《大学物理实验》课程教学资源（教材讲义）巨磁阻效应及其应用

大学物理实验:232:4.对实验内容4所测得的数据进行拟合，确定磁悬浮传动系统的传动比，并绘制该系统特性曲线：5.对实验内容5所测得的数据进行拟合，确定输出电压随铝盘转速变化的函数关系，并绘制关系曲线.【注意事项】1.力传感器安装时方向不要弄错，从测臂端头向立柱方向看，传感器上标注的箭头表示测力方向.2.各项测量前，确保磁铁与铝盘无摩擦、碰撞并固定牢固，以免磁铁碎屑飞出伤人，造成伤人事故，3.为了防止在铝盘高速转动时的牵引力导致传感器测臂转动.立柱上的固定螺丝一定要拧紧！【预习思考题】1.磁牵引力是如何产生的？与铝盘转速关系如何？2.磁铁在转动的铝盘附近既受牵引力又受浮力，测力传感器测到的是牵引力还是浮力？3.在进行实验内容1和2时，磁体为什么要尽量靠近铝盘？【讨论思考题】本实验中哪一项测量数据的离散最大？主要原因是什么？如何改进？【拓展阅读】[1]赵凯华，电磁学.高等教育出版社，2006[2]］田晓岑，张萍.2000.磁悬浮列车原理简介.大学物理，19（8)：42一46.[3]］王延安，陈世元，苏战排.2001.EMS式与EDS式磁悬浮列车系统的比较分析.铁道车辆.39(10）：17—205. 5巨磁阻效应及其应用【引言】1988年，法国物理学家阿尔贝·费尔（AlbertFert）在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻天小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍，他把这种效应命名为巨磁阻效应（GiantMagneto一Resistive，GMR）.就在同一时期，德国的彼得·格林贝格尔教授领导的研究小组在具有层间反平行磁化的铁、铬、铁三层膜结构中也发现了完全同样的现象.两位科学家也因此共同获得2007年诺贝尔物理学奖，得益于巨磁阻效应在读写硬盘数据技术的应用，硬盘的容量一跃提高了几百倍，【实验目的】1：了解巨磁阻效应的原理和相关特性（1）学习巨磁阻和巨磁阻效应产生的原理.（2）了解巨磁阻传感器的结构，测绘巨磁阻传感器的磁电转换特性曲线B-U和磁阻特性曲线B-R2.通过实验了解巨磁阻的相关应用测绘磁电转换开关特性曲线、电流测量曲线I-U、梯度传感器特性曲线6-U，了解巨磁阻

4.对实验内容4所测得的数据进行拟合,确定磁悬浮传动系统的传动比,并绘制该系统特 性曲线. 5.对实验内容5所测得的数据进行拟合,确定输出电压随铝盘转速变化的函数关系,并绘 制关系曲线. 暰注意事项暱 1.力传感器安装时方向不要弄错,从测臂端头向立柱方向看,传感器上标注的箭头表示测 力方向. 2.各项测量前,确保磁铁与铝盘无摩擦、碰撞并固定牢固,以免磁铁碎屑飞出伤人,造成伤 人事故. 3.为了防止在铝盘高速转动时的牵引力导致传感器测臂转动.立柱上的固定螺丝一定要 拧紧! 暰预习思考题暱 1.磁牵引力是如何产生的? 与铝盘转速关系如何? 2.磁铁在转动的铝盘附近既受牵引力又受浮力,测力传感器测到的是牵引力还是浮力? 3.在进行实验内容1和2时,磁体为什么要尽量靠近铝盘? 暰讨论思考题暱 本实验中哪一项测量数据的离散最大? 主要原因是什么? 如何改进? 暰拓展阅读暱 [1] 赵凯华.电磁学.高等教育出版社,2006. [2] 田晓岑,张萍.2000.磁悬浮列车原理简介.大学物理,19(8):42—46. [3] 王延安,陈世元,苏战排.2001.EMS式与EDS式磁悬浮列车系统的比较分析.铁道 车辆,39(10):17—20. 5灡5 巨磁阻效应及其应用 暰引言暱 1988年,法国物理学家阿尔贝·费尔(AlbertFert)在铁、铬相间的多层膜电阻中发现,微 弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化,其变化的幅度比通常高十几倍,他把这种效应命 名为巨磁阻效应(Giant Magneto-Resistive,GMR).就在同一时期,德国的彼得·格林贝格 尔教授领导的研究小组在具有层间反平行磁化的铁、铬、铁三层膜结构中也发现了完全同样的 现象.两位科学家也因此共同获得2007年诺贝尔物理学奖,得益于巨磁阻效应在读写硬盘数 据技术的应用,硬盘的容量一跃提高了几百倍. 暰实验目的暱 1.了解巨磁阻效应的原理和相关特性 (1)学习巨磁阻和巨磁阻效应产生的原理. (2)了解巨磁阻传感器的结构,测绘巨磁阻传感器的磁电转换特性曲线B U 和磁阻特性 曲线B R. 2.通过实验了解巨磁阻的相关应用 测绘磁电转换开关特性曲线、电流测量曲线I U、梯度传感器特性曲线毴 U,了解巨磁阻 ·232· 大学物理实验

