實現(xiàn)自動控制電阻類型分析之磁敏電阻

華慶富

磁敏電阻是一種對磁敏感、具有磁阻效應(yīng)的電阻元件。物質(zhì)在磁場中電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。磁敏電阻在外施磁場的作用下（包括外施磁場的強度及方向的變化）能夠改變自身的阻值，是一種新穎的傳感元件。它可分為半導(dǎo)體磁敏及強磁性金屬薄膜磁敏電阻兩大類。

半導(dǎo)體磁敏電阻的研制始于上世紀60年代初，在上世紀60年代中期即有商品銷售，因其和普通電阻一樣，具有兩個端子、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、安裝方便等優(yōu)點，其應(yīng)用較為普遍。

強磁性金屬薄膜磁敏電阻是用強磁性合金材料制成的一種薄膜型的磁敏電陰器件，其作用原理是強磁性體的磁阻效應(yīng)，它和半導(dǎo)體磁敏電阻不同，除對磁場的強度敏感（和半導(dǎo)體磁敏電阻相同點）外，對磁場的方向也十分敏感（和半導(dǎo)體磁敏電阻不同點）。由于薄膜不是半導(dǎo)體材料而是強磁性體合金，因此具有較小的溫度系數(shù)，且性能較為穩(wěn)定、靈敏度高，現(xiàn)已商品化和實用化。

磁敏電阻的特點

例1 物理學(xué)中常用磁感線來形象的描述磁場，用磁感應(yīng)強度（用字母B表示）來描述磁場的強弱，它的國際單位是特斯拉（符號是T），磁感應(yīng)強度B越大表明磁場越強；B=0表明沒有磁場。有一種電阻，它的大小隨磁場強弱的變化而變化，這種電阻叫做磁敏電阻，如圖1所示，某磁敏電阻R的阻值隨磁感應(yīng)強度B變化的圖象。為了研究某磁敏電阻R的性質(zhì)，設(shè)計了如圖2所示的電路進行實驗，請解答下列問題：

（1）當(dāng)S1斷開，S2閉合時，電壓表的示數(shù)為3V，則此時電流表的示數(shù)為 A；

（2）只閉合S1，通電螺線管的左端為 極；閉合S1和S2，移動兩個滑動變阻器的滑片，當(dāng)電流表示數(shù)為0.04A時，電壓表的示數(shù)為6V，由圖象可得，此時該磁敏電阻所在位置的磁感應(yīng)強度為 T；

（3）實驗中將圖2（甲）中電路電源的正負極對調(diào)，發(fā)現(xiàn)圖2（乙）電路中電壓表和電流表的示數(shù)均不變，這表明：該磁敏電阻的阻值與磁場的 無關(guān)；

（4）實驗中通過改變滑動變阻器連入電路R1中的阻值來改變磁敏電阻所在位置的磁感應(yīng)強度，從而影響電流表的示數(shù).若讓滑動變阻器R1的滑片P向右移動，此時電流表的示數(shù)將 （選填“變大”“變小”或“不變”）。請你再提供一種改變磁感應(yīng)強度的方法。

解析：（1）由圖1可以得到R沒有磁性時的電阻，已知此時R兩端電壓，利用歐姆定律得到電流表的示數(shù)。

當(dāng)S1斷開，S2閉合時，螺線管沒有磁性，由圖1知，當(dāng)通電螺線管沒有磁性時，R=100Ω，根據(jù)歐姆定律，電流表的示數(shù)為I=[UR]=[3V100Ω]=0.03A；

注意：①利用安培定則判斷通電螺線管的磁極；②已知磁敏電阻兩端電壓和通過的電流，可以得到電阻；由磁敏電阻的阻值，利用圖象可以得到磁感應(yīng)強度。

（2）閉合開關(guān)S1時，螺線管產(chǎn)生磁性，由安培定則知：左端為S極；當(dāng)電流表示數(shù)為0.04A時，電壓表的示數(shù)為6V，磁敏電阻的阻值為R′=[U′I′]=[6V0.04A]=150Ω，由圖1知，此時的磁感應(yīng)強度為0.3T；

（3）將電源的正負極對調(diào)，螺線管的磁極發(fā)生變化，發(fā)現(xiàn)圖2（乙）電路中電壓表和電流表的示數(shù)不變，也就是磁敏電阻的阻值不變，這表明：該磁敏電阻的阻值與磁場的方向無關(guān)；

