《磁阻效应》PPT课件.ppt

1、磁阻效应，大学物理实验，磁阻效应，一，概述，(一)，磁阻的概念：材料的电阻随施加磁场增加或减少，电阻的变化量在被称为磁阻(Magnetoresistan-ce )的磁场中物质的电阻率变化磁阻效应是英国物理学家威廉汤姆森在1857年发现的。 用金属可以忽略，用半导体可能中等小。 从一般的磁阻来看，磁阻的发展经历了巨磁阻(GMR )、庞磁阻(CMR )、隧道磁阻(TMR )、直冲磁阻(BMR )、异常磁阻(EMR )。 (二)、磁阻应用：目前，磁阻效应已广泛应用于磁传感、磁力校正、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆检测、GPS导航、校正器、磁记忆(磁卡、硬盘)等领域。 磁阻器件的特点：灵敏度高，抗干

2、扰性强。 在许多磁阻器件中，锑化铟(InSb )传感器最为典型，是一种廉价、灵敏的磁阻器件，广泛应用于生产生活。 (3)、磁阻分类：如果施加磁场与施加电场垂直，则称为横向磁阻效应的施加磁场与施加电场平行，称为纵向磁阻效应。 在任一种情况下，纵向磁感强度都不会引起载流子偏移，因此不考虑纵向磁阻效应。 2007年诺贝尔物理学奖授予法国国家科学研究中心物理学家埃尔伯菲尔和德国尤利西研究中心物理学家皮特克鲁伯格，表彰了巨磁阻效应发现的贡献。 巨磁阻效应(附加材料)巨磁阻效应是指磁性材料的电阻率根据有无外部磁场的作用而发生较大变化的现象。 巨磁阻是量子力学效应，产生于层状的磁性薄膜结构。 该结构是铁磁性

3、材料和非铁磁性材料的薄层交替层叠而成的。 强磁性层的磁矩相互平行时，与载气的自旋相关的散射最小，材料的电阻最小。 当铁磁层的磁矩为反平行时，自旋散射最强，材料电阻最大。 上下两层为强磁性材料，中间夹层为非强磁性材料。 巨磁阻效应自发现以来，一直用于硬盘数据读取头的开发。 这大大减小了存储单字节数据所需的磁性材料的尺寸，大大提高了磁盘的存储能力。 最早的商用数据读取探针是IBM公司于1997年投入市场的，到目前为止，巨磁阻技术已经成为世界上大部分计算机、数码相机、MP3播放器的标准技术。 二、实验目的1、了解磁阻效应的基本原理和测量磁阻效应的方法。 2 .测量锑化铟传感器的电阻和磁感应强度的关系

4、。 3 .学习使用磁阻传感器测量磁场的方法。 三、实验原理如图1所示，导电体处于磁场中时(电流方向与磁场方向垂直)，导电体内的载流子在洛伦兹力的作用下偏转，在两端蓄积电荷，产生空穴电场。 霍尔电场的作用和某速度的载流子的劳伦兹力的作用正好抵消时，比该速度小的电子向霍尔电场的作用方向偏转，比该速度大的电子向相反方向偏转，因此，向施加电场的方向移动的载流子的数量减少，即电场方向的电流密度减少，电阻增大如果使图1中的UH短路，则磁阻效应变得更显着。 电子受力分析：重力(垂直向下)、电场力1 (施加电压发生)、电场力2 (霍尔效应发生)、洛伦兹力(带电粒子在磁场中移动发生，左手定律)。 左手法则：伸直

5、左手，四个手指对齐，拇指和四个手指指向垂直，磁感应线通过手掌，四个手指指向电流方向，拇指指向的方向就是受力方向。 通常用电阻率的相对变化量表示磁阻的大小，即用/(0)表示。 其中，(0)是零磁场时的电阻率，(b )是将磁场强度设为b时的电阻率，=(B) (0)。由于磁阻传感器的电阻的相对变化率R/R(0)与/(0)成比例，所以在此，R=R(B)R(0)、R(0)、R(B )分别是磁场强度为0和b时的磁阻传感器的电阻值。 因此，也可以用磁阻传感器的电阻的相对变化量R/R(0)表示磁阻效应的大小。 测量磁阻的电阻值r与磁感应强度b的关系的实验装置及线路如图2所示。 灵敏度因磁阻装置而异，但其电阻的

