磁阻效應法測量磁場

1、實驗64 磁阻效應及磁阻效應法測量磁場磁阻器件由于其靈敏度高、抗干擾能力強等優(yōu)點在工業(yè)、交通、儀器儀表、醫(yī)療器械、探礦等領(lǐng)域應用十分廣泛，如：數(shù)字式羅盤、交通車輛檢測、導航系統(tǒng)、偽鈔檢別、位置測量等探測器。磁阻器件品種較多，可分為正常磁電阻，各向異性磁電阻，特大磁電阻，巨磁電阻和隧道磁電阻等。其中正常磁電阻的應用十分普遍。銻化銦（InSb）傳感器是一種價格低廉、靈敏度高的正常磁電阻，有著十分重要的應用價值。它可用于制造在磁場微小變化時測量多種物理量的傳感器。本實驗使用兩種材料的傳感器：砷化鎵（GaAs）測量磁感應強度和研究銻化銦（InSb）在磁感應強度變化時的電阻，融合霍爾效應和磁阻效應兩種物

2、理現(xiàn)象。【實驗目的】1了解磁阻現(xiàn)象與霍爾效應的關(guān)系與區(qū)別；2測量銻化銦傳感器的電阻與磁感應強度的關(guān)系；3作出銻化銦傳感器的電阻變化與磁感應強度的關(guān)系曲線；【實驗儀器】磁阻效應實驗儀【實驗原理】在一定條件下，導電材料的電阻值R隨磁感應強度B的變化規(guī)律稱為磁阻效應。圖1 磁阻效應如圖1所示，當材料處于磁場中時，導體或半導體內(nèi)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)生霍爾電場。如霍爾電場作用和某一速度的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)，因而沿外加電場方向運動的載流子數(shù)目將減少，電阻增大，表現(xiàn)出橫向磁阻效應。如果將圖1 中a、b端短接，霍爾電場將不

3、存在，所有電子將向a端偏轉(zhuǎn)，磁阻效應更明顯。通常以電阻率的相對改變量來表示磁阻的大小，即用/(0)表示，其中(0)為零磁場時的電阻率，設(shè)磁電阻阻值在磁感應強度為B的磁場中電阻率為(B)，則=(B)(0), 由于磁阻傳感器電阻的相對變化率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改變量R/R(0)來表示磁阻效應的大小。實驗證明，當金屬或半導體處于較弱磁場中時，一般磁阻傳感器電阻相對變化率R/R（0）正比于磁感應強度B的平方，而在強磁場中R/R（0）與磁感應強度B呈線性函數(shù)關(guān)系。磁阻傳感器的上述特性在物理學和電子學方面有著重要應用。如果半導體材料磁

4、阻傳感器處于角頻率為的弱正弦波交流磁場中，由于磁電阻相對變化量R/R（0）正比于B2，那么磁阻傳感器的電阻R將隨角頻率2作周期性變化。即在弱正弦波交流磁場中磁阻傳感器具有交流電倍頻性能。若外界交流磁場的磁感強度B為 （1）式中，為磁感應強度的振幅，為角頻率,t為時間。設(shè)在弱磁場中， （2）（2）式中，k為常量。假設(shè)電流恒定為，由（1）式和（2）式可得（3）（3）式中，為不隨時間變化的電阻值，而為以角頻率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中，將產(chǎn)生倍頻交流電阻值變化。由（3）式可知磁阻上的分壓為振蕩頻率兩倍的交流電壓和一直流電壓的疊加。 （4）儀器介紹圖2 磁阻效應

5、實驗儀面板圖 儀器的面板結(jié)構(gòu)是圖2,與實驗儀的聯(lián)接是圖3圖3 磁阻效應實驗儀連接圖IM勵磁電流：01000mA連續(xù)可調(diào)；霍爾、磁阻傳感器工作電流I1(I2)05mA ；水平位移范圍±20mm；霍爾元件的靈敏度k=177mV/mA·T；【實驗內(nèi)容】1測定勵磁電流和磁感應強度的關(guān)系:測量勵磁電流IM與UH的關(guān)系。（測量電磁鐵的磁化曲線）按圖2面板圖，把各相應連接線接好（為了避免把電磁鐵的勵磁電流錯接到霍爾元件上,儀器設(shè)計時,特地用四芯插座和專用電纜連接勵磁電流和勵磁線圈。）測試開始時，可調(diào)節(jié)IM=0mA，處于零磁場狀態(tài)，調(diào)節(jié)左邊霍爾傳感器位置，使霍爾傳感器在電磁鐵氣隙最外邊，離

6、氣隙中心約20mm。調(diào)霍爾工作電流IH=5.00mA，預熱分鐘后，測量霍爾傳感器的不等位電壓U01.8mV。然后調(diào)節(jié)左邊霍爾傳感器位置，使傳感器印板上0刻度對準電磁鐵上中間基準線，面板上繼電器控制按鈕開關(guān)K1和K2均按下。調(diào)勵磁電流IM為0、100、200、300、400、 。1000mA。記錄對應數(shù)據(jù)并繪制電磁鐵BIM關(guān)系磁化曲線。由霍爾元件的原理可知，磁場B的計算公式是：。2 測量電磁鐵氣隙磁場沿水平方向的分布: 調(diào)節(jié)勵磁電流IM=500mA ，IH=5.00mA時，測量霍爾輸出電壓VH與水平位置X的關(guān)系。根據(jù)中數(shù)據(jù)作BX關(guān)系曲線3測量磁感應強度和磁阻變化的關(guān)系:（1）調(diào)節(jié)傳感器位置，使傳感器印刷板上0刻度對準電磁鐵上中間基準線，把勵磁電流先調(diào)節(jié)為0，釋放K1、K2 ，按下K3 ，K4打向上方。在無磁場的情況下，調(diào)節(jié)磁阻工作電流I2，使儀器數(shù)字式毫伏表顯示電壓U2=800.0mV，記錄此時的I2數(shù)值，此時按下K1、K2 ，記錄霍爾輸出電壓VH，改變K4方向再測一次VH值，依次記錄數(shù)據(jù)。各開關(guān)回復原狀；（2）按上述步驟，逐步增加勵磁電流，改變I2，在基本保持U2=800.0mV不變的情況下，重復以上過程，將數(shù)據(jù)記錄到自擬的表格中，根據(jù)數(shù)據(jù)作關(guān)系曲線。（3）觀察并分析曲線中描述變量間的函數(shù)關(guān)系，分段研究非線性與線性區(qū)域的函數(shù)關(guān)系，用