CN110045302B - 一种磁阻效应实验仪及其操作方法 - Google Patents

一种磁阻效应实验仪及其操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁阻效应实验仪及其操作方法，该磁阻效应实验仪包括实验仪和实验箱两部分，所述实验仪和实验箱之间通过导线连接。本发明还了一种磁阻效应实验仪的操作方法，包括磁阻效应实验的操作方法和霍尔效应实验的操作方法两部分。本发明成功解决了磁场效应综合实验仪存在励磁电流、工作电流、霍尔电压、磁电阻电压的显示问题。具有设计合理、操作方便的特点，适合推广应用。

Description

一种磁阻效应实验仪及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种试验仪器及其操作方法，具体地说，涉及一种磁阻效应实验仪及其操作方法。
背景技术
磁阻器件由于其灵敏度高、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、伪钞鉴别、位置测量等探测器。磁阻器件品种较多，可分：正常磁电阻，各向异性磁电阻，超大磁电阻，巨磁电阻和隧道磁电阻等。其中正常磁电阻的应用十分普遍。锑化铟(InSb)传感器是一种价格低廉、灵敏度高的正常磁电阻，有着十分重要的应用价值。它可用于制造在磁场微小变化时测量多种物理量的传感器。本实验装置结构简单，实验内容丰富，使用两种材料的传感器：砷化镓(GaAs)作为测磁探头测量电磁铁气隙中的磁感应强度，研究锑化铟(InSb)在一定磁感应强度下的电阻，融合霍尔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。
磁场效应综合实验仪应包含以下实验内容：
1.霍尔效应：研究霍尔电压和励磁电流的关系，判断霍尔器件的导电类型；
2.磁阻效应：研究磁电阻传感器电阻与磁场的变化关系；
3.研究磁电阻的倍频特性(交变磁场)。
现有技术中的磁场效应综合实验仪存在励磁电流(恒流源)、工作电流(恒流源)、霍尔电压、磁电阻电压的显示问题。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种磁阻效应实验仪及其操作方法。
其技术方案如下：
一种磁阻效应实验仪，包括实验仪和实验箱两部分，所述实验仪和实验箱之间通过导线连接；
所述实验仪包括电磁铁磁感应强度大小显示装置1、毫特计调零和校准装置2、数字电压表显示装置3、数字电压表输入装置4、磁阻元件与霍尔元件工作电流显示装置5、工作电流的输出与大小调节装置6、电磁铁励磁电流显示装置7、感应强度大小的调节装置8。
所述实验箱包括电磁铁励磁电流通断开关K19、回形电磁铁励磁线圈10、工作电流通断开关K211、单刀开关K312、锑化铟磁阻传感器与砷化镓霍耳传感器固定板13。
所述工作电流的输出与大小调节装置6和所述实验箱上的工作电流连接，所述数字电压表输入装置4和所述实验箱上的测量电压连接，所述电磁铁励磁电流通断开关K19和电磁铁励磁线圈10连接，所述磁铁励磁电流的输出与调节即磁场强度大小的调节装置8和电磁铁励磁电流通断开关K19连接。
进一步，所述实验箱内置100欧姆的取样电阻。
进一步，所述电磁铁励磁线圈10为回形电磁铁励磁线圈。
一种本发明所述磁阻效应实验仪的操作方法，包括磁阻效应实验的操作方法和霍尔效应实验的操作方法两部分；
所述磁阻效应实验的操作方法，包括以下步骤：
步骤1.打开电源，将K3扳向右侧，数字电压表显示装置3显示的是标准电阻100Ω上的电压，改变工作电流大小，调节工作电流的输出与大小调节装置6，使数字电压表显示装置3显示为100mV，则回路工作电流即为100mV/100Ω＝1mA，
此后不可改变工作电流，工作电流旋钮不可旋转；