第5章设计性与应用性实验:233.在磁记录与读取的应用，【实验原理】1.巨磁阻效应的原理（1）自旋散射根据微观电子学理论，电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断和晶格中的原子产生碰撞（又称散射），每次散射后电子都会改变运动方向，总的运动是电场对电子的定向加速与这种无规散射运动的叠加.电子在两次散射之间走过的平均路程称为平均自由程，电子散射几率小，则平均自由程长、电阻率低.在欧姆定律中：1R=pS(5-5-1)一般将电阻率。视为常数，与材料的几何尺度无关，这是忽略了边界效应的结果，当材料的几何尺度小到纳米量级（即只有几个原子的厚度）时，电子在边界上的散射几率将大大增加，就可以明显观察到随着材料的厚度减小，电阻率增加的现象电子除携带电荷外，还具有自旋特性，自旋方向有平行或反平行于外磁场两种取向.早在1936年，就有理论指出，在过渡金属中，自旋方向与材料的磁场方向平行的电子，所受散射几率远大于自旋方向与材料的磁场方向反平行的电子.总电流是两类自旋电流之和；总电阻是两类自旋电流的并联电阻，这就是所谓的两电流模型（2）巨磁阻效应巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象，它是一种量子力学效应·产生于层状的磁性薄膜结构，这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成，外面两层为铁磁材料，中间夹层是非铁磁材料.无外磁场时，外面两层磁性材料是反平行（反铁磁）耦合的，此时与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大.施加足够强的外磁场后，两层铁磁膜的方向都与外磁场方向一致，外磁场使两层铁磁膜从反平行耦合变成广平行耦合，此时载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻，铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的，因而较小的磁场也可以得到较大电阻变化的材料上述过程如图5-5-1所示，左面和右面的材料结构相同，FM表示磁性材料（灰色），NM表示非磁性材料（黑色），FM其中的箭头表示磁化方向.Spin的箭头表示通过电子的自旋方向，自旋与材料磁化方向相同散射几率大，自旋与材料磁化方向相反散射几率小右面的结构处于无外磁场环境中，两层磁性FMNMFMSpinSpinFMNMFM材料的磁化方向相反.当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相反的电子通过时，电子较容T易通过，皇现小电阻：但较难通过第二层磁化方向与电子自旋方向相同的磁性材料，呈现大电阻.当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向tV相同的电子通过时，电子较难通过，呈现大电阻：但较容易通过第二层磁化方向与电子自旋方向SpinSpinRuRitRIR★相反的磁性材料，呈现小电阻.等效电路图相当L于两个阻值大小相同的电阻并联RRtRutR而左面的结构处于有外磁场的环境中，两层磁图5-5-1E巨磁阻效应示意图

在磁记录与读取的应用. 暰实验原理暱 1.巨磁阻效应的原理 (1)自旋散射 根据微观电子学理论,电子在导电时并不是沿电场直线前进,而是不断和晶格中的原子产 生碰撞(又称散射),每次散射后电子都会改变运动方向,总的运动是电场对电子的定向加速与 这种无规散射运动的叠加.电子在两次散射之间走过的平均路程称为平均自由程.电子散射几 率小,则平均自由程长、电阻率低.在欧姆定律中: R=氀 l S . (5灢5灢1) 一般将电阻率氀视为常数,与材料的几何尺度无关,这是忽略了边界效应的结果.当材料 的几何尺度小到纳米量级(即只有几个原子的厚度)时,电子在边界上的散射几率将大大增 加,就可以明显观察到随着材料的厚度减小,电阻率增加的现象. 电子除携带电荷外,还具有自旋特性,自旋方向有平行或反平行于外磁场两种取向.早在 1936年,就有理论指出,在过渡金属中,自旋方向与材料的磁场方向平行的电子,所受散射几 率远大于自旋方向与材料的磁场方向反平行的电子.总电流是两类自旋电流之和;总电阻是两 类自旋电流的并联电阻,这就是所谓的两电流模型. (2)巨磁阻效应 巨磁阻效应,是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变 化的现象.它是一种量子力学效应,产生于层状的磁性薄膜结构.这种结构是由铁磁材料和非 铁磁材料薄层交替叠合而成,外面两层为铁磁材料,中间夹层是非铁磁材料.无外磁场时,外面 两层磁性材料是反平行(反铁磁)耦合的,此时与自旋有关的散射最强,材料的电阻最大.施加 足够强的外磁场后,两层铁磁膜的方向都与外磁场方向一致,外磁场使两层铁磁膜从反平行耦 合变成了平行耦合,此时载流子与自旋有关的散射最小,材料有最小的电阻.铁磁材料磁矩的 方向是由加到材料的外磁场控制的,因而较小的磁场也可以得到较大电阻变化的材料. 上述过程如图5灢5灢1所示,左面和右面的材料结构相同,FM 表示磁性材料(灰色),NM 表 示非磁性材料(黑色),FM 其中的箭头表示磁化方向.Spin的箭头表示通过电子的自旋方向, 自旋与材料磁化方向相同散射几率大,自旋与材料磁化方向相反散射几率小. 图5灢5灢1 巨磁阻效应示意图 右面的结构处于无外磁场环境中,两层磁性 材料的磁化方向相反.当一束自旋方向与第一层 磁性材料磁化方向相反的电子通过时,电子较容 易通过,呈现小电阻;但较难通过第二层磁化方 向与电子自旋方向相同的磁性材料,呈现大电 阻.当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向 相同的电子通过时,电子较难通过,呈现大电阻; 但较容易通过第二层磁化方向与电子自旋方向 相反的磁性材料,呈现小电阻.等效电路图相当 于两个阻值大小相同的电阻并联. 而左面的结构处于有外磁场的环境中,两层磁 第5章 设计性与应用性实验 ·233·

