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）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。

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 2

，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=B 0COS ωt （1）

（1）式中，B 0为磁感应强度的振幅，ω为角频率，t 为时间。

设在弱磁场中 ΔR/R(0)=KB 2 （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)]

=R(0)+R(0)KB 02COS 2ωt =R(0)+

21R(0)KB 02+2

1R(0)KB 02COS2ωt （3） （3）式中，R(0)+21R(0)KB 02为不随时间变化的电阻值，而21R(0)KB 02cos2ωt 为以角频率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

１．测量电磁铁励磁电流I M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I M=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。

I的确定可按如下方法：例如取样电阻标称值为300Ω，而经测量接线取样电流

取

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 取I =R U =9

.2989.298=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：

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)＝kB n ，则ln(ΔR/R(0))=n lnB+lnk