ak k¨oz¨ul olyan t´avols´agra, ahol B indukci´ot´er nagys´aga m´ar nulla, akkor k¨ozben a tekercs keresztmetszet´en ´athalad´o m´agneses fluxus folyamatosan v´altozik. Az indukci´ot¨orv´eny ´ertelm´eben a tekercsben (az el˝ojelt˝ol eltekintve) Ui =dΦ/dt fesz¨ults´eg induk´al´odik. A tekercs kih´uz´as´anak τ idej´ere integr´alva az induk´alt fesz¨ults´eget, megkapjuk a teljes fluxusv´altoz´ast:

τ

DVM 10 W I

_H

I

_H

U

_H

U

_H

Hall-szonda

8.3. ´abra. A Hall-szonda kapcsol´asi v´azlata

A fluxus v´altoz´asa fluxm´er˝ovel m´erhet˝o meg. A fluxm´er˝o l´enyeg´eben egy integr´ator, amely a kis Udt´ert´ekeket adja ¨ossze.

A fluxusv´altoz´as m´er´ese ut´an B indukci´o ´ert´eke egyszer˝uen kisz´am´ıthat´o a B = ∆Φ/nF

¨osszef¨ugg´es alapj´an, aholn a tekercs menetsz´ama, ´es F az ´atlagos menetfel¨ulet, amelyet az al´abbi integr´allal sz´amolhatunk ki:

F = 1 rk−rb

rk

Z

rb

πr²dr= π 3

r³_k−r_b³ rk−rb

= π

3 r_k²+rkrb+r²_b ,

ahol rb´es rk a m´er˝otekercs legbels˝o ´es legk¨uls˝o meneteinek sugarai. A sz´amol´asban az al´abbi adatokat haszn´aljuk: az 1. m´er˝otekercsn´el: n =194, r_k =4,8 mm, r_b =3,05 mm.

A 2-esn´el: n =194, rk=4,8 mm, rb =3,15 mm. A sug´ar hib´aja ±0,05 mm.

8.4.3. A fluxusm´ er´ es l´ ep´ esei

A m´er´esi ¨ossze´all´ıt´asban Leybold-t´ıpus´u fluxusm´er˝o m˝uszert haszn´alunk.

1. A berendez´est a m´er´es el˝ott legal´abb 10 perccel kapcsoljuk be.

2. A k´esz¨ul´eket kapcsoljuk ”V” ´all´asba. ´All´ıtsuk be a m´er´eshat´art. Indul´asn´al a 10³ er˝os´ıt´es javasolt.

3. Kompenz´aljuk az offset fesz¨ults´eget, vagyis a bels˝o ´es k¨uls˝o hibafesz¨ults´eget, az Auto Comp nyom´ogomb megnyom´as´aval. Ekkor a berendez´es elt´arolja a bemene-ten lev˝o fesz¨ults´eget, majd ellenkez˝o el˝ojellel r´akapcsolja, ´ugyhogy amikor a nyo-m´ogombot elengedj¨uk, a kijelz˝on a (k¨ozel) null´ara kompenz´alt ´ert´ek jelenik meg.

4. Kapcsoljuk a m´er´esi m´od v´alaszt´ot Vs ´all´asba. Ha azt tapasztaljuk, hogy a kijel-z˝on megjelen˝o ´ert´ek valamilyen ir´anyba v´altozik (k´uszik), akkor ezt a k´usz´ast az Auto Comp gomb melletti be´all´ıt´o potenciom´eterrel ´all´ıtsuk meg.

5. A m´er´esi m´od v´alaszt´ot kapcsoljukReset´all´asba. Ezzel az integr´ator kondenz´ator´at kis¨utj¨uk, az integr´al´as null´ar´ol indul (null´az´as).

6. Kapcsoljuk a m´er´esi m´od v´alaszt´ot ism´et Vs´all´asba, majd h´uzzuk ki a m´er˝oteker-cset lassana m´agnespof´ak k¨oz¨ul. Olvassuk le, ´es jegyezz¨uk fel a kijelz˝on megjelen˝o fluxusv´altoz´ast. Ha er˝osen k´uszik a kijelzett fluxus´ert´ek a m´er˝otekercs kih´uzott

´allapot´aban is, igaz´ıtsunk az Auto Comp potenciom´eteren.

7. Helyezz¨uk vissza m´er˝otekercset a t´erbe, v´altoztassuk meg a m´agneses teret, majd ism´et m´erj¨unk az 5. ´es 6. pontok szerint.

A hiteles´ıt´est az1-es (nagy) m´agnesn´el 5A-ig, a2-es (kis) m´agnesn´el3A-ig v´egezz¨uk.

´Igy elker¨ulhetj¨uk a range-hat´ar k¨ozel´eben fell´ep˝o dinamikus t´ulvez´erl´es´et. A t´ulvez´erl´es akkor k¨ovetkezhet be, ha a tekercs gyors kih´uz´asa k¨ozben az induk´alt fesz¨ults´eg megha-ladja a m˝uszer ´altal korl´atozott ´ert´eket. Elvileg m´er´eshat´art is v´althatn´ank, de ekkor a hiteles´ıt´esi egyenes f¨ols˝o harmad´an egy ´ert´ekes jegyet elveszten´enk. A m´er´esn´el haszn´alt nagyobb terekre a hiteles´ıt´est ´erv´enyesnek tekinthetj¨uk, vagyis extrapol´aljuk a hiteles´ıt´esi egyenest.