大学物理实验:234:性材料受外磁场作用磁化方向相同.当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相反的电子通过时，电子较容易通过两层磁性材料，都呈现小电阻.当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相同的电子通过时，电子较难通过两层磁性材料：都呈现大电阻等效电路图相当于小电阻和大电阻并联显面易见，左面的并联电阻比右面的并联电阻要小，因而得出结论：巨磁阻随外磁场变大，其电阻是变小的，图5-5-2为某巨磁材料的磁阻特性曲线，无论磁场方向如何，随着外磁场的增大，磁阻减小，需要注意的是，图中所示有并不重合的两条曲线，分别对应磁场失量增大和磁场失量减小这是由于磁性材料都具有磁滞特性磁阻特性B-R曲线Ur+26002500R4R一磁失减小Uour+Uour-一磁失增大2300R2VH22002100Un--3.50-1.500.502.50磁感应强度B/T图5-5-3巨磁阻传感器桥式结构图5-5-2巨磁材料的磁阻特性2.巨磁阻传感器利用巨磁阻原理制成的传感器，为了消除温度变化等环境因素对传感器输出稳定性的影响，增加传感器的灵敏度，如图5-5-3所示一般采用4个相同巨磁电阻的桥式结构，对于这种结构，如果4个巨磁电阻对磁场的响应完全同步，就不会有信号输出.因此将处在电桥对角位置的两个电阻R：R。覆盖一层高导磁率的材料（如坡莫合金），以屏蔽外磁场对它们的影响（但在用以测量角位移的梯度传感器中不屏蔽），而R1，R阻值随外磁场改变.设无外磁场时4个巨磁电阻的阻值均为R，R；，Rz在外磁场作用下电阻减小△R，输入电压为Uiv，简单分析表明，输出电压：UINAR(5-5-2)UoUT=2R-AR【实验仪器】巨磁阻效在试验仪及组件如图5-5-4所示1.巨磁电阻效应及应用实验仪电流表部分：做为一个独立的电流表使用.具有2mA档和200mA两种档位：电压表部分：做为一个独立的电压表使用.具有2V档和200mV两种档位：恒流源部分：可变恒流源实验仪还提供各组件巨磁阻传感器工作所需的4V电源和某些组件电路供电所需的土8V电源.2.基本特性组件由巨磁阻传感器、螺线管线圈和比较电路组成.用以对巨磁阻的磁电转换特性和磁阻特性进行测量3.电流测量组件

性材料受外磁场作用磁化方向相同.当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相反的电子通过时,电 子较容易通过两层磁性材料,都呈现小电阻.当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相同的电子通 过时,电子较难通过两层磁性材料,都呈现大电阻.等效电路图相当于小电阻和大电阻并联. 显而易见,左面的并联电阻比右面的并联电阻要小.因而得出结论:巨磁阻随外磁场变大, 其电阻是变小的. 图5灢5灢2为某巨磁材料的磁阻特性曲线,无论磁场方向如何,随着外磁场的增大,磁阻减 小.需要注意的是,图中所示有并不重合的两条曲线,分别对应磁场矢量增大和磁场矢量减小, 这是由于磁性材料都具有磁滞特性. 图5灢5灢2 巨磁材料的磁阻特性 图5灢5灢3 巨磁阻传感器桥式结构 2.巨磁阻传感器 利用巨磁阻原理制成的传感器,为了消除温度变化等环境因素对传感器输出稳定性的影 响,增加传感器的灵敏度,如图5灢5灢3所示一般采用4个相同巨磁电阻的桥式结构. 对于这种结构,如果4个巨磁电阻对磁场的响应完全同步,就不会有信号输出.因此将处 在电桥对角位置的两个电阻R3,R4 覆盖一层高导磁率的材料(如坡莫合金),以屏蔽外磁场对 它们的影响(但在用以测量角位移的梯度传感器中不屏蔽),而R1,R2 阻值随外磁场改变.设无 外磁场时4个巨磁电阻的阻值均为R,R1,R2 在外磁场作用下电阻减小殼R,输入电压为UIN , 简单分析表明,输出电压: UOUT = UIN殼R 2R-殼R (5灢5灢2) 暰实验仪器暱 巨磁阻效在试验仪及组件如图5灢5灢4所示. 1.巨磁电阻效应及应用实验仪 电流表部分:做为一个独立的电流表使用.具有2 mA 档和200 mA 两种档位; 电压表部分:做为一个独立的电压表使用.具有2V 档和200 mV 两种档位; 恒流源部分:可变恒流源. 实验仪还提供各组件巨磁阻传感器工作所需的 4V 电源和某些组件电路供电所需的 暲8V 电源. 2.基本特性组件 由巨磁阻传感器、螺线管线圈和比较电路组成.用以对巨磁阻的磁电转换特性和磁阻特性 进行测量. 3.电流测量组件 ·234· 大学物理实验

第5章设计性与应用性实验·235CJN电流表电压表恒流源电路供电巨磁电阻供电4V图5-5-4巨磁阻效应实验仪及组件将导线置于巨磁阻传感器近旁，用巨磁阻传感器测量导线通过不同大小电流时导线周围的磁场变化4.角位移测量组件用巨磁阻梯度传感器作传感元件，铁磁性齿轮转动时，齿牙干扰了梯度传感器上偏置磁场的分布，每转过一齿，就输出类似正弦波一个周期的波形5.磁读写组件用于演示磁记录与读出的原理.磁卡做记录介质，磁卡通过写磁头时可写人数据，通过巨磁阻传感器将写入的数据读出来【实验内容】1.测巨磁电阻的磁电转换特性及其开关特性该实验用基本特性组件（1）巨磁电阻的磁电转换特性恒流源螺线管YYYYYYYYYYI4V图5-5-5巨磁阻传感器磁电转换特性实验原理图如图5-5-5所示，巨磁阻传感器位于螺线管磁场中实验步骤：①功能切换按钮切换为“传感器测量”.实验仪的巨磁阻供电4V电压接至基本特性组件“巨磁电阻供电”，实验仪的恒流源输出接至“螺线管电流输入”，实验仪的电压表接至基本特性组件“模拟信号输出”；②按数据记录表5-5-1的“励磁电流”数据调节恒流源旋钮，记录相应的电压表数据于表“磁场矢量减小”列中.先从100mA的数值开始，逆时针调节恒流源旋钮以减小励磁电流，由于恒流

