巨磁阻效应实验报告

巨磁阻效应实验报告
篇一:磁阻效应实验报告
近代物理实验报告
专业2011级应用物理学班级(2) 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、
2、
3、
4、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。

测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系。

作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线。

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
1
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Δρ/ρ(0)表示。

其中ρ(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ρ(B)，则
Δρ=ρ(B)-ρ(0)。

由于磁阻传感器电阻的相对变化率ΔR/R(0)正比于
Δρ/ρ(0)，这里ΔR=R(B)-R(0)，因此也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量
ΔR/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ΔR/R(0)正比于磁感应强度B的平方，而在强磁场中ΔR/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。

2
如果半导体材料磁阻传感器处于角频率为ω的弱正弦波交流磁场中，由于磁电阻相对变化量ΔR/R(0)正比于B，则磁阻传感器的电阻值R将随角频率2ω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=B0COSωt (1)
(1)式中，B0为磁感应强度的振幅，ω为角频率，t为时间。

2设在弱磁场中ΔR/R(0)=KB(2)
(2)式中，K为常量。

由(1)式和(2)式可得
R(B)=R(0)+ΔR=R(0)+R(0)×[ΔR/R(0)]
22=R(0)+R(0)KB0COSωt 2
1212R(0)KB0+R(0)KB0COS2ωt (3) 22
1122(3)式中，R(0)+R(0)KB0为不随时间变化的电阻值，而R(0)KB0cos2ωt为以角频22=R(0)+
率2ω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
3
,( 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:0,100,200…800mA。

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，
其中励磁电流IM=0时，B?0，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
4
B，求出ΔR/R(0)与B的关系。

作ΔR/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I取的确定可按如下方法:例如取样电阻标称值为300Ω，而经测量接线柱上外接取样电阻实际值为R=298.9Ω，可调节电流，使电阻两端电压
U=298.9mV;
则电流I取 =U298.9==1.00mA;R298.9
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。

5
实验记录表格如下:
请在这插入折线图
对ΔR/R与B关系曲线图的分析:
1、在B<60mT时:
令ΔR/R(0),kBn ，则ln(ΔR/R(0))=n lnB+lnk
用双对数坐标纸经直线拟合后得:n,1.97，可知在B<0.06T时磁阻变化率ΔR/R(0)
2与磁感应强度B近似成二次函数关系。

在B<60mT时，拟合得到
ΔR/R(0)=29.2B
2、B>120mT时:
n1令ΔR/R(0),k1B，则ln(ΔR/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B>0.12时磁阻变化率
ΔR/R(0)与磁感应强度B近似成一次函数关系。

在B>0.12T时，拟合得到
ΔR/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
6
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、较认真、一般、较差、很差 );
占30%
2. 原始数据及实验结果:( 准确合理、较准确、不合理 );占
30%
3. 误差分析或作图:( 规范、中等、不规范 );占20%
4. 卷面整洁度:( 很好、较好、中等、较差、很差 );
占20%
评定等级:() 教师签名:日期:
篇二:巨磁阻效应实验报告数据
数据处理
7
实验一线圈电流由零开始变化测得输出电压V和磁场B的关系如下图示
由上图可以看出2mT以下部分传感器的输出电压和磁场变化情况接近线性变化，其灵敏度K=0.1325 相关系数为0.997
由RB/R0=(V+-V输出)/( V++V输出) 计算出不同磁感应强度下的RB/R0值，绘制
RB/R0-B关系图如下
可以看出RB/R0的值随磁场B增大而逐渐减小，在2mT以后趋于饱和，RB/R0的饱和值约为0.9。

则该传感器的电阻相对变化率(RB-R0)/R0的最大值约为0.9-1=-0.1=-10%
实验二测量时，巨磁阻传感器工作电压V+为5.00v,线圈电流为0.06A。

利用实验所得数据作V输出—COSθ关系图如下示:
从图中可以看出在COSθ=0.6附近有一个瑕点外，具有较良好的线性关系
V=0.1441COSθ，相关系数为0.9986，即传感器的输出电压与传感器敏感轴—磁场间夹角θ成余弦关系。

问题思考
1.如何避免地磁场影响，并解释原因。

本次实验中亥姆霍兹线圈产生磁场来验证材料在有无磁场的情况下电阻的变化，必然会受到地磁场的影响，故我们
8
在实验过程中每次旋转角度后，应重新调零，减小每次旋转角度地磁场对实验误差的积累。