8.4.4. A m´ erleg kezel´ ese

Az er˝o m´er´es´ere egy Mettler-t´ıpus´u analitikai m´erleget haszn´alunk. A m´erleg m´agneses elven m˝uk¨odik, ez´ert a2. m´er˝ohelyn´el, ahol a kisz´ort t´er nagyobb, ´es a m´erleg k¨ozelebb van az elektrom´agneshez, k¨ul¨on m´agneses ´arny´ekol´asr´ol kellett gondoskodni.

A m´erleg ´erz´ekenys´ege 0,1 mg. Ez a kb. 20 mg-os effektus 0,5 %-os megm´er´es´ehez elegend˝o. A t¨obbi hibaforr´as enn´el nagyobb hib´akat ad a szuszceptibilit´ashoz. A m´er-leggel m´erhet˝o legnagyobb t¨omeg205 g. A m´erleg kezel´ese nagyon k´enyelmes. A m´erleg

¨osszes funkci´oja egyetlen kapcsol´oval be´all´ıthat´o. Ez kapcsol´o a kijelz˝o alatti fekete sz´ın˝u kapcsol´ol´ec.

Be- ´es kikapcsol´as: A kapcsol´ol´ec egyszeri r¨ovid idej˝u megnyom´as´ara az ¨osszes disp-lay szegmens felgyullad n´eh´any m´asodpercre (8.8....8), majd a k´esz¨ul´ek automatikusan null´ara ´all. A kapcsol´ol´ecet kiss´e f¨olfele mozgatva a display kikapcsol´odik.

T´ar´az´as: A t´ar´azand´o t´arol´oed´eny, ill. eset¨unkben a minta behelyez´ese ut´an meg-nyomjuk a kapcsol´ol´ecet, amire a display null´az´odik. A maxim´alisan megengedett terhe-l´es term´eszetesen a kit´ar´azott ´es a m´ert (kijelzett) s´uly ¨osszeg´ere vonatkozik.

A m´er´es k´esz kijelz´es: Ha egy bizonyos ideig nem v´altozik a m´ert s´uly, akkor a m´erleg a kijelzett ´ert´eket k´esznek nyilv´an´ıtja. Ezt a kijelz˝o elej´en megjelen˝o vil´ag´ıt´o pont kiolt´as´aval jelzi a m´erleg.

8.5. A m´ er´ es menete

Hiteles´ıt´es 1. Helyezz¨uk a m´agnespof´ak k¨oz´e a m´er˝otekercset.

2. Null´azzuk a fluxm´er˝ot.

3. A tekercset tart´o ´allv´any billent´es´evel h´uzzuk ki a t´erb˝ol a tekercset. Ek¨ozben ugyelj¨unk arra, hogy nehogy megs´erts¨uk a Hall-szond´at!¨

4. Olvassuk le a fluxusv´altoz´ast ´es a Hall-fesz¨ults´eget. Ha a kijelzett fluxus k´uszna, korrig´aljuk az offset gombbal a kor´abban m´ar t´argyalt m´odon. Ezt az ¨osszerendel´est kb. 10 t´er´ert´ekn´el v´egezz¨uk el.

A szuszceptibilit´as m´er´ese

1. Kapcsoljuk be az ¨osszes m˝uszert. Ha a t´apegys´egb˝ol ´aram folyna a m´agnes teker-cs´ebe, akkor ´all´ıtsuk null´ara az ´aramot.

2. Vegy¨uk szem¨ugyre alaposan a m´er´esi ¨ossze´all´ıt´ast! Jegyezz¨uk fel a m´erni k´ıv´ant mint´ak sz´am´at, ´es m´erj¨uk meg ´atm´er˝oj¨uket t¨obb helyen csavarmikrom´eterrel!

3. Ellen˝orizz¨uk a m´erlegen elhelyezett k´etdimenzi´os v´ızszintjelz˝on, hogy a m´erleg v´ız-szintes helyzetben van-e. Ha nem, akkor m´erleg k´et h´ats´o l´ab´an lev˝o szintez˝o csavarral ´all´ıtsuk a m´erleget v´ızszintes helyzet˝ure!

4. Akasszuk r´a a mint´at a m´erlegr˝ol leny´ul´o kamp´ora! Ha a minta hozz´a´erne valame-lyik m´agnespof´ahoz, akkor ´ovatosan cs´usztassuk arr´ebb a m´erleget!

5. Tegy¨uk fel az elektrom´agnest bor´ıt´o fed˝olapot ´es ellen˝orizz¨uk, hogy a m´erleg ajtaja is z´arva van-e.

6. Kapcsoljuk be a m´erleget! T´ar´azzuk ki a minta t¨omeg´et!

7. ´All´ıtsuk be a Hall-´aramot! Ezt ´ugy tessz¨uk, hogy a Hall-fesz¨ults´eg m´er´es´ere szolg´al´o m˝uszertRIH ´all´asba kapcsoljuk, majd a m˝uszeren tal´alhat´o durva (d) ´es finom (f)

´all´ıt´okkal RIH =50 mV´ert´eket ´all´ıtunk be. Minthogy RH =10Ω, ezzelIH =5 mA Hall-´aramot ´all´ıtottunk be.

8. ´All´ıtsuk vissza a m˝uszert UH ´all´asba!

9. M´erj¨uk kb. 10 pontban az er˝ot (ill. az F/g ´ert´ekeket) ´es a hozz´ajuk tartoz´o UH

´ert´ekeket! T´aj´ekoztat´o adatk´ent jegyezz¨uk fel a gerjeszt˝o ´aram´ert´ekeket is!

10. Vegy¨uk ki a mint´at! Ellen˝orizz¨uk a Hall-´aramot!

In document FIZIKAI M´ER´ESEK (Pldal 160-166)