图5灢5灢4 巨磁阻效应实验仪及组件 将导线置于巨磁阻传感器近旁,用巨磁阻传感器测量导线通过不同大小电流时导线周围 的磁场变化. 4.角位移测量组件 用巨磁阻梯度传感器作传感元件,铁磁性齿轮转动时,齿牙干扰了梯度传感器上偏置磁场 的分布,每转过一齿,就输出类似正弦波一个周期的波形. 5.磁读写组件 用于演示磁记录与读出的原理.磁卡做记录介质,磁卡通过写磁头时可写入数据,通过巨 磁阻传感器将写入的数据读出来. 暰实验内容暱 1.测巨磁电阻的磁电转换特性及其开关特性 该实验用基本特性组件. (1)巨磁电阻的磁电转换特性 图5灢5灢5 巨磁阻传感器磁电转换特性实验原理图 如图5灢5灢5所示,巨磁阻传感器位于螺线管磁场中. 实验步骤: 栙 功能切换按钮切换为“传感器测量暠.实验仪的巨磁阻供电4V 电压接至基本特性组件 “巨磁电阻供电暠,实验仪的恒流源输出接至“螺线管电流输入暠,实验仪的电压表接至基本特性 组件“模拟信号输出暠; 栚 按数据记录表5灢5灢1的“励磁电流暠数据调节恒流源旋钮,记录相应的电压表数据于表“磁 场矢量减小暠列中.先从100mA的数值开始,逆时针调节恒流源旋钮以减小励磁电流,由于恒流 第5章 设计性与应用性实验 ·235·

.236:大学物理实验源本身不能提供负向电流，当电流减至0后，交换励磁电流接线柱的极性使电流反向，然后顺时针调节恒流源旋钮以增大励磁电流，此时励磁电流（磁场）方向为负，注意在励磁电流反向的小范围区域内，需找到输出电压最小时的励磁电流值，并将此时电压和电流均记人表格；③按步骤②记录完数据后，接着从100mA（实际为一100mA）调节恒流源，同理步骤②记录相应的电压表数据于表5-5-1“磁场失量增大”列中，表5-5-1巨磁电阻的磁电转换特性磁场矢量减小磁场矢量增大励磁电流I磁感应强度输出电压U励磁电流I磁感应强度输出电压UB/T/mV/mA/mAB/T/mV100-100808060-6040-4020-2010-1010-10 202040 4060-6080-80-100100（2）巨磁阻磁电转换开关特性将巨磁阻传感器与比较电路、晶体管放大电路集成在输出一起，即可构成巨磁阻开关（数字）传感器，结构如图5-5-6所示GMR实验步骤：电桥①实验仪“电路供电”接口接至基本特性组件对应的“电路供电”插孔，实验仪的电压表接至基本特性组件“开关信号输出”，其他接线与实验（1）一致：图5-5-6巨磁阻开关传感器结构图②先记录表5-5-2“磁场失量减小”列数据.从30mA开始调节恒流源电流递时针调节恒流源旋钮以减小励磁电流，当电压表示数从1（高电平转变为一1（低电平）时记录相应的临界电流值，当电流减至0后，交换励磁电流极性使电流反向，然后顺时针调节恒流源旋钮以增大励磁电流，当电压表示数从一1（低电平）转变为1（高电平）时记录相应的临界电流值；③按步骤②记录完数据后，接着从30mA（实际为一30mA）调节恒流源，同理步骤②记录相应的临界电流值于表5-5-2"磁场失量增大”表5-5-2巨磁阻磁电转换开关特性

源本身不能提供负向电流,当电流减至0后,交换励磁电流接线柱的极性使电流反向,然后顺时 针调节恒流源旋钮以增大励磁电流,此时励磁电流(磁场)方向为负.注意在励磁电流反向的小范 围区域内,需找到输出电压最小时的励磁电流值,并将此时电压和电流均记入表格; 栛 按步骤 栚 记录完数据后,接着从100mA(实际为-100mA)调节恒流源,同理步骤 栚 记录相应的电压表数据于表5灢5灢1“磁场矢量增大暠列中. 表5灢5灢1 巨磁电阻的磁电转换特性 磁场矢量减小 磁场矢量增大 励磁电流I /mA 磁感应强度 B/T 输出电压U /mV 励磁电流I /mA 磁感应强度 B/T 输出电压U /mV 100 -100 80 -80 60 -60 40 -40 20 -20 10 -10 -10 10 -20 20 -40 40 -60 60 -80 80 -100 100 图5灢5灢6 巨磁阻开关传感器结构图 (2)巨磁阻磁电转换开关特性 将巨磁阻传感器与比较电路、晶体管放大电路集成在 一起,即可构成巨磁阻开关(数字)传感器,结构如图 5灢5灢6所示. 实验步骤: 栙 实验仪“电路供电暠接口接至基本特性组件对 应的“电路供电暠插孔,实验仪的电压表接至基本特性 组件“开关信号输出暠,其他接线与实验(1)一致; 栚 先记录表5灢5灢2“磁场矢量减小暠列数据.从30 mA开始调节恒流源电流,逆时针调节恒流源旋钮以减小励磁电流,当电压表示数从1(高电平) 转变为-1(低电平)时记录相应的临界电流值,当电流减至0后,交换励磁电流极性使电流反向, 然后顺时针调节恒流源旋钮以增大励磁电流,当电压表示数从-1(低电平)转变为1(高电平)时 记录相应的临界电流值; 栛 按步骤 栚 记录完数据后,接着从30mA(实际为-30mA)调节恒流源,同理步骤 栚 记 录相应的临界电流值于表5灢5灢2“磁场矢量增大暠. 表5灢5灢2 巨磁阻磁电转换开关特性 ·236· 大学物理实验

