PL223733B1 - Układ do pomiaru magnetorezystancji - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do pomiaru magnetorezystancji, mający zastosowanie w laboratoriach naukowych do badania zależności oporu elektrycznego substancji od wartości indukcji przyłożonego do nich pola magnetycznego.

Znane układy do pomiaru magnetorezystancji opisane są w książce Andrzeja Olesia, zatytułowanej „Metody doświadczalne fizyki ciała stałego” i wydanej przez Wydawnictwa Naukowo Techniczne w Warszawie w 1998 r. Pierwszy ze znanych układów, nazywany dwupunktowym, polega na tym, że próbkę badanej substancji umieszcza się w polu magnetycznym i do jej końców przyłącza szeregowo amperomierz oraz źródło stałego napięcia elektrycznego i zamyka obwód. Równolegle do próbki przyłącza się woltomierz, umieszczając jego końcówki w dwóch punktach na powierzchni próbki. Zasada działania znanego układu polega na tym, że odczytuje się wartości napięcia, wskazywanego przez woltomierz i natężenia prądu, wskazywanego przez amperomierz. Na podstawie tych wyników oblicza się opór elektryczny przy danej indukcji pola magnetycznego, dzieląc wartość napięcia przez wartość natężenia. Drugi układ, nazywany czteropunktowym, polega na tym, że na powierzchni próbki badanej substancji umieszczonej w polu magnetycznym wyznacza się cztery punkty, leżące na jednej linii w równych odległościach od siebie. Do dwóch skrajnych, spośród wyznaczonych punktów, przyłącza się końcówki amperomierza, połączonego szeregowo ze źródłem napięcia stałego, a do dwóch wewnętrznych punktów przyłączone zostają końcówki woltomierza. Opór elektryczny próbki wyznacza się tak samo, jak w poprzednim układzie. Zaletą układu czteropunktowego jest wyeliminowanie oporu przewodów połączeniowych i dlatego układ ten stosuje się przy małych oporach próbek.

Takie same, jak opisane wcześniej układy do pomiaru magnetorezystancji - dwupunktowy i czteropunktowy, znane są też z książki Friedricha Kohlrauscha zatytułowanej „Fizyka laboratoryjna”, Tom II, wydanej przez Państwowe Wydawnictwo Naukowe w Warszawie w 1961 r. Natomiast z podręcznika Szczepana Szczeniowskiego po tytułem „Fizyka doświadczalna, część III, elektryczność i magnetyzm”, wydanego również przez Państwowe Wydawnictwo Naukowe w Warszawie w 1972 r., znany jest układ do pomiaru magnetorezystancji, polegający na tym, że do wybranych punktów próbki umieszczonej w polu magnetycznym przyłącza się końcówki omomierza, który pozwala na bezpośredni odczyt wartości oporu elektrycznego dla wartości indukcji tego pola magnetycznego. Także znane układy do pomiaru magnetorezystancji opisane są w książce „Concise Encyclopedia of Solid State Physics” redagowanej przez Ritę Lemer oraz Georga Trigga i wydanej przez wydawnictwo Addison-Wesley Publishing Company, Inc. w Massachusetts w 1983 r. Znane układy polegają na tym, że do próbki umieszczonej w polu magnetycznym przyłącza się omomierze przystosowane do pomiaru oporu metodą dwupunktową, albo czteropunktową.

Wszystkie znane ze stanu techniki układy do pomiaru magnetorezystancji pozwalają na pomiar tej wielkości tylko w jednym kierunku, np. w kierunku osi xx. Jednoczesny pomiar magnetorezystancji w kierunkach dwóch pozostałych i prostopadłych osi, przez prostą rozbudowę układu, polegającą na dołączeniu dodatkowych mierników do punktów na powierzchni próbki, odpowiadających tym kierunkom jest niemożliwy. Przyczyną tego jest rozpływ koniecznego do wykonania pomiaru prądu elektrycznego, który powinien płynąć tylko przez miernik przeznaczony dla jednego kierunku. Prąd ten płynie także w pozostałych kierunkach i wytworzone w ten sposób tzw. prądy błądzące powodują fałszywe wyniki pomiarów.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że układ do pomiaru magnetorezystancji zawiera prostopadłościenną próbkę badanej substancji, umieszczoną w polu magnetycznym o indukcji, skierowanej równolegle do jednej z jej ścianek i wytwarzanym przez uzwojenie, korzystnie magnesu typu Bittera lub nadprzewodnikowe, zasilane stałym napięciem. Na przeciwległych ściankach próbki, odpowiadających trzem wzajemnie prostopadłym kierunkom, umieszczone są trzy pary elektrod, przy czym każdemu kierunkowi odpowiadają dwie przeciwległe elektrody. Elektrody każdej pary połączone są szeregowo poprzez kontaktrony z omomierzami cyfrowymi, wyposażonymi w karty pomiarowe i ponadto każdy z tych omomierzy jest przyłączony do komputera, korzystnie osobistego. Nad każdym z kontaktronów porusza się magnes stały, przymocowany do kołowej, nieferromagnetycznej tarczy, przy czym wszystkie tarcze osadzone są na wspólnej osi, a położenia magnesów przesunięte względem siebie o ustalony kąt. Oś obracana jest przez silnik synchroniczny, zasilany napięciem przemiennym o regulowanej częstotliwości z generatora elektronicznego. Ponadto przewody zasilające uzwojenie wytwarzające pole magnetyczne, zwarte są bocznikiem, do którego dołączony został woltomierz cyfrowy, wyposażony w kartę pomiarową i połączony również z komputerem.

