磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告專業(yè) 2011級(jí)應(yīng)用物理學(xué) 班級(jí)（2）組別 指導(dǎo)教師 彭云雄 姓名 同組人 實(shí)驗(yàn)時(shí)間 2013 年 12 月 23 日 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn) K7-108 實(shí)驗(yàn)名稱 磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 測(cè)量電磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度與勵(lì)磁電流的關(guān)系和電磁鐵磁場(chǎng)分布。2、 測(cè)量銻化銦傳感器的電阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系。3、 作出銻化銦傳感器的電阻變化與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線。4、 對(duì)此關(guān)系曲線的非線性區(qū)域和線性區(qū)域分別進(jìn)行擬合。二、實(shí)驗(yàn)原理圖1 磁阻效應(yīng)原理一定條件下，導(dǎo)電材料的電阻值R隨磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化規(guī)律稱為磁阻效應(yīng)。如圖1所示，當(dāng)半導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體或半導(dǎo)體的載流子將受洛侖茲力的作用，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在兩端產(chǎn)生積聚電荷并產(chǎn)生霍耳電場(chǎng)。如果霍耳電場(chǎng)作用和某一速度載流子的洛侖茲力作用剛好抵消，那么小于或大于該速度的載流子將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而沿外加電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)量將減少，電阻增大，表現(xiàn)出橫向磁阻效應(yīng)。若將圖1中a端和b端短路，則磁阻效應(yīng)更明顯。通常以電阻率的相對(duì)改變量來(lái)表示磁阻的大小，即用/（0）表示。其中（0）為零磁場(chǎng)時(shí)的電阻率，設(shè)磁電阻在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中電阻率為（B），則=（B）-（0）。由于磁阻傳感器電阻的相對(duì)變化率R/R（0）正比于/（0），這里R=R（B）-R（0），因此也可以用磁阻傳感器電阻的相對(duì)改變量R/R（0）來(lái)表示磁阻效應(yīng)的大小。圖2圖2所示實(shí)驗(yàn)裝置，用于測(cè)量磁電阻的電阻值R與磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)金屬或半導(dǎo)體處于較弱磁場(chǎng)中時(shí)，一般磁阻傳感器電阻相對(duì)變化率R/R（0）正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方，而在強(qiáng)磁場(chǎng)中R/R（0）與磁感應(yīng)強(qiáng)度B呈線性關(guān)系。磁阻傳感器的上述特性在物理學(xué)和電子學(xué)方面有著重要應(yīng)用。如果半導(dǎo)體材料磁阻傳感器處于角頻率為的弱正弦波交流磁場(chǎng)中，由于磁電阻相對(duì)變化量R/R（0）正比于B2，則磁阻傳感器的電阻值R將隨角頻率2作周期性變化。即在弱正弦波交流磁場(chǎng)中，磁阻傳感器具有交流電倍頻性能。若外界交流磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為 B=B0COSt （1） （1）式中，B0為磁感應(yīng)強(qiáng)度的振幅，為角頻率，t為時(shí)間。設(shè)在弱磁場(chǎng)中 R/R(0)=KB2 （2）（2）式中，K為常量。由（1）式和（2）式可得R(B)=R(0)+R=R(0)+R(0)R/R(0) =R(0)+R(0)KB02COS2t=R(0)+R(0)KB02+R(0)KB02COS2t （3）（3）式中，R(0)+R(0)KB02為不隨時(shí)間變化的電阻值，而R(0)KB02cos2t為以角頻率2作余弦變化的電阻值。因此，磁阻傳感器的電阻值在弱正弦波交流磁場(chǎng)中，將產(chǎn)生倍頻交流電阻阻值變化。三、實(shí)驗(yàn)儀器HLD-MRE-II型磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀：包括直流雙路恒流電源、0-2V直流數(shù)字電壓表、電磁鐵、數(shù)字式毫特儀（GaAs作探測(cè)器）、銻化銦（InSb）磁阻傳感器等組成。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟 測(cè)量電磁鐵勵(lì)磁電流IM與電磁鐵氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系（測(cè)量電磁鐵磁化曲線）1) 對(duì)準(zhǔn)航空插頭座缺口方向,用雙頭航空插頭線連接實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)儀傳感器接口，傳感器固定印板轉(zhuǎn)出電磁鐵氣隙, (以減小電磁鐵矽鋼片殘磁影響)，預(yù)熱10分鐘后調(diào)零毫特儀，使其顯示0.0mT。2) 連接電磁鐵電流輸入線，置傳感器印板于電磁鐵氣隙中,將電磁鐵通入電流，調(diào)勵(lì)磁電流變化依次為：0,100,200800mA。