第5章设计性与应用性实验237磁场量减小磁场矢量增大励磁电流|励磁电流I电平电平电压表显示电压表显示/mA/mA1高高30-301临界值：1变-1高变低1变-1高变低临界值：0-1低0-1低低变高低变高临界值：-1变1临界值：-1变1301高301高2.测巨磁电阻磁阻特性该实验用基本特性组件如图5-5-7所示，将被磁屏蔽的两个电桥电阻R，，R，短路，面R，，R，并联.将电流表串连进电路中，测量不同磁场时回路中电流的大小，就可计算磁阻，恒流源螺线管YYYYYYYI4V00000000000000000000000000图5-5-7巨磁阻传感器磁阻特性实验原理图实验步骤：①功能切换按钮切换为“巨磁阻测量”.将实验仪电流表串联进巨磁阻供电电路（实验仪的巨磁阻供电4V电压的正极接至基本特性组件“巨磁电阻供电”的正极，“巨磁电阻供电”的负极接至实验仪电流表正极，电流表负极接至实验仪巨磁阻供电4V电压的负极）实验仪的恒流源输出接至“螺线管电流输入”；②按表5-5-3的“励磁电流”数据调节恒流源旋钮，记录相应的电流表数据（磁阻电流）于表格中.操作方法与实验（1）一致.注意在励磁电流反向的小范围区域内，需找到磁阻电流最小时的励磁电流值，并将此时的两个电流均记入表格表5-5-3测巨磁电阻磁阻特性磁场失量增大磁场矢量减小磁阻电流I#磁感应强度B磁阻电流Ik励磁电流磁感应强度B磁阻R励磁电流磁阻R/mA/T/n/T/0/mA/mA/mA100-10080-8060-6040- 4020- 20

磁场矢量减小 磁场矢量增大 励磁电流I /mA 电压表显示 电平 励磁电流I /mA 电压表显示 电平 30 1 高 -30 1 高 临界值: 1变 -1 高变低 临界值: 1变 -1 高变低 0 -1 低 0 -1 低 临界值: -1变1 低变高 临界值: -1变1 低变高 -30 1 高 30 1 高 2.测巨磁电阻磁阻特性 该实验用基本特性组件. 如图5灢5灢7所示,将被磁屏蔽的两个电桥电阻R3,R4 短路,而R1,R2 并联.将电流表串连 进电路中,测量不同磁场时回路中电流的大小,就可计算磁阻. 图5灢5灢7 巨磁阻传感器磁阻特性实验原理图 实验步骤: 栙 功能切换按钮切换为“巨磁阻测量暠.将实验仪电流表串联进巨磁阻供电电路(实验仪 的巨磁阻供电4V 电压的正极接至基本特性组件“巨磁电阻供电暠的正极,“巨磁电阻供电暠的 负极接至实验仪电流表正极,电流表负极接至实验仪巨磁阻供电4V 电压的负极).实验仪的 恒流源输出接至“螺线管电流输入暠; 栚 按表5灢5灢3的“励磁电流暠数据调节恒流源旋钮,记录相应的电流表数据(磁阻电流)于 表格中.操作方法与实验(1)一致.注意在励磁电流反向的小范围区域内,需找到磁阻电流最 小时的励磁电流值,并将此时的两个电流均记入表格. 表5灢5灢3 测巨磁电阻磁阻特性 磁场矢量减小 磁场矢量增大 励磁电流I /mA 磁感应强度B /T 磁阻电流IR /mA 磁阻R /毟 励磁电流I /mA 磁感应强度B /T 磁阻电流IR /mA 磁阻R /毟 100 -100 80 -80 60 -60 40 -40 20 -20 第5章 设计性与应用性实验 ·237·