（4）若讓滑動變阻器R1的滑片P向右移動，則通電螺線管的磁場變?nèi)?，圖1可知，R的阻值減小，圖2（乙）電路圖的總電阻變小，由I=[UR]可知，電路中的電流變大，R2兩端的電壓變大，因串聯(lián)電路中總電壓等于各分電壓之和，所以R兩端的電壓變小，即電壓表的示數(shù)變??；已知磁敏電阻的大小隨磁場強弱的變化而變化，所以可以通過改變通電螺線管中線圈匝數(shù)改變螺線管的磁性強弱，間接改變磁敏電阻的阻值。

答案：（1）0.03；（2）S；0.3；（3）方向；（4）變小；改變通電螺線管的線圈匝數(shù)。

【點撥】本題是一道電與磁知識綜合應(yīng)用的創(chuàng)新題，題目形式、考查角度、考查方式新穎，注意了與高中知識的合理銜接，值得同學(xué)們重點掌握。

磁敏電阻對電路的控制

例2 巨磁電阻（GMR）在磁場中，電阻會隨著磁場的增大而急劇減小，用GMR組成的電路圖如圖3所示，S斷開，A2有示數(shù)，電源電壓恒定，則（ ）。

A.S閉合時，A2示數(shù)減小

B.S閉合時，A2示數(shù)不變

C.A1示數(shù)減小時，A2示數(shù)不變

D.A1示數(shù)增大時，A2示數(shù)增大

解析：（1）影響電磁鐵磁性的因素有線圈匝數(shù)的多少、電流的大小以及是否插入鐵芯。

（2）當(dāng)S閉合后，移動滑動變阻器的滑片，電路中電阻變化，根據(jù)歐姆定律判斷電流變化，從而可知電磁鐵中的磁性強弱變化；由巨磁電阻（GMR）會隨著磁場的增大而急劇減小，判斷GMR的電阻變化，得到A2示數(shù)變化情況。

A、B選項，由圖，S閉合后，左側(cè)電磁鐵電路連通，電磁鐵中產(chǎn)生磁性，巨磁電阻電阻減小，所以右側(cè)電路中電流增大，即A2示數(shù)變大.故A、B選項錯誤；

C、D選項，S閉合后，當(dāng)滑動變阻器的滑片左滑，變阻器連入阻值變小，電源電壓恒定，由I=[UR]可知，左側(cè)電路電流增大，A1示數(shù)變大；左側(cè)電路電流大，電磁鐵中磁性增強，巨磁電阻電阻減小，所以右側(cè)電路中電流增大，即A2示數(shù)變大.故D正確；

反之滑片右滑，電阻增大，左側(cè)電路電流減小，即A1示數(shù)變小，電磁鐵中磁性減弱，巨磁電阻電阻增大，所以右側(cè)電路中電流減小，即A2示數(shù)減小.故C錯誤。

答案：D。

【點撥】本題考查對電磁鐵特點的認識和歐姆定律的應(yīng)用，關(guān)鍵用好巨磁電阻（GMR）在磁場中，電阻會隨著磁場的增大而急劇減小這一特點。

例3 磁場的強弱可用磁感強度（B）來表示，單位為特斯拉（T），小化設(shè)計了磁感應(yīng)強度測量儀，如圖所示為原理圖。該儀器顯示計由電流表改裝，電源電壓6V，定值電阻R0為40Ω，磁敏電阻RB在常溫下的阻值隨外加磁感應(yīng)強度變化的對應(yīng)關(guān)系如表所示.求：

（1）當(dāng)待測磁感應(yīng)強度為0T時，磁敏電阻RB是多少？

（2）用該測量儀測得某處的磁感應(yīng)強度是0.08T，電路中的電流是多少？磁敏電阻RB兩端的電壓是多少？

（3）若把該測量儀放在某處，閉合開關(guān)，電路小號的總功率為0.12W，則該處的磁感應(yīng)強度是多少？

解析：（1）由表格直接讀出磁感應(yīng)強度為0T時磁感應(yīng)電阻RB的阻值；

（2）由表格讀出磁感應(yīng)強度是0.08T時，磁感應(yīng)電阻RB的阻值，根據(jù)電阻的串聯(lián)和歐姆定律求出電路中的電流，再根據(jù)歐姆定律求出RB兩端的電壓；

（3）由P=[U2R]計算出電路消耗的總功率為0.12W時電路的總電阻，利用電阻的串聯(lián)求出RB此時的阻值，由表格數(shù)據(jù)可知該出磁感應(yīng)強度。

由表格可知，該處磁感應(yīng)強度是0.16T。

【點撥】本題借由磁敏電阻的特點考察了串聯(lián)電路和歐姆定律、電功率公式的應(yīng)用，從表格中獲取信息是解題的關(guān)鍵。