《大学物理实验》课程教学资源（教案）巨磁阻效应及其应用

大学物理实验教案巨磁阻效应及其应用实验题目4实验性质实验学时教师李小强基本实验1．了解巨磁电阻效应实验原理；教学目的2.测绘巨磁阻的磁阻特性及其相关传感器磁电转换特性3.通过实验了解利用巨磁阻效应测量电流和磁卡记录与读取的原理。重点测绘巨磁阻传感器的磁阻特性曲线电子自旋、散射和巨磁阻效应产生的基本原理难点通过测绘巨磁阻特性曲线反映磁性材料的磁滞特性课前的准备：1.预习巨磁阻效应的原理和仪器使用方法。时间的掌握：留由5分钟机动的时间。2.作出原始数据记录表格。课上教学的设计：一、课上的常规检查（预习报告、数据表格的设计等）。(10分钟)二、讲解的设计（30分钟）1、引言1988年，法国物理学家阿尔贝·费尔(AlbertFert)在铁、铬相间的教多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，学过#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程(GiantMagneto-Resistive,GMR)。就在同一时期，德国的彼得·格林贝的格尔教授领导的研究小组在具有层间反平行磁化的铁/铬/铁三层膜结设计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。2、提出本实验的目的与任务，讲授为完成本实验设计思想和设计原则实验原理巨磁阻效应，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

大 学 物 理 实 验 教 案 实验题目 巨磁阻效应及其应用 实验性质 基本实验 实验学时 4 教师 李小强 教学目的 1． 了解巨磁电阻效应实验原理； 2． 测绘巨磁阻的磁阻特性及其相关传感器磁电转换特性； 3． 通过实验了解利用巨磁阻效应测量电流和磁卡记录与读取的原理。 重 点 测绘巨磁阻传感器的磁阻特性曲线 难 点 电子自旋、散射和巨磁阻效应产生的基本原理 通过测绘巨磁阻特性曲线反映磁性材料的磁滞特性 教 学 过 程 的 设 计 课前的准备： 1.预习巨磁阻效应的原理和仪器使用方法。 2.作出原始数据记录表格。 课上教学的设计： 一、课上的常规检查 （预习报告、数据表格的设计等）。 (10 分钟) 二、讲解的设计 (30 分钟) 1、引言 1988 年，法国物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)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。 2、提出本实验的目的与任务，讲授为完成本实验设计思想和设计 原则 实验原理 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 时间的掌握：留由 5 分 钟机动的时间

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。上述过程如图下图所示，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。FMNMFMSpinSpinFMNMFMSpirSpltRiAR4t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，同理可分析出其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

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。 上述过程如图下图所示，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。 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，同理可分析出其等效电路 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。下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。磁阻特性B--R曲线26002500磁矢减小一磁增大2300220021000.502.50-3.50-1.50磁感应强度B/T基于上述原理，通过巨磁阻效应综合实验仪完成以下实验：（1）测巨磁电阻的磁电转换特性及其开关特性：（2）测巨磁电阻磁阻特性：（3）利用巨磁阻传感器测量导线电流：（4）测量巨磁阻梯度传感器的特性：（5）通过巨磁阻传感器了解磁记录与读取的原理。3.数据的测量与处理要求用EXCEL做数据处理和绘图5.介绍主要仪器设备与使用6.强调实验中要注意的问题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"只能接入来自实验仪上的“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。(130分钟）三、学生的实验开始四、指导实验实验过程中解决仪器出现的故障问题，关于实验原理和操作尽量

论，巨磁阻随外磁场变大，其电阻是变小的。 下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。 磁阻特性B-R曲线 2100 2200 2300 2400 2500 2600 -3.50 -1.50 0.50 2.50 磁感应强度B/T 磁阻R/Ω 磁矢减小 磁矢增大 基于上述原理，通过巨磁阻效应综合实验仪完成以下实验： （1）测巨磁电阻的磁电转换特性及其开关特性； （2）测巨磁电阻磁阻特性； （3）利用巨磁阻传感器测量导线电流； （4）测量巨磁阻梯度传感器的特性； （5）通过巨磁阻传感器了解磁记录与读取的原理。 3.数据的测量与处理 要求用 EXCEL 做数据处理和绘图. 5．介绍主要仪器设备与使用 6．强调实验中要注意的问题 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”只能接入来自实验仪上的“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。 三、学生的实验开始 (130 分钟) 四、指导实验 实验过程中解决仪器出现的故障问题,关于实验原理和操作尽量

让学生自己消化，适当做指导并提出一些问题启发学生解答。五、检查实验的结果，签字六、实验小结（实验结束前的10分钟）1、为什么巨磁阻材料有磁滞特性？2、测绘的数据点是否在在曲线上，影响误差的因素主要有哪些？3、巨磁阻在电脑硬盘中应用的工作原理。课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后能够得出什么结论？思考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）？题参考《大学物理实验》，赵黎、王丰等编，复旦大学出版社，出版时间2013年8月文献

让学生自己消化，适当做指导并提出一些问题启发学生解答。 五、检查实验的结果,签字 六、实验小结 （实验结束前的 10 分钟） 1、为什么巨磁阻材料有磁滞特性？ 2、测绘的数据点是否在在曲线上，影响误差的因素主要有哪些？ 3、巨磁阻在电脑硬盘中应用的工作原理。 课 后 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）？ 参 考 文 献 《大学物理实验》， 赵黎、王丰等编， 复旦大学出版社，出版时间 2013 年 8 月

《物理实验》教案（巨磁阻效应及其应用）李小强武汉理工大学一一物理实验中心

《物理实验》教案 （巨磁阻效应及其应用） 李小强 武汉理工大学——物理实验中心