實現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、具有磁阻效應的電阻元件。物質在磁場中電阻發生變化的現象稱為磁阻效應。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。它可分為半導體磁敏及強磁性金屬薄膜磁敏電阻兩大類。

半導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、結構簡單、靈敏度高、安裝方便等優點，其應用較為普遍。

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，它和半導體磁敏電阻不同，除對磁場的強度敏感（和半導體磁敏電阻相同點）外，對磁場的方向也十分敏感（和半導體磁敏電阻不同點）。由于薄膜不是半導體材料而是強磁性體合金，因此具有較小的溫度系數，且性能較為穩定、靈敏度高，現已商品化和實用化。

磁敏電阻的特點

例1 物理學中常用磁感線來形象的描述磁場，用磁感應強度（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的阻值隨磁感應強度B變化的圖象。為了研究某磁敏電阻R的性質，設計了如圖2所示的電路進行實驗，請解答下列問題：

（1）當S1斷開，S2閉合時，電壓表的示數為3V，則此時電流表的示數為 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，當電流表示數為0.04A時，電壓表的示數為6V，由圖象可得，此時該磁敏電阻所在位置的磁感應強度為 T；

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

（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強度，從而影響電流表的示數.若讓滑動變阻器R1的滑片P向右移動，此時電流表的示數將 （選填“變大”“變小”或“不變”）。請你再提供一種改變磁感應強度的方法。

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。

當S1斷開，S2閉合時，螺線管沒有磁性，由圖1知，當通電螺線管沒有磁性時，R=100Ω，根據歐姆定律，電流表的示數為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強度。

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

（3）將電源的正負極對調，螺線管的磁極發生變化，發現圖2（乙）電路中電壓表和電流表的示數不變，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；

（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弱，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，即電壓表的示數變小；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。

【點撥】本題是一道電與磁知識綜合應用的創新題，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，電源電壓恒定，則（ ）。

A.S閉合時，A2示數減小

B.S閉合時，A2示數不變

C.A1示數減小時，A2示數不變

D.A1示數增大時，A2示數增大

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

（2）當S閉合后，移動滑動變阻器的滑片，電路中電阻變化，根據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示數變化情況。

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

C、D選項，S閉合后，當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，左側電路電流增大，A1示數變大；左側電路電流大，電磁鐵中磁性增強，巨磁電阻電阻減小，所以右側電路中電流增大，即A2示數變大.故D正確；

反之滑片右滑，電阻增大，左側電路電流減小，即A1示數變小，電磁鐵中磁性減弱，巨磁電阻電阻增大，所以右側電路中電流減小，即A2示數減小.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用，關鍵用好巨磁電阻（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），小化設計了磁感應強度測量儀，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強度變化的對應關系如表所示.求：

（1）當待測磁感應強度為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，電路小號的總功率為0.12W，則該處的磁感應強度是多少？

解析：（1）由表格直接讀出磁感應強度為0T時磁感應電阻RB的阻值；

（2）由表格讀出磁感應強度是0.08T時，磁感應電阻RB的阻值，根據電阻的串聯和歐姆定律求出電路中的電流，再根據歐姆定律求出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，利用電阻的串聯求出RB此時的阻值，由表格數據可知該出磁感應強度。

由表格可知，該處磁感應強度是0.16T。

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