PL 223 733 B1

Główną zaletą układu według wynalazku jest pomiar magnetorezystancji w trzech kierunkach w bardzo krótkich odstępach czasu. Dodatkowymi zaletami układu są niezawodność działania i zapis wyników pomiarów w postaci cyfrowej.

Przedmiot wynalazku pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia schemat połączeń elementów układu do pomiaru magnetorezystancji.

Układ do pomiaru magnetorezystancji według wynalazku zawiera prostopadłościenną próbkę badanej substancji S, umieszczoną w polu magnetycznym o indukcji B, skierowanej równolegle do jednej z jej ścianek i wytwarzanym przez uzwojenie C, korzystnie magnesu typu Bittera lub nadprzewodnikowe, zasilane stałym napięciem U. Na przeciwległych ściankach próbki, odpowiadających trzem wzajemnie prostopadłym kierunkom, umieszczone są trzy pary elektrod xx, yy, zz, przy czym każdemu kierunkowi odpowiadają dwie przeciwległe elektrody. Elektrody każdej pary połączone są szeregowo poprzez kontaktrony K_x, K_y, K_z z omomierzami cyfrowymi Ω_χ, Q_y, Ω_ζ, wyposażonymi w karty pomiarowe i ponadto każdy z tych omomierzy jest przyłączony do komputera, korzystnie osobistego PC. Nad każdym z kontaktronów porusza się magnes stały m, przymocowany do kołowej, nieferromagnetycznej tarczy, przy czym wszystkie tarcze osadzone są na wspólnej osi, a położenia magnesów przesunięte względem siebie o ustalony kąt. Oś obracana jest przez silnik synchroniczny d, zasilany napięciem przemiennym ~U o regulowanej częstotliwości z generatora elektronicznego G. Ponadto przewody zasilające uzwojenie C, zwarte są bocznikiem R, do którego dołączony został woltomierz cyfrowy T, wyposażony w kartę pomiarową i połączony również z komputerem PC.

Działanie układu do pomiaru magnetorezystancji według wynalazku polega na tym, że silnik synchroniczny d, obraca oś z tarczami i powoduje przechodzenie w zadanych odstępach czasu magnesów m nad kolejnymi kontaktronami K_x, K_y, K_z. Gdy magnes znajdzie się w pobliżu danego kontaktronu, wówczas następuje zwarcie jego styczek i zamknięcie obwodu jednego z omomierzy Ω_χ, Ωγ, Ω^ połączonego z tym kontaktronem i przeznaczonego do pomiaru magnetorezystancji w danym kierunku. Pomiar dokonany przez ten omomierz jest zapisywany w pamięci komputera PC i może być też odczytywany bezpośrednio na wyświetlaczu omomierza. Kąt przesunięcia magnesów, indukcja wytwarzanego przez nie pola oraz częstotliwość generatora G są tak dobrane, że w danej chwili zamknięty jest obwód tylko jednego omomierza i czas tego zamknięcia zredukowany do minimum, wystarczającego na przeprowadzenie pomiaru oraz zapis jego wyniku. Jednocześnie woltomierz cyfrowy T mierzy napięcie na boczniku R, które jest wprost proporcjonalne do wartości indukcji pola magnetycznego B i wynik pomiaru jest zapisywany w pamięci komputera PC oraz może być bezpośrednio odczytywany na wyświetlaczu woltomierza.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Układ do pomiaru magnetorezystancji zawierający prostopadłościenną próbkę badanej substancji, umieszczoną w polu magnetycznym o indukcji, skierowanej równolegle do jednej z jej ścianek i wytwarzanym przez uzwojenie, korzystnie magnesu typu Bittera lub nadprzewodnikowe, zasilane stałym napięciem, przy czym przewody zasilające uzwojenie, zwarte są bocznikiem, do którego dołączony został woltomierz cyfrowy, wyposażony w kartę pomiarową i połączony z komputerem, znamienny tym, że na przeciwległych ściankach próbki (S), odpowiadających trzem wzajemnie prostopadłym kierunkom, umieszczone są trzy pary elektrod (xx, yy, zz), przy czym każdemu kierunkowi odpowiadają dwie przeciwległe elektrody, a ponadto elektrody każdej pary połączone są szeregowo poprzez kontaktrony (K_x, K_y, K_z) z omomierzami cyfrowymi (Ω_χ, Ω_υ, Ω^, wyposażonymi w karty pomiarowe i każdy z tych omomierzy jest przyłączony do komputera osobistego (PC), natomiast nad każdym z kontaktronów porusza się magnes stały (m), przymocowany do kołowej, nieferromagnetycznej tarczy, przy czym wszystkie tarcze osadzone są na wspólnej osi, a położenia magnesów przesunięte względem siebie o ustalony kąt, natomiast oś obracana jest przez silnik synchroniczny (d), zasilany napięciem przemiennym (~U) o regulowanej częstotliwości z generatora elektronicznego (G).