磁阻效应实验报告.doc

近代物理实验报告专业 2011级应用物理学 班级（2）组别 指导教师 彭云雄 姓名 同组人 实验时间 2013 年 12 月 23 日 实验地点 K7-108 实验名称 磁阻效应实验 一、实验目的1、 测量电磁铁的磁感应强度与励磁电流的关系和电磁铁磁场分布。2、 测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系。3、 作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线。4、 对此关系曲线的非线性区域和线性区域分别进行拟合。二、实验原理图1 磁阻效应原理一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B的变化规律称为磁阻效应。如图1所示，当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍耳电场。如果霍耳电场作用和某一速度载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，那么小于或大于该速度的载流子将发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，电阻增大，表现出横向磁阻效应。若将图1中a端和b端短路，则磁阻效应更明显。通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻的大小，即用/（0）表示。其中（0）为零磁场时的电阻率，设磁电阻在磁感应强度为B的磁场中电阻率为（B），则=（B）-（0）。由于磁阻传感器电阻的相对变化率R/R（0）正比于/（0），这里R=R（B）-R（0），因此也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量R/R（0）来表示磁阻效应的大小。图2图2所示实验装置，用于测量磁电阻的电阻值R与磁感应强度B之间的关系。实验证明，当金属或半导体处于较弱磁场中时，一般磁阻传感器电阻相对变化率R/R（0）正比于磁感应强度B的平方，而在强磁场中R/R（0）与磁感应强度B呈线性关系。磁阻传感器的上述特性在物理学和电子学方面有着重要应用。如果半导体材料磁阻传感器处于角频率为的弱正弦波交流磁场中，由于磁电阻相对变化量R/R（0）正比于B2，则磁阻传感器的电阻值R将随角频率2作周期性变化。即在弱正弦波交流磁场中，磁阻传感器具有交流电倍频性能。若外界交流磁场的磁感应强度B为 B=B0COSt （1） （1）式中，B0为磁感应强度的振幅，为角频率，t为时间。设在弱磁场中 R/R(0)=KB2 （2）（2）式中，K为常量。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为不随时间变化的电阻值，而R(0)KB02cos2t为以角频率2作余弦变化的电阻值。因此，磁阻传感器的电阻值在弱正弦波交流磁场中，将产生倍频交流电阻阻值变化。三、实验仪器HLD-MRE-II型磁阻效应实验仪：包括直流双路恒流电源、0-2V直流数字电压表、电磁铁、数字式毫特仪（GaAs作探测器）、锑化铟（InSb）磁阻传感器等组成。四、实验内容和步骤 测量电磁铁励磁电流IM与电磁铁气隙中磁感应强度B的关系（测量电磁铁磁化曲线）1) 对准航空插头座缺口方向,用双头航空插头线连接实验装置和实验仪传感器接口，传感器固定印板转出电磁铁气隙, (以减小电磁铁矽钢片残磁影响)，预热10分钟后调零毫特仪，使其显示0.0mT。2) 连接电磁铁电流输入线，置传感器印板于电磁铁气隙中,将电磁铁通入电流，调励磁电流变化依次为：0,100,200800mA。记录励磁电流和电磁感应强度在表1中，并绘制电磁铁磁化曲线， 表IM/mA0100200300400500600700800B/mT其中励磁电流IM=0时，B0，表明电磁铁有剩磁存在。请在这插入折线图2.测量磁感应强度和磁电阻大小的关系1）按图2所示将锑化铟（InSb）磁阻传感器与外接电阻（接线柱上已装电阻，也可外接电阻箱）串联，并与可调直流电源相接，数字电压表的一端连接磁阻传感器和电阻(或电阻箱)公共接点，作为测量参考点，单刀双向开关可分别与串接电阻、磁电阻InSb切换，用于测量它们的端电压。2）由测量磁阻传感器的电流及其两端的电压，求磁阻传感器的电阻R；调节通过电磁铁的电流，改变电磁铁气隙中磁场，由毫特仪读出相应的B，求出R/R(0)与B的关系。作R/R（0）与B的关系曲线，并进行曲线拟合。一般地，可保持锑化铟磁阻传感器电流或电压不变的条件下，测量锑化铟磁阻传感器的电阻与磁感应强度的关系。（实验时注意GaAs和InSb传感器工作电流应3m A）。本实验采用保持实验样品电流恒定的条件下，通过测量其端电压来计算其电阻值。取样电流的确定可按如下方法：例如取样电阻标称值为300，而经测量接线柱上外接取样电阻实际值为 R=298.9，可调节电流，使电阻两端电压U=298.9mV；则电流 =1.00mA； 3）实验步骤（a）如图2所示连接好导线。单刀开关向上接通测量外接电阻电压，根据取样电阻的阻值确定取样电流，调节InSb电流调节旋钮，使电压测量值为U=300.0mV，则InSb磁电阻和外接电阻通入的电流为1.00mA, 单刀开关向下接通测量InSb磁电阻两端的电压时，因电流方向显示的电压为负值，记录数值时无须记录。(b)实验样品固定印板置于电磁铁气隙中，电磁铁励磁电流调为0开始实验测量，此时的磁场很小，忽略不计，此时测得的电阻值为实验样品的R(0)，实验中可经常观测外接电阻两端电压是否变化来表明InSb电流的稳定情况。实验记录表格如下：表2电磁铁InSbBR/R(0)对应关系I/mAU/mVB/mTR/R/R(0)请在这插入折线图对R/R与B关系曲线图的分析：1、在B60mT时：令R/R(0)kBn ，则ln(R/R(0)=n lnB+lnk用双对数坐标纸经直线拟合后得：n1.97，可知在B0.06T时磁阻变化率R/R(0)与磁感应强度B近似成二次函数关系。在B120mT时： 令R/R(0)k1Bn1 ，则ln(R/R(0)=n1 lnB+lnk1用双对数坐标纸经直线拟合后得：n1=0.8，可知在B0.12时磁阻变化率R/R(0)与磁感应强度B近似成一次函数关系。在B0.12T时，拟合得到 R/R(0)=1.72B+0.14 相关系数 r=0.9996五、注意事项锑化铟磁阻传感器作为半导体材料温度系数较大，即对温度变化很敏感，所以实验时下列因素会影响实验数据：1、 实验室环境温度2、 电磁铁的温升3、 锑化锢的工作电流故经测量在不同的室温条件下其常态电阻差异性很大；为了减少电磁铁的温升实验数据测量应快一些，不宜长时间通电实验，更不应使电磁铁长时间处在大电流工作状态；通过实验样品的电流要取小一些，可有效减小其温升，从而使电阻值相对稳定。实验时可改变励磁电流的方向说明磁阻传感器的电阻变化与磁场强度的大小有关,而与磁场方向无关.可解释倍频效应的原因.六.实验小结：教师评语：1. 实验预习：（ 认真