步骤2.将K3扳向左侧，电压表显示的是磁阻元件上的电压，由于回路电流1mA不变，则电压表显示的电压大小即为磁阻元件的电压，即若电压表300MV，则磁阻元件电阻即为300Ω
步骤3.改变励磁电流大小，调节感应强度大小的调节装置8，则电磁铁磁感应强度大小显示装置1和电磁铁励磁电流显示装置7同时改变，电磁铁磁感应强度大小显示1和电磁铁励磁电流显示7为正比关系，记录数字电压表显示装置3的示值，显示的电压值即为磁阻元件的电阻值。
所述霍尔效应实验的操作方法包括以下步骤：
步骤1.打开电源，闭合K2和K1，则电磁铁磁感应强度大小显示装置1、数字电压表显示装置3、磁阻元件与霍尔元件工作电流显示装置5、电磁铁励磁电流显示装置7均直接显示。
步骤2.改变工作电流大小，调节工作电流旋钮，即调节工作电流的输出与大小调节装置6，磁阻元件与霍尔元件工作电流显示装置5显示其大小，不可大于10mA，霍尔电压直接显示在数字电压表显示装置3。
步骤3.调节励磁电流大小，调节励磁电流旋钮，即调节磁铁励磁电流的输出与调节即感应强度大小的调节装置8，电磁铁励磁电流显示装置7显示其大小，不可大于1000mA，电磁铁磁感应强度大小显示装置1同步显示磁场大小。
本发明的有益效果：
本发明成功解决了磁场效应综合实验仪存在励磁电流(恒流源)、工作电流(恒流源)、霍尔电压、磁电阻电压的显示问题。具有设计合理、操作方便的特点，适合推广应用。
附图说明
图1是磁阻效应电路图；
图2是磁电阻与磁场(励磁电流)的对应关系；
图3是霍尔电压与励磁电流的变化关系；
图4是磁阻效应实验仪的实验仪结构示意图；
图5是磁阻效应实验仪的实验箱结构示意图。
图中，1、电磁铁磁感应强度大小显示装置； 2、毫特计调零和校准装置；
3、数字电压表显示装置； 4、数字电压表输入装置；
5、磁阻元件与霍尔元件工作电流显示装置； 6、工作电流的输出与大小调节装置；
7、电磁铁励磁电流显示装置； 8、感应强度大小的调节装置；
9、电磁铁励磁电流通断开关K1 10、电磁铁励磁线圈；
11、工作电流通断开关K2： 12、单刀开关K3；
13、锑化铟磁阻传感器与砷化镓霍耳传感器固定板；
14、第一霍尔元件的电压端；
15、第二霍尔元件的电压端；第一霍尔元件的电流端16、第二霍尔元件的电流端17。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
参照图4、图5，一种磁阻效应实验仪，包括实验仪和实验箱两部分，所述实验仪和实验箱之间通过导线连接；
所述实验仪包括电磁铁磁感应强度大小显示装置1、毫特计调零和校准装置2、数字电压表显示装置3、数字电压表输入装置4、磁阻元件与霍尔元件工作电流显示装置5、工作电流的输出与大小调节装置6、电磁铁励磁电流显示装置7、感应强度大小的调节装置8。
所述实验箱包括电磁铁励磁电流通断开关K19、回形电磁铁励磁线圈10、工作电流通断开关K211、单刀开关K312、锑化铟磁阻传感器与砷化镓霍耳传感器固定板13。
所述工作电流的输出与大小调节装置6和所述实验箱上的工作电流连接，所述数字电压表输入装置4和所述实验箱上的测量电压连接，所述电磁铁励磁电流通断开关K19和回形电磁铁励磁线圈10连接，所述感应强度大小的调节装置8和电磁铁励磁电流通断开关K19连接。
如图2所示，所述实验箱内置100欧姆的取样电阻。
本发明在磁阻效应实验的具体操作过程中，包括以下步骤：
图4中工作电流的输出与大小调节装置6对应连接图5中电路图正下方的“工作电流”，大小在图4中的磁阻元件与霍尔元件工作电流显示装置5显示(大小可以调节)；
图4中数字电压表输入装置4对应连接图5中的“测量电压”，大小在图4中的数字电压表显示装置3显示；