.238.大学物理实验续表磁场矢量减小磁场矢量增大励磁电流1磁感应强度B磁阻电流I#磁阻 R励磁电流磁感应强度B磁阻电流1k磁阻R/T/n/T/0/mA/mA/mA/mA10-10-1010202040-40-606080-80100-1003.利用巨磁阻传感器测量电流该实验用电流测量组件在通有电流的直导线附近，与导线距离不变的一点磁感应强度与电流成正比，如图5-5-8所示，将巨恒流源磁阻传感器（GMR）靠近导线一侧来测量导线电流永磁铁与传感器输出电压的关系，在实验仪器中，为了使巨T4V磁阻传感器工作在线性区，提高测量精度，需给传感GMR器施加一固定已知磁场，称为磁偏置，其原理类似于金属线导线电子电路中的直流偏置，与一般测量电流需将电流表图5-5-8巨磁阻传感器测量电流接入电路相比，这种非接触测量不干扰原电路的工实验原理图作，具有特殊的优点实验步骤：①实验仪巨磁阻供电4V电压接至电流测量组件“巨磁电阻供电”，实验仪恒流源接至电流测量组件“待测电流输入”，电流测量组件“信号输出”接至实验仪电压表：②将恒流源电流调节至0.观察电压表示数，调节传感器背后的偏置磁铁与传感器的距离，使电压表示数为约25mV，然后固定偏置磁铁，此时作为低磁偏置进行实验；③先记录表5-5-4“电流失量减小”列数据.从300mA的数值开始，逆时针调节恒流源旋钮以减小导线电流，当电流减至0后，交换电流接线柱使电流反向，然后顺时针调节恒流源旋钮以增大导线电流，记录各档电流相应的电压表示数：④按步骤③记录完数据后，接着从300mA（实际为一300mA）调节恒流源，同理步骤③记录相应的电压表数据于表“电流失量增大”列中；③将恒流源电流再次调节至0.观察电压表示数，调节传感器背后的偏置磁铁与传感器的距离，使电压表示数为约125mV.然后固定偏置磁铁，此时作为高磁偏置进行实验：?按照步骤③、④测得相应数据于表格中

续表 磁场矢量减小 磁场矢量增大 励磁电流I /mA 磁感应强度B /T 磁阻电流IR /mA 磁阻R /毟 励磁电流I /mA 磁感应强度B /T 磁阻电流IR /mA 磁阻R /毟 10 -10 -10 10 -20 20 -40 40 -60 60 -80 80 -100 100 3.利用巨磁阻传感器测量电流 该实验用电流测量组件. 图5灢5灢8 巨磁阻传感器测量电流 实验原理图 在通有电流的直导线附近,与导线距离不变的一 点磁感应强度与电流成正比,如图5灢5灢8所示,将巨 磁阻传感器(GMR)靠近导线一侧来测量导线电流 与传感器输出电压的关系.在实验仪器中,为了使巨 磁阻传感器工作在线性区,提高测量精度,需给传感 器施加一固定已知磁场,称为磁偏置,其原理类似于 电子电路中的直流偏置.与一般测量电流需将电流表 接入电路相比,这种非接触测量不干扰原电路的工 作,具有特殊的优点. 实验步骤: 栙 实验仪巨磁阻供电4V 电压接至电流测量组件“巨磁电阻供电暠,实验仪恒流源接至电 流测量组件“待测电流输入暠,电流测量组件“信号输出暠接至实验仪电压表; 栚 将恒流源电流调节至0.观察电压表示数,调节传感器背后的偏置磁铁与传感器的距 离,使电压表示数为约25 mV,然后固定偏置磁铁,此时作为低磁偏置进行实验; 栛 先记录表5灢5灢4“电流矢量减小暠列数据.从300 mA 的数值开始,逆时针调节恒流源旋 钮以减小导线电流,当电流减至0后,交换电流接线柱使电流反向,然后顺时针调节恒流源旋 钮以增大导线电流,记录各档电流相应的电压表示数; 栜 按步骤 栛 记录完数据后,接着从300mA(实际为-300mA)调节恒流源,同理步骤 栛 记录相应的电压表数据于表“电流矢量增大暠列中; 栞 将恒流源电流再次调节至0.观察电压表示数,调节传感器背后的偏置磁铁与传感器的 距离,使电压表示数为约125 mV,然后固定偏置磁铁,此时作为高磁偏置进行实验; 栟 按照步骤 栛、栜 测得相应数据于表格中. ·238· 大学物理实验

第5章设计性与应用性实验239表5-5-4利用巨磁阻传感器测量电流低磁偏置约25mV高磁偏置约125mV电流失量减小电流矢量增大电流矢量减小电流矢量增大导线电流I输出电压U导线电流1输出电压U输出电压U导线电流I输出电压U导线电流I/mV/mA/mA/mV/mA/mV/mA/mV300300- 300-300200- 200200-200100-100100-1000000-100100-100100-200200-200200-300300-3003004.测量巨磁阻梯度传感器的特性该实验用角位移组件，将巨磁阻传感器的电桥的4个电阻都不加磁屏蔽，即构成梯度传感器.这种传感器若置于均匀磁场中，由于4个桥臂电阻阻值变化相同，电桥输出为零.如果磁场存在一定的梯度，各GMR电阻感受到的磁场不同，磁阻变化不一样，就会有信号输出，如图5-5-9所示，铁磁性齿轮转动时，齿牙干扰了梯度传感器上偏置磁场的分布，每转过一齿就输出一个周期的波形.这一原理已普遍应用于转速（速度）与位移监控，在汽车及其他工业领域得到广泛应用，R,RR,R口0Os1+R,RR.R.U.RUouT-TS菲UN图5-5-9巨磁阻梯度传感器应用实验步骤：①将实验仪巨磁阻供电4V电压接至角位移测量组件“巨磁电阻供电”，角位移测量组件“信号输出”接实验仪电压表；②将齿轮标线对准刻度盘0刻度线后开始测量，按照表5-5-5“转动角度”数据逆时针慢慢转动齿轮，每转动3度记录一次相应电压表数据于表格中

