地磁场测量实验方案.docVIP

FD-MR-II磁阻效应实验仪使用说明 一、概述 磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域应用十分广泛，如：数字式罗盘、交通车辆检测，导航系统、伪钞检测、位置测量等。其中最典型的锑化铟（InSb）GaAs）霍耳传感器测量磁感应强度，研究锑化铟（InSb）磁阻传感器在不同的磁感应强度下的电阻大小。学生可观测半导体的霍耳效应和磁阻效应两种物理规律，具有研究性和设计性实验的特点，可用于理工科大学的基础物理实验和设计性综合物理实验，也可用于演示实验。 二、仪器简介 仪器装置如下图所示： 1．固定及引线铜管； 2. U型矽钢片； 3．锑化铟（InSb）磁阻传感器； 4. 砷化镓 GaAs 霍耳传感器； 5．电磁铁直流电流源显示； 6. 磁铁直流电流源调节； 7．数字电压显示； 8. 锑化铟磁阻传感器电流调节； 9．电磁铁磁场强度大小显示； 10. 电磁铁磁场强度大小调零；　 11. 1和2是给锑化铟传感器提供小于3mA直流恒流电流源； 3和4是给砷化镓传感器提供电压源； 5和6是砷化镓传感器测量电磁铁间隙磁感应强度大小； 7为悬空； 12．单刀双向开关；13. 单刀双向开关接线柱。 为 航空插头说明 三、技术指标 1．双路直流电源： 直流电源Ⅰ：电流0－500ｍAII：输出电流0－3ｍA2V。 2．数字式毫特仪：测量范围0~0.5T，分辨率0.0001T，准确度为1%。 四、实验项目 1．用于测定通过电磁铁的电流Im和磁铁间隙中磁感应强度B的关系，观测GaAs霍耳元件的霍耳效应。 2．在不同磁感应强度区域，研究InSb磁阻元件的电阻值变化ΔR/R 0 与磁感应强度B的关系，求出经验公式。 3．外接信号发生器，可用于深入研究磁电阻的交流特性（倍频效应），观测其特有的物理现象。 五、注意事项 1．需将传感器固定在磁铁间隙中，不可弯折。 2．不要在实验仪附近放置具有磁性的物品。 3．不得外接传感器电源。 4．开机后需预热10分钟，再进行实验。 5．外接电阻应大于200欧姆。 锑化铟磁电阻传感器的测量及应用 （以下实验讲义和实验数据由复旦大学物理实验教学中心提供） 【实验目的】 1. 测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系。 2. 作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线。 3. 对此关系曲线的非线性区域和线性区域分别进行拟合。 【实验原理】 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1 磁阻效应 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B2，则磁阻传感器的电阻值R将随角频 图2 测量磁电阻实验装置 那么磁阻传感器的电阻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。 设在弱磁场中 ΔR/R 0 KB2 （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 KB02COS2ωt R 0 +R 0 KB02+R 0 KB02COS2ωt （3） （3）式中，R 0 +R 0 KB02为不随时间变化的电阻值，而R 0 KB02cos2ωt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。 【实验仪器】 实验采用FD-MR-II型磁阻效应实验仪