图5中的电磁铁励磁电流通断开关K19已与回形电磁铁励磁线圈10相连，图4中的感应强度大小的调节装置8用导线与图5中的电磁铁励磁电流通断开关K19相连，励磁电流大小在图4中的电磁铁励磁电流显示装置7显示，(大小可以调节)，开关K1可以改变励磁电流(磁场)方向；内置100欧姆的取样电阻。
使用方法：
1.将K3扳向右侧，图4中数字电压表显示装置3显示的是标准电阻100Ω上的电压，改变工作电流大小(调节图4中的工作电流的输出与大小调节装置6)，使电压表(图4中的数字电压表显示装置3)(比如)显示为100mV，则回路工作电流即为100mV/100Ω＝1mA。此后不可改变工作电流(由于回路电流1mA不变)
2.将K3扳向左侧，图4中数字电压表显示装置3显示的是磁阻元件上的电压，由于回路电流1mA不变，则电压表显示的电压大小即为磁阻元件的电压，即若电压表300MV，则磁阻元件电阻即为300Ω
3.改变励磁电流大小(调节图4中的感应强度大小的调节装置8)，则图4中的电磁铁磁感应强度大小显示装置1和电磁铁励磁电流显示装置7同时改变(正比关系)，记录图4中数字电压表显示装置3(显示的电压即为磁阻元件的电阻值)，磁阻元件的磁电阻值与磁场(励磁电流)并不是线性关系。
实验内容1.锑化铟磁阻传感器电流或电压保持不变的条件下，测量锑化铟磁阻传感器的电阻与磁感应强度的关系。作ΔR/R(0)与B的关系曲线，并进行曲线拟合。(实验时注意InSb传感器工作电流应小于3mA)。
实验内容2.将电磁铁的线圈引线与正弦交流低频发生器输出端相接；锑化铟磁阻传感器通以2.5mA直流电，用示波器观察磁阻传感器两端电压与电磁铁两端电压形成的李萨如图形，证明在弱正弦交流磁场情况下，磁阻传感器具有交流正弦倍频特性。
如图2所示，本发明在霍尔效应实验的具体操作过程中，包括以下步骤：
图4中的第一霍尔元件的电压端14、第二霍尔元件的电压端15、第一霍尔元件的电流端16、第二霍尔元件的电流端17分别表示霍尔器件的四个管脚，第一霍尔元件的电压端14和第二霍尔元件的电压端15连接霍尔电压，由图4中的数字电压表显示装置3显示；第二霍尔元件的电压端15和第一霍尔元件的电流端16连接工作电流，由图4中的磁阻元件与霍尔元件工作电流显示装置5显示。
图4中工作电流的输出与大小调节装置6对应连接图5中电路图正下方的“工作电流”，大小在图4中的霍尔元件工作电流显示装置5显示(大小可以调节)；
图4中数字电压表输入装置4对应连接图5中的“测量电压”，大小在图4中的数字电压表显示装置3显示；
图5中的电磁铁励磁电流通断开关K19已与回形电磁铁励磁线圈10相连，图4中的感应强度大小的调节装置8用导线与图5中的电磁铁励磁电流通断开关K19相连，励磁电流大小在图4中的电磁铁励磁电流显示装置7显示，(大小可以调节)，开关K1可以改变励磁电流(磁场)方向；
使用方法：
1.闭合K2和K1，则图4中的电磁铁磁感应强度大小显示装置1、数字电压表显示装置3、磁阻元件与霍尔元件工作电流显示装置5、电磁铁励磁电流显示装置7均有显示。
2.调节工作电流大小(调节图4中的工作电流的输出与大小调节装置6，图4中的磁阻元件与霍尔元件工作电流显示装置5显示其大小，不可大于10mA)
3.调节励磁电流大小(调节图4中的感应强度大小的调节装置8，图4中的电磁铁励磁电流显示装置7显示其大小，不可大于1000mA)，图4中的电磁铁磁感应强度大小显示装置1同步显示磁场大小。
功能一：磁阻效应
图1是磁阻效应电路图，磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。在达到稳态时，某速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。该仪器就是测量磁电阻与磁场的变化关系。