記錄勵(lì)磁電流和電磁感應(yīng)強(qiáng)度在表1中，并繪制電磁鐵磁化曲線， 表IM/mA0100200300400500600700800B/mT其中勵(lì)磁電流IM=0時(shí)，B0，表明電磁鐵有剩磁存在。請(qǐng)?jiān)谶@插入折線圖2.測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁電阻大小的關(guān)系1）按圖2所示將銻化銦（InSb）磁阻傳感器與外接電阻（接線柱上已裝電阻，也可外接電阻箱）串聯(lián)，并與可調(diào)直流電源相接，數(shù)字電壓表的一端連接磁阻傳感器和電阻(或電阻箱)公共接點(diǎn)，作為測(cè)量參考點(diǎn)，單刀雙向開(kāi)關(guān)可分別與串接電阻、磁電阻InSb切換，用于測(cè)量它們的端電壓。2）由測(cè)量磁阻傳感器的電流及其兩端的電壓，求磁阻傳感器的電阻R；調(diào)節(jié)通過(guò)電磁鐵的電流，改變電磁鐵氣隙中磁場(chǎng)，由毫特儀讀出相應(yīng)的B，求出R/R(0)與B的關(guān)系。作R/R（0）與B的關(guān)系曲線，并進(jìn)行曲線擬合。一般地，可保持銻化銦磁阻傳感器電流或電壓不變的條件下，測(cè)量銻化銦磁阻傳感器的電阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系。（實(shí)驗(yàn)時(shí)注意GaAs和InSb傳感器工作電流應(yīng)3m A）。本實(shí)驗(yàn)采用保持實(shí)驗(yàn)樣品電流恒定的條件下，通過(guò)測(cè)量其端電壓來(lái)計(jì)算其電阻值。取樣電流的確定可按如下方法：例如取樣電阻標(biāo)稱值為300，而經(jīng)測(cè)量接線柱上外接取樣電阻實(shí)際值為 R=298.9，可調(diào)節(jié)電流，使電阻兩端電壓U=298.9mV；則電流 =1.00mA； 3）實(shí)驗(yàn)步驟（a）如圖2所示連接好導(dǎo)線。單刀開(kāi)關(guān)向上接通測(cè)量外接電阻電壓，根據(jù)取樣電阻的阻值確定取樣電流，調(diào)節(jié)InSb電流調(diào)節(jié)旋鈕，使電壓測(cè)量值為U=300.0mV，則InSb磁電阻和外接電阻通入的電流為1.00mA, 單刀開(kāi)關(guān)向下接通測(cè)量InSb磁電阻兩端的電壓時(shí)，因電流方向顯示的電壓為負(fù)值，記錄數(shù)值時(shí)無(wú)須記錄。(b)實(shí)驗(yàn)樣品固定印板置于電磁鐵氣隙中，電磁鐵勵(lì)磁電流調(diào)為0開(kāi)始實(shí)驗(yàn)測(cè)量，此時(shí)的磁場(chǎng)很小，忽略不計(jì)，此時(shí)測(cè)得的電阻值為實(shí)驗(yàn)樣品的R(0)，實(shí)驗(yàn)中可經(jīng)常觀測(cè)外接電阻兩端電壓是否變化來(lái)表明InSb電流的穩(wěn)定情況。實(shí)驗(yàn)記錄表格如下：表2電磁鐵InSbBR/R(0)對(duì)應(yīng)關(guān)系I/mAU/mVB/mTR/R/R(0)請(qǐng)?jiān)谶@插入折線圖對(duì)R/R與B關(guān)系曲線圖的分析：1、在B60mT時(shí)：令R/R(0)kBn ，則ln(R/R(0)=n lnB+lnk用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙經(jīng)直線擬合后得：n1.97，可知在B0.06T時(shí)磁阻變化率R/R(0)與磁感應(yīng)強(qiáng)度B近似成二次函數(shù)關(guān)系。在B120mT時(shí)： 令R/R(0)k1Bn1 ，則ln(R/R(0)=n1 lnB+lnk1用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙經(jīng)直線擬合后得：n1=0.8，可知在B0.12時(shí)磁阻變化率R/R(0)與磁感應(yīng)強(qiáng)度B近似成一次函數(shù)關(guān)系。在B0.12T時(shí)，擬合得到 R/R(0)=1.72B+0.14 相關(guān)系數(shù) r=0.9996五、注意事項(xiàng)銻化銦磁阻傳感器作為半導(dǎo)體材料溫度系數(shù)較大，即對(duì)溫度變化很敏感，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)下列因素會(huì)影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：1、 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度2、 電磁鐵的溫升3、 銻化錮的工作電流故經(jīng)測(cè)量在不同的室溫條件下其常態(tài)電阻差異性很大；為了減少電磁鐵的溫升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量應(yīng)快一些，不宜長(zhǎng)時(shí)間通電實(shí)驗(yàn)，更不應(yīng)使電磁鐵長(zhǎng)時(shí)間處在大電流工作狀態(tài)；通過(guò)實(shí)驗(yàn)樣品的電流要取小一些，可有效減小其溫升，從而使電阻值相對(duì)穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)時(shí)可改變勵(lì)磁電流的方向說(shuō)明磁阻傳感器的電阻變化與磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小有關(guān),而與磁場(chǎng)方向無(wú)關(guān).可解釋倍頻效應(yīng)的原因.六.實(shí)驗(yàn)小結(jié)：教師評(píng)語(yǔ)：1. 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)：（ 認(rèn)真