近代物理实验报告
专业2011级应用物理学班级(2)组别 指导教师彭云雄
姓名 同组人
实验时间 2013 年 12 月 23日 实验地点K7-108
实验名称 磁阻效应实验
一、实验目的
1、 测量电磁铁的磁感应强度与励磁电流的关系和电磁铁磁场分布。
2、 测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系。
3、 作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线。
4、 对此关系曲线的非线性区域和线性区域分别进行拟合。
二、实验原理
图1 磁阻效应原理
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2
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。
三、实验仪器
HLD-MRE-II型磁阻效应实验仪:包括直流双路恒流电源、0-2V直流数字电压表、电磁铁、数字式毫特仪(GaAs作探测器)、锑化铟(InSb)磁阻传感器等组成。
四、实验内容和步骤
1. 测量电磁铁励磁电流IM与电磁铁气隙中磁感应强度B的关系(测量电磁铁磁化曲线)
1) 对准航空插头座缺口方向,用双头航空插头线连接实验装置和实验仪传感器接口,传感器固定印板转出电磁铁气隙, (以减小电磁铁矽钢片残磁影响),预热10分钟后调零毫特仪,使其显示0.0mT。
2) 连接电磁铁电流输入线,置传感器印板于电磁铁气隙中,将电磁铁通入电流,调励磁电流变化依次为:0,100,200…800mA。记录励磁电流和电磁感应强度在表1中,并绘制电磁铁磁化曲线,
表1
其中励磁电流IM=0时,B≠0,表明电磁铁有剩磁存在。
请在这插入折线图
2.测量磁感应强度和磁电阻大小的关系
1)按图2所示将锑化铟(InSb)磁阻传感器与外接电阻(接线柱上已装电阻,也可外接电阻箱)串联,并与可调直流电源相接,数字电压表的一端连接磁阻传感器和电阻(或电阻箱)公共接点,作为测量参考点,单刀双向开关可分别与串接电阻、磁电阻InSb切换,用于测量它们的端电压。
2)由测量磁阻传感器的电流及其两端的电压,求磁阻传感器的电阻R;调节通过电磁铁的电流,改变电磁铁气隙中磁场,由毫特仪读出相应的B,求出ΔR/R(0)与B的关系。作ΔR/R(0)与B的关系曲线,并进行曲线拟合。
一般地,可保持锑化铟磁阻传感器电流或电压不变的条件下,测量锑化铟磁阻传感器的电阻与磁感应强度的关系。(实验时注意GaAs和InSb传感器工作电流应<3m A)。本实验采用保持实验样品电流恒定的条件下,通过测量其端电压来计算其电阻值。
取样电流的确定可按如下方法:例如取样电阻标称值为300Ω,而经测量接线柱上外接取样电阻实际值为 R=298.9Ω,可调节电流,使电阻两端电压U=298.9mV;
则电流 ===1.00mA;
3)实验步骤
(a)如图2所示连接好导线。单刀开关向上接通测量外接电阻电压,根据取样电阻的阻值确定取样电流,调节InSb电流调节旋钮,使电压测量值为U=300.0mV,则InSb磁电阻和外接电阻通入的电流为1.00mA, 单刀开关向下接通测量InSb磁电阻两端的电压时,因电流方向显示的电压为负值,记录数值时无须记录。
(b)实验样品固定印板置于电磁铁气隙中,电磁铁励磁电流调为0开始实验测量,此时的磁场很小,忽略不计,此时测得的电阻值为实验样品的R(0),实验中可经常观测外接电阻两端电压是否变化来表明InSb电流的稳定情况。
实验记录表格如下:
表2
请在这插入折线图
对ΔR/R与B关系曲线图的分析:
1、在B<60mT时:
令ΔR/R(0)=kBn ,则ln(ΔR/R(0))=n lnB+lnk
用双对数坐标纸经直线拟合后得:n=1.97,可知在B<0.06T时磁阻变化率ΔR/R(0)与磁感应强度B近似成二次函数关系。在B<60mT时,拟合得到 ΔR/R(0)=29.2B2
2、B>120mT时:
令ΔR/R(0)=k1Bn1 ,则ln(ΔR/R(0))=n1 lnB+lnk1
用双对数坐标纸经直线拟合后得:n1=0.8,可知在B>0.12时磁阻变化率ΔR/R(0)与磁感应强度B近似成一次函数关系。在B>0.12T时,拟合得到 ΔR/R(0)=1.72B+0.14 相关系数 r=0.9996
五、注意事项
锑化铟磁阻传感器作为半导体材料温度系数较大,即对温度变化很敏感,所以实验时下列因素会影响实验数据:
1、 实验室环境温度
2、 电磁铁的温升
3、 锑化锢的工作电流
故经测量在不同的室温条件下其常态电阻差异性很大;为了减少电磁铁的温升实验数据测量应快一些,不宜长时间通电实验,更不应使电磁铁长时间处在大电流工作状态;通过实验样品的电流要取小一些,可有效减小其温升,从而使电阻值相对稳定。
实验时可改变励磁电流的方向说明磁阻传感器的电阻变化与磁场强度的大小有关,而与磁场方向无关.可解释倍频效应的原因.