图4中工作电流的输出与大小调节装置6用插接线与图5中电路图正下方的“工作电流”相连，大小在图4中的磁阻元件与霍尔元件工作电流显示装置5，其，大小可以调节。
图4中数字电压表输入4对应连接图2中的“测量电压”，大小在图4中的数字电压显示装置3显示
图5中的电磁铁励磁电流通断开关K19已与回形电磁铁励磁线圈10相连，图4中的感应强度大小的调节装置8用导线与图5中的电磁铁励磁电流通断开关K19相连，励磁电流大小在图4中的电磁铁励磁电流显示装置7显示，其大小可以调节)，开关K1可以改变励磁电流(磁场)方向。
内置100欧姆的取样电阻
使用方法：
步骤1.打开电源，将K3扳向右侧，图4中数字电压表显示装置3显示的是标准电阻100Ω上的电压，改变工作电流大小(调节图4中的工作电流的输出与大小调节装置6)，使图4中的数字电压表显示装置3，比如显示为100mV，则回路工作电流即为100mV/100Ω＝1mA。此后不可改变工作电流，工作电流旋钮不可旋转。
步骤2.将K3扳向左侧，图4中电压表显示的是磁阻元件上的电压，由于回路电流1mA不变，则电压表显示的电压大小即为磁阻元件的电压，即若电压表300MV，则磁阻元件电阻即为300Ω
步骤3.改变励磁电流大小(调节图4中的感应强度大小的调节装置8)，则图4中的电磁铁磁感应强度大小显示装置1和电磁铁励磁电流显示装置7同时改变(正比关系)，记录图4中数字电压表显示装置3(显示的电压值即为磁阻元件的电阻值)的示值。
测量结果如表1所示。
表1
Im(mA) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
U<sub>H</sub>(mV) 379.7 382.1 389.2 400.2 415.6 434.3 456.2 481.2 508.5 538.4 570.0
Im(mA) 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000
U<sub>H</sub>(mV) 603.0 637.7 673.9 711.2 749.2 789.0 829.5 870.8 913.2 957.0
图2是磁电阻与磁场(励磁电流)的对应关系，工作电流I＝10.00mA，测量结果显示，Im在500mA以上时，磁电阻与励磁电流(磁场)呈线性关系，较小时呈现二次函数关系。结果与理论完全相符！
功能二：霍尔效应
图4中工作电流的输出与大小调节装置6对应连接图5中电路图正下方的“工作电流”，大小在图4中的磁阻元件与霍尔元件工作电流显示装置5显示(大小可以调节)
图4中数字电压表输入装置4对应连接图5中的“测量电压”，大小在图4中的数字电压表显示装置3显示。
图5中的电磁铁励磁电流通断开关K19已与回形电磁铁励磁线圈10相连，图4中的感应强度大小的调节装置8用导线与图5中的电磁铁励磁电流通断开关K19相连，励磁电流大小在图4中的电磁铁励磁电流显示装置7显示(大小可以调节)，开关K1可以改变励磁电流(磁场)方向。
使用方法：
步骤1.打开电源，闭合K2和K1，则图4中的电磁铁磁感应强度大小显示装置1、电数字电压表显示装置3、磁阻元件与霍尔元件工作电流显示装置5、电磁铁励磁电流显示装置7均直接显示。
步骤2.改变工作电流大小(调节工作电流旋钮，即调节图4中的工作电流的输出与大小调节装置6，图4中的磁阻元件与霍尔元件工作电流显示装置5显示其大小，不可大于(10mA)，霍尔电压直接显示在图4中的数字电压表显示装置3。
步骤3.调节励磁电流大小(调节励磁电流旋钮，即调节图4中的感应强度大小的调节装置8，图4中的电磁铁励磁电流显示装置7显示其大小(不可大于1000mA)，图4中的电磁铁磁感应强度大小显示装置1同步显示磁场大小。
测量结果：
验证霍尔器件的线性程度，具体步骤如上步骤1和2：
工作电流I＝10.00mA，测量结果如表2所示。
