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