6、相对变化率R/R(0)与外部磁场的关系类似。 实验证明，磁阻效应对外加磁场的极性不敏感，与强度正负磁场的磁阻效应相同。 无论如何，在施加磁场都弱的情况下，伴随着电阻相对变化率R/R(0)与磁场强度b的二次侧成比例的磁场强度的强化，R/R(0)和磁场强度b处于线性函数关系的施加磁场超过规定值时，R/R(0)和磁场强度b的响应有饱和的倾向。 R/R(0)对总磁场的方向敏感，总磁场为外磁场和内磁场之和，内磁场与磁阻薄膜的性质和几何形状有关。 四、实验仪器表明，实验采用DH4510磁阻效应综合实验仪研究了锑化铟(InSb )磁阻传感器的磁阻特性，DH4510磁阻效应综合实验仪由信号源和测试轨两部分组成

7、。 图3是该设备的示意图。 图4是该设备的线路连接图。 5、实验内容1、在使锑化铟磁阻传感器的工作电流保持一定的情况下，测量了锑化铟磁阻传感器的电阻与磁感应强度的关系。 制作R/R(0)和b的关系曲线，进行曲线拟合。 2 .用磁阻传感器测量未知的磁场强度，与用毫米校正测量的磁场强度进行比较，推测测量误差。 六、实验操作步骤、设备启动前，逆时针转动IM调节电位计、Is电流调节电位计直至最后。 1 .信号源的“IM直流源”端子通过导线连接到测试轨道的“励磁电流”输入端子，红导线连接到红端子，黑导线连接到黑端子。 调节“IM电流调节”电位器可以改变输入励磁线圈的电流的大小，改变电磁铁的间隙中磁感应的

8、强度。 2 .测试信号源背部的插座通过专用的连接线连接到测试轨的控制输入端，这供给继电器工作的12V直流控制电源，作为继电器的控制电压。 3 .信号源上的“Is直流恒流源”输出用引线连接到工作电流切换继电器K1端子的中间两端，红引线连接到红端子，黑引线连接到黑端子。 4信号源的“信号输入”两端通过导线与输出信号切换继电器K2端子的中间两端连接，红导线与红端子连接，黑导线与黑端子连接。 5 .继电器K1端子的下表面两端与继电器K2端子的下表面两端连接，红色导线与红色端子连接，黑色导线与黑色端子连接。 6 .锑化铟(InSb )磁阻传感器(蓝绿引线)的两端连接到工作电流切换继电器K1端子的下面两端

9、，红色的香蕉连接到红色端子，黑色的香蕉连接到黑色端子。 也就是说，蓝色引线与红色终端连接，绿色引线与黑色终端连接。 7 .砷化镓(GaAs )霍尔传感器的四条引线按线的长度分为两组，红、灰为一组(工作电流输入端)，橙、黄为一组(霍尔电压输出端)，红、灰为一组连接在工作电流切换继电器K1端子的上表面两端8 .确认布线正确完成后，接通电源，使信号源上左边的“信号选择”切换开关处于弹起状态，在按下将励磁信号作为直流信号的信号源右侧的“信号选择”切换开关的状态下，在还按下了测试轨的切换开关的状态下，从测试轨取出霍尔电9 .调节is调节音量以使is标头显示为1.00mA，然后调节IM以使磁场强度显示为0

10、.x mT，从而记录励磁电流值的大小。10 .弹起信号源右侧的切换开关和测试轨道上的切换开关，测量并记录与该磁场强度对应的磁阻电压。 注意：此时的Is标头显示为1.00mA。 11 .按下测试轨上和信号源右侧的切换开关，调节IM调节音量，使磁场强度显示为20mT，并记录该磁场强度和对应的励磁电流值。 测量并记录该磁场强度下的对应磁阻电压。 重复以上1011步骤，测定的磁场强度的大小在分别为0、20、40、60、80、100、150、200、250、300、350、400、450、的13.b0.12t时对R/R(0)进行曲线近似14 .调节IM电流以使电磁铁产生未知磁场强度。 测量磁阻传感器的磁

11、阻电压，根据求出的R/R(0)和b的关系曲线求出磁场强度。 15 .使用装备在机器上的毫米测量该磁场强度，将测量的磁场强度作为正确的值，与使用磁阻传感器测量的磁场强度值进行比较，估计测量误差。 七、记录实验数据，建立R/R和b关系曲线数据表：调整IM电流，使电磁铁产生未知磁场强度。 测量磁阻传感器的磁阻电压，根据求出的R/R(0)和b的关系曲线求出磁场强度。 用装备在机器上的毫米测量这个磁场强度，把测量的磁场强度作为正确的值与用磁阻传感器测量的磁场强度值进行比较，估计测量误差。 思考题：1，磁阻效应是怎样产生的？ 磁阻效应和霍尔效应有什么样的内部联系？ 2 .实验时为什么霍尔工作电流和磁阻元件中流过的电流不变？3 .磁场强度不同时，磁阻传感器的电阻值和磁感应强度的关系如何变化？4 .磁阻传感器的电阻值与磁场的极性和方向有什