表2
Im(mA) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
U<sub>H</sub>(mV) 0.5 15.1 29.1 43.0 56.7 70.4 83.9 97.3 110.8 124.4 138.4
结果显示，线性程度非常高！
实验内容1：
保持励磁电流不变，用毫特计测量电磁铁缝隙的磁场，可以测量霍尔电压与工作电流的对应关系来求出霍尔元件的霍尔系数。
实验内容2：
保持工作电流不变，可以测量霍尔电压与励磁电流的对应关系，验证其线性度。
实验内容3：
根据工作电流、霍尔电压及励磁电流所显示的正负，判断霍尔元件的导电类型。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种磁阻效应实验仪的操作方法，其特征在于：该磁阻效应实验仪包括实验仪和实验箱两部分，所述实验仪和实验箱之间通过导线连接；
所述实验仪包括电磁铁磁感应强度大小显示装置(1)、毫特计调零和校准装置(2)、数字电压表显示装置(3)、数字电压表输入装置(4)、磁阻元件与霍尔元件工作电流显示装置(5)、工作电流的输出与大小调节装置(6)、电磁铁励磁电流显示装置(7)、感应强度大小的调节装置(8)；
所述实验箱包括电磁铁励磁电流通断开关K1(9)、回形电磁铁励磁线圈(10)、工作电流通断开关K2(11)、单刀开关K3(12)、锑化铟磁阻传感器与砷化镓霍耳传感器固定板(13)；
所述工作电流的输出与大小调节装置(6)和所述实验箱上的工作电流连接，所述数字电压表输入装置(4)和所述实验箱上的测量电压连接，所述电磁铁励磁电流通断开关K1(9)和电磁铁励磁线圈(10)连接，所述磁铁励磁电流的输出与调节即磁场强度大小的调节装置(8)和电磁铁励磁电流通断开关K1(9)连接；
所述实验箱内置100欧姆的取样电阻；
该方法包括磁阻效应实验的操作方法和霍尔效应实验的操作方法两部分；
所述磁阻效应实验的操作方法，包括以下步骤：
步骤1.打开电源，将K3扳向右侧，数字电压表显示装置(3)显示的是标准电阻100Ω上的电压，改变工作电流大小，调节工作电流的输出与大小调节装置(6)，使数字电压表显示装置(3)显示为100mV，则回路工作电流即为100mV/100Ω＝1mA，此后不能改变工作电流，工作电流旋钮不能旋转；
步骤2.将K3扳向左侧，电压表显示的是磁阻元件上的电压，由于回路电流1mA不变，则电压表显示的电压大小即为磁阻元件的电压，即若电压表300MV，则磁阻元件电阻即为300Ω
步骤3.改变励磁电流大小，调节感应强度大小的调节装置(8)，则电磁铁磁感应强度大小显示装置(1)和电磁铁励磁电流显示装置(7)同时改变，电磁铁磁感应强度大小显示(1)和电磁铁励磁电流显示(7)为正比关系，记录数字电压表显示装置(3)的示值，显示的电压值即为磁阻元件的电阻值；
所述霍尔效应实验的操作方法包括以下步骤：
步骤1.打开电源，闭合K2和K1，则电磁铁磁感应强度大小显示装置(1)、数字电压表显示装置(3)、磁阻元件与霍尔元件工作电流显示装置(5)、电磁铁励磁电流显示装置(7)均直接显示；
步骤2.改变工作电流大小，调节工作电流旋钮，即调节工作电流的输出与大小调节装置(6)，磁阻元件与霍尔元件工作电流显示装置(5)显示其大小，不能大于10mA，霍尔电压直接显示在数字电压表显示装置(3)；
步骤3.调节励磁电流大小，调节励磁电流旋钮，即调节磁铁励磁电流的输出与调节即感应强度大小的调节装置(8)，电磁铁励磁电流显示装置(7)显示其大小，不能大于1000mA，电磁铁磁感应强度大小显示装置(1)同步显示磁场大小。
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