篇三:巨磁电阻效应及其应用研究性实验报告
北京航空航天大学
基础物理实验
巨磁电阻效应及其应用研
究性实验报告
摘要
本报告研究了巨磁电阻效应及其应用。

报告详细的阐述了该实验的实验背景、实验原理、实验仪器及实验内容。

数据处理部分，报告将原始数据绘制成表格，并将用Matlab绘制成图像，能够较清晰的表示出物理量之间的关系。

另外，本报告
对巨磁电阻的应用进行了大量的探究，列举了一些巨磁电阻于当今时代的应用，阐述了巨磁电阻的应用前景。

关键字
巨磁电阻、传感器、磁感应强度、电压、电流
目录
摘要...................................................................... .............................
(1)
关键
字.................................................................. .................................
9
(1)
一、实验背
景.................................................................. .. (5)
二、实验原
理.................................................................. .. (5)
三、实验仪
器.................................................................. .. (7)
1、实验仪主
机.................................................................. . (7)
2、基本特性组件模
块.................................................................. . (8)
3、电流测量组
件.................................................................. (9)
4、角位移测量组
件.................................................................. .. (9)
5、磁读写组
件.................................................................. . (9)
四、实验内
容.................................................................. .................................
10
(10)
1、GMR模拟传感器的磁电转换特性测
量 (10)
2、GMR磁阻特性测
量 ................................................................. (11)
3、GMR开关(数字)传感器的磁电转换特性曲线测
量 (12)
4、用GMR模拟传感器测量电
流 (13)
5、GMR梯度传感器的特性及应
用 (14)
6、磁记录与读
出.................................................................. . (15)
五、数据处
理.................................................................. .................................
(15)
1、GMR模拟传感器的磁电转换特性测
量 (15)
2、GMR磁阻特性测
量 ................................................................. (17)
3、GMR开关(数字)传感器的磁电转换特性曲线测
量 (18)
11
4、用GMR模拟传感器测量电
流 (19)
5、GMR梯度传感器的特性及应
用 (20)
6、磁记录与读
出.................................................................. . (21)
六、实验思
考.................................................................. .................................
(22)
1、推导公
式????????=????????????????? ....................................... (22)
2、实验感想...................................................................
(23)
七、GMR传感器在有关领域的应用实
例 (23)
1、基于GMR传感器阵列的生物检
测 (23)
2、将GMR用于导航及高速公路的车辆监控系
统 (24)
3、GMR磁敏传感器在磁性介质的探测和磁性油墨鉴伪点
钞机中的应用
12
.................................................................... . (25)
八、实验总
结.................................................................. (25)
图 1 多层膜GMR结构
图 ................................................................. .. (6)
图 2 某种GMR材料的磁阻特
性 ................................................................. .. (6)
图 3 自旋阀SV-GMR结构
图 ................................................................. .. (7)
图 4巨磁阻实验仪操作面
板.................................................................. . (8)
图 5 基本特性组
件.................................................................. . (8)
图 6 电流测量组
件.................................................................. . (9)
图 7 角位移测量组
件.................................................................. (9)
图 8 磁读写组
件.................................................................. .. (9)
13
图 9 GMR模拟传感器结构
图 ................................................................. (10)
图 10 GMR模拟传感器的磁电转换特
性 (10)
图 11模拟传感器磁电转换特性实验原理
图 (11)
图 12磁阻特性测量原理
图.................................................................. . (11)
图 13 GMR开关传感
器 ................................................................. . (12)
图 14 GMR开关传感器磁电转换特
性 (12)
图 15模拟传感器测量电流实验原理
图 (13)
图 16 GMR梯度传感器结构
图 ................................................................. . (14)
图 17 用GMR梯度传感器检测齿轮位
移 (14)
图 18 磁电转换特性曲
线.................................................................. . (16)
图 19 磁阻特性曲
线.................................................................. (18)
14
图 20 GMR开关传感器磁电转换特性曲
线 (19)
图 21 输出电压与待测电流的关系曲
线 (20)
图 22 用GMR梯度传感器检测齿轮位移的电压和转角
关系图 (21)
图 23 电路连接
图.................................................................. . (22)
图 24 直接标记
法.................................................................. . (23)
图 25 两部标记
法.................................................................. . (24)
表格 1 电流随磁感应强度变化
表.................................................................. .. 15
表格 2 磁阻随磁感应强度变化
表.................................................................. .. 17
表格 3 电平随励磁电流变化
表.................................................................. (18)
表格 4 输出电压随待测电流变化关系
表 (19)
表格 5 电压和齿轮转角间的关
系.................................................................. .. 21
15
表格 6 二进制数的写入与读
出.................................................................. (22)
16。