六.实验小结:
教师评语:
1. 实验预习:( 认真、 较认真、 一般、 较差、 很差 );占30%
2. 原始数据及实验结果:( 准确合理、 较准确、 不合理 );占30%
3. 误差分析或作图:( 规范、 中等、 不规范 );占20%
4. 卷面整洁度:( 很好、 较好、 中等、 较差、 很差 );占20%
评定等级:( ) 教师签名: 日期:
中央民族大学实验报告
课程名称: 普通物理
实验名称: 霍尔效应
学 院: 理学院
专 业: 信息与计算科学
报告人: 缪崯森 学号:0932102班级: 信息与计算科学(3)
实验时间: 2010/9/23
一、实验目的与要求
1. 了解产生霍尔效应的物理过程及其测量磁场的原理和方法;
2. 验证霍尔电流与霍尔电压的线性关系;
3. 测定励磁电流与霍尔电压线性关系的范围.
二、实验仪器和用具
LH-A型霍尔效应实验仪器一台、HF-CF型测试仪一台、导线若干.
三、实验原理及内容和方法
1. 实验原理:
霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦磁力的作用引起的偏转。将半导体置于图1所示的电场中。半导体长度为,宽度为,厚度为,外磁场沿z轴方向,若半导体中通有电流,沿x轴方向,垂直于,则现在和方向,即沿y方向,出现一个横向电位差,这一现象称霍尔效应,其横向电压称霍尔电压.
设有横向均匀磁场作用在一束以速度为的电子流上,运动电荷受到洛伦磁力为:
………………………………………………………... (1)
其方向沿y轴负方向,造成电子流发生偏转,被推向半导体的下侧(M面),在M上形成负电荷积累,而相对上侧(N面)形成正电荷积累,使M,N面之间建立了电场,其方向沿y轴方向,两侧的霍尔电压;
电子在霍尔电场中受到一个静电场力:
………………………………………………………….. (2)
沿y轴正方向,它将阻碍电子相M面积聚。随着电荷的增加,电场不断增强,直到达到平衡,这时候有:
………………………………………………………..….. (3)
设半导体薄片中电子浓度为,则有:
所以霍尔电压为:
………………………...…….. (4)
式中,称为霍尔系数,它取决于材料的性质,是反映材料霍尔效应的重要参数可以知道;称为霍尔灵敏度,它取决于材料性质和几何尺寸,对于霍尔片来说是个常数,单位为.
对于选定的霍尔片,保持通过它的工作电流值不变,霍尔电压与被测的电磁感应强度成正比:
………………………………………………………......... (5)
2. 实验内容和方法
(1) 测绘曲线,保持不变,调节霍尔元件位置使电压表值最大,调节并依次改变励磁电流和霍尔电流的方向,将霍尔电压记录在表中。
(2) 测绘曲线,保持不变,调节霍尔元件位置使电压表值最大,调节并依次改变励磁电流和霍尔电流的方向,将霍尔电压记录在表中。
四、误差来源及分析
1. 误差来源:(1)电热和温差带来的附加电压。(2)由于霍尔片表面不均匀,使电极位置不匀称,造成不等势电压。
2. 分析:采用换测法消除不等势电压。取电流和磁场的四种状态分别测电压得。求这四个电压绝对值的平均值即:.
五、数据处理分析及结果
1.测绘曲线,保持不变,在表格中记录霍尔电压。
用最小二乘法可知 关联系数
2.测绘曲线,保持不变,在表格中记录霍尔电压。
用最小二乘法可知 关联系数
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