表5灢5灢4 利用巨磁阻传感器测量电流 低磁偏置约25 mV 高磁偏置约125 mV 电流矢量减小 电流矢量增大 电流矢量减小 电流矢量增大 导线电流I /mA 输出电压U /mV 导线电流I /mA 输出电压U /mV 导线电流I /mA 输出电压U /mV 导线电流I /mA 输出电压U /mV 300 -300 300 -300 200 -200 200 -200 100 -100 100 -100 0 0 0 0 -100 100 -100 100 -200 200 -200 200 -300 300 -300 300 4.测量巨磁阻梯度传感器的特性 该实验用角位移组件. 将巨磁阻传感器的电桥的4个电阻都不加磁屏蔽,即构成梯度传感器.这种传感器若置于 均匀磁场中,由于4个桥臂电阻阻值变化相同,电桥输出为零.如果磁场存在一定的梯度,各 GMR电阻感受到的磁场不同,磁阻变化不一样,就会有信号输出. 如图5灢5灢9所示,铁磁性齿轮转动时,齿牙干扰了梯度传感器上偏置磁场的分布,每转过 一齿就输出一个周期的波形.这一原理已普遍应用于转速(速度)与位移监控,在汽车及其他 工业领域得到广泛应用. 图5灢5灢9 巨磁阻梯度传感器应用 实验步骤: 栙 将实验仪巨磁阻供电4V 电压接至角位移测量组件“巨磁电阻供电暠,角位移测量组件 “信号输出暠接实验仪电压表; 栚 将齿轮标线对准刻度盘0刻度线后开始测量,按照表5灢5灢5“转动角度暠数据逆时针慢 慢转动齿轮,每转动3度记录一次相应电压表数据于表格中. 第5章 设计性与应用性实验 ·239·

大学物理实验240：表5-5-5测量巨磁阻梯度传感器的特性036912151821转动角度0/°输出电压U/mV2427303336394245转动角度0/°输出电压U/mV5.通过巨磁阻传感器了解磁记录与读取该实验用磁读写组件写磁头是绕线的磁芯，线圈中通过电流时产生磁场，在磁性记录材料上记录信息.巨磁阻读磁头利用磁记录材料上不同磁场时电阻的变化读出信息实验步骤：①实验仪“电路供电”接口接至磁读写组件对应的“电路供电”插孔，实验仪巨磁阻供电4V电压接至磁读写组件“巨磁电阻供电”，磁读写组件“读出数据”接实验仪电压表；②同时按住“0/1转换”和“写确认”按键将读写组件初始化（按住按键直至蜂鸣声消失）；③将自已进实验室后签到时姓名前的序号填入表5-5-6第一行，并将其转换成二进制数后填入第二行；④将磁卡有区域编号的一面朝向自已，沿着箭头标识的方向插入划槽，将转换好的二进制数对应磁卡上编号8～1区域依次写入“1”（高电平）或“0”（低电平）.按“0/1转换”按键，当状态指示灯显示为红色表示当前为“写1”状态，绿色表示当前为“写0”状态，写人数据的操作通过长按“写确认”2s来实现.要写入数据的磁卡相应区域需对准“写组件”，注意磁卡槽左端有清除永磁体，写完数据的区域不可往回退出；5写完全部8位数据后，将磁卡移至“读组件”通过实验仪电压表示数依次读出8～1区域的电压并记入表格“读出电压”栏表5-5-6磁记录与读取自己签到的序号序号转二进制数8765432磁卡区域1读出电压/V【数据处理】1.根据巨磁电阻的磁电转换特性实验数据，按公式（5-5-3）计算出螺线管内的磁感应强度B；(5-5-3)B-μm.其中μ=4元X10-H/m，n=24000T/m以磁感应强度B作横座标.所记录的输出电压U为纵座标作出磁电转换特性B-U曲线，2.根据巨磁阻磁电转换开关特性实验数据，以励磁电流I作横座标，电平变化（高或低）为纵座标作出磁电转换开关特性曲线3.根据测巨磁电阻磁阻特性实验数据，按公式（5-5-3）计算出磁感应强度B，按公式（5-5-4）计算磁阻：R-U(5-5-4)IR

表5灢5灢5 测量巨磁阻梯度传感器的特性 转动角度毴/曘 0 3 6 9 12 15 18 21 输出电压U/mV 转动角度毴/曘 24 27 30 33 36 39 42 45 输出电压U/mV 5.通过巨磁阻传感器了解磁记录与读取 该实验用磁读写组件. 写磁头是绕线的磁芯,线圈中通过电流时产生磁场,在磁性记录材料上记录信息.巨磁阻 读磁头利用磁记录材料上不同磁场时电阻的变化读出信息. 实验步骤: 栙 实验仪“电路供电暠接口接至磁读写组件对应的“电路供电暠插孔,实验仪巨磁阻供电 4V 电压接至磁读写组件“巨磁电阻供电暠,磁读写组件“读出数据暠接实验仪电压表; 栚 同时按住“0/1转换暠和“写确认暠按键将读写组件初始化(按住按键直至蜂鸣声消失); 栛 将自己进实验室后签到时姓名前的序号填入表5灢5灢6第一行,并将其转换成二进制数 后填入第二行; 栜 将磁卡有区域编号的一面朝向自己,沿着箭头标识的方向插入划槽,将转换好的二进 制数对应磁卡上编号8~1区域依次写入“1暠(高电平)或“0暠(低电平).按“0/1转换暠按键,当 状态指示灯显示为红色表示当前为“写1暠状态,绿色表示当前为“写0暠状态,写入数据的操作 通过长按“写确认暠2s来实现.要写入数据的磁卡相应区域需对准“写组件暠,注意磁卡槽左端 有清除永磁体,写完数据的区域不可往回退出; 栞 写完全部8位数据后,将磁卡移至“读组件暠通过实验仪电压表示数依次读出8~1区 域的电压并记入表格“读出电压暠栏. 表5灢5灢6 磁记录与读取 自己签到的序号 序号转二进制数 磁卡区域 8 7 6 5 4 3 2 1 读出电压/V 暰数据处理暱 1.根据巨磁电阻的磁电转换特性实验数据,按公式(5灢5灢3)计算出螺线管内的磁感应强度B; B=毺nI . (5灢5灢3) 其中毺=4毿暳10-7H/m,n=24000 T/m. 以磁感应强度B 作横座标,所记录的输出电压U 为纵座标作出磁电转换特性B U 曲线. 2.根据巨磁阻磁电转换开关特性实验数据,以励磁电流I作横座标,电平变化(高或低)为 纵座标作出磁电转换开关特性曲线. 3.根据测巨磁电阻磁阻特性实验数据,按公式(5灢5灢3)计算出磁感应强度 B,按公式 (5灢5灢4)计算磁阻; R= U IR . (5灢5灢4) ·240· 大学物理实验

