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巨磁阻效应
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巨磁阻效应
【实验目的】
,掌握巨磁阻传感器原理及特征;
;
、特点,并掌握用巨磁阻传感器测量磁场的方法。
【实验仪器】
亥姆霍兹线圈(匝数N=200匝/个、导线;线圈间距r=10㎝);直流稳压电源(5V);试样AA002202巨磁电阻传感器。
图1 巨磁阻效应实验装置
【实验原理】
一、巨磁阻效应
所谓巨磁阻效应,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。巨磁阻是一种量子力学效应,它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。当铁磁层的磁矩相互平行时,载流子与自旋有关的散射最小,材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时,与自旋有关的散射最强,材料的电阻最大。
如图2所示,左面和右面的材料结构相同,两侧是磁性材料薄膜层(灰色),中间是非磁性材料薄膜层(黑色)。
图2 巨磁阻效应示意图
在左面的结构中,两层磁性材料的磁化方向相同。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反的电子通过时,电子较难通过两层磁性材料,都呈现大电阻。这是因为电子的自旋方向与材料的磁化方向相反,产生散射,通过的电子数减少,从而使得电流减小。
在右面的结构中,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同的电子通过时,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反的磁性材料,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反的电子通过时,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同的磁性材料,呈现小电阻。
二、巨磁阻效应特性测量
1. 亥姆霍兹线圈
(1)载流圆线圈磁场
根据毕奥—萨伐尔定律,半径为通以电流为的圆线圈在轴线(通过圆心并与线圈平面垂直的直线)上某点P(如图4所示)的磁感应强度为:
(1)
式中为通过线圈的励磁电流强度;为线圈的匝数;为线圈的平均半径;为轴上P点到圆心的距离;为真空磁导率。
因此,线圈圆心点的磁感应强度为:
(2)
图3 载流圆线圈及磁场分布
(2)亥姆霍兹线圈的磁场
亥姆霍兹线圈是一对彼此平行且连通的共轴圆形线圈(如图4所示),两线圈内的电流方向一致,大小相同,线圈之间的距离正好等于圆形线圈的半径。这种线圈的特点是能在其公共轴线中点附近产生较广的均匀磁场区,设为亥姆霍兹线圈中轴线上某点离中心点处的距离,则亥姆霍兹线圈轴线上任意一点的磁感应强度为:
(3)
因此,在亥姆霍兹线圈轴线上的中心点处的磁感应强度为:
(4)
图4 亥姆霍兹线圈及其磁场分布
2. 巨磁阻传感器原理
(1)巨磁阻传感器的工作原理
在将GMR构成传感器时,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,一般将四个巨磁电阻构成电桥的结构。
对于电桥结构,如果4个GMR电阻对磁场的响应完全同步,就不会有信号输出。传感器在工作时,“输入端”接入稳定的电压,“输出端”在外磁场的作用下输出电压信号,如图