第5章设计性与应用性实验:241:其中U=4V.以磁感应强度B作横座标，磁阻R为纵座标作出磁阻特性B-R曲线4.根据利用巨磁阻传感器测量电流实验数据，以导线电流I作横座标，输出电压U为纵座标作出测量电流的I-U曲线5.根据测量巨磁阻梯度传感器的特性实验数据，以转动角度6为横座标，输出电压U为纵座标作出梯度传感器特性一U曲线【注意事项】1.由于巨磁阻传感器具有磁滞现象，在实验中，恒流源应单方向调节，不可大范围回调.否则测得的实验数据将不准确；2.各组件上的“巨磁阻供电”只能接人来自实验仪上的“巨磁阻供电（4V）”，接错可能烧毁组件电路：3.测试卡组件不能长期处于“写”状态；4.实验过程中，实验环境不得处于强磁场中【预习思考题】1.根据巨磁阻效应原理，外磁场增天，磁阻减小，磁阻最后会减小到零吗？2.在图5-5-2所示某巨磁阻材料的磁阻特性中，为什么会有两条并不重叠的曲线？3.在测量巨磁阻磁电转换特性曲线实验中，怎样确定磁场B的大小？【讨论思考题】1.巨磁阻传感器测量电流的实验中为什么要设置偏置磁场？通过2种偏置磁场的测量结果能够得出什么结论？2.能否列举并简述几种巨磁阻效应的实际应用（不少于2种）？【拓展阅读】[1]邢定钰.2005.自旋输运和巨磁电阻—自旋电子学的物理基础之一物理，34（5：348—361.[2]颜冲，于军，周文利，王耘波，谢基凡，高俊雄.2000.巨磁电阻传感器.电子元件与材料，19(5)：32—33.[3]］庄明伟，王小安，徐图，黄鹏，梁志强.2012.基于巨磁电阻效应的多功能测量仪，物理实验，32（1）：18—245.6超声定位和形貌成像【引言】超声波是频率高于20000Hz的声波，因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，能量易于集中，而且能透过不透明物质，这一特性被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术，利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等.超声波已在工矿业、农业、医疗、环境保护等日常生活和生产实践各个部门获得了极其广泛应用

其中U =4V.以磁感应强度B 作横座标,磁阻R 为纵座标作出磁阻特性B R 曲线. 4.根据利用巨磁阻传感器测量电流实验数据,以导线电流I作横座标,输出电压U 为纵座 标作出测量电流的I U 曲线. 5.根据测量巨磁阻梯度传感器的特性实验数据,以转动角度毴为横座标,输出电压U 为纵 座标作出梯度传感器特性毴 U 曲线. 暰注意事项暱 1.由于巨磁阻传感器具有磁滞现象,在实验中,恒流源应单方向调节,不可大范围回调.否 则测得的实验数据将不准确; 2.各组件上的“巨磁阻供电暠只能接入来自实验仪上的“巨磁阻供电(4V)暠,接错可能烧毁 组件电路; 3.测试卡组件不能长期处于“写暠状态; 4.实验过程中,实验环境不得处于强磁场中. 暰预习思考题暱 1.根据巨磁阻效应原理,外磁场增大,磁阻减小.磁阻最后会减小到零吗? 2.在图5灢5灢2所示某巨磁阻材料的磁阻特性中,为什么会有两条并不重叠的曲线? 3.在测量巨磁阻磁电转换特性曲线实验中,怎样确定磁场B 的大小? 暰讨论思考题暱 1.巨磁阻传感器测量电流的实验中为什么要设置偏置磁场? 通过2种偏置磁场的测量结 果能够得出什么结论? 2.能否列举并简述几种巨磁阻效应的实际应用(不少于2种)? 暰拓展阅读暱 [1] 邢定钰.2005.自旋输运和巨磁电阻 ——— 自旋电子学的物理基础之一.物理,34(5): 348—361. [2] 颜冲,于军,周文利,王耘波,谢基凡,高俊雄.2000.巨磁电阻传感器.电子元件与材 料,19(5):32—33. [3] 庄明伟,王小安,徐图,黄鹏,梁志强.2012.基于巨磁电阻效应的多功能测量仪.物 理实验,32(1):18—24. 5灡6 超声定位和形貌成像 暰引言暱 超声波是频率高于20000Hz的声波,因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名. 超声波的波长比一般声波要短,具有较好的方向性,能量易于集中,而且能透过不透明物 质,这一特性被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术.利用超声的机械作用、 空化作用、热效应和化学效应,可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去垢、清 洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等.超声波已在工矿业、农业、医疗、环境保护等日常 生活和生产实践各个部门获得了极其广泛应用. 第5章 设计性与应用性实验 ·241·