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研究生: 呂虹萱
Hung-Hsuan Lu
論文名稱: 巨磁阻效應教學實驗
The experimental teaching of Giant Magnetoresistance effect
指導教授: 陸健榮
Lu, Chien-Rong
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 物理學系
Department of Physics
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 119
中文關鍵詞: 巨磁阻效應教學實驗
英文關鍵詞: Giant Magnetoresistance, experimental teaching
論文種類: 學術論文
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  • 2007年物理諾貝爾獎得獎題目為「巨磁阻效應」。此效應的發現,不但開啟了自旋電子學的大門,而且使磁性記錄的技術有了重大的躍進。為了讓學生在享受科技進步的同時,也能了解背後科學家的努力研究。我們設計了巨磁阻教學實驗,讓學生從操作中去學習巨磁阻效應的原理。
    實驗開端先設置一線圈,提供線圈電流,達到電生磁的效應,再將巨磁阻感測器放置在線圈內,紀錄巨磁阻感測器的電阻值變化。由外加磁場改變,巨磁阻感測器電阻值隨之改變的情形,向學生引入巨磁阻效應的概念。我們使用一般高中生能理解的電阻串並聯模型,來解釋巨磁阻效應的機制。而更進階的學生,讓他們操作變溫的巨磁阻效應實驗,更深入的探討溫度對巨磁阻效應的影響,以及做磁性材料的一些特性分析。
    巨磁阻教學實驗的設計,除了達到「學習巨磁阻效應」此主要目的外,仍可讓學生學習巨磁阻效應背後的物理原理,並與高中、大學的正規物理課程相連結,例如:電流磁效應、等效電阻、磁滯效應、磁化機制等。

    致謝 I 摘要 II 第一章 簡介 1 第二章 原理介紹 3 2.1磁性物質 3 2.1.1磁性的起源[2] 3 2.1.2磁性物質的磁化過程[3] 5 2.1.3磁性物質的種類[4] 6 2.2鐵磁性物質的基本現象 10 2.2.1磁滯現象[5] 10 2.2.2居里溫度以上鐵磁性物質將轉變為順磁性物質[6] 11 2.2.3自發磁化隨溫度的關係[7] 12 2.3巨磁阻效應背景原理 14 2.3.1歐姆定律(Ohm’s Law) 14 2.3.2磁阻效應[8] 15 2.3.3巨磁阻效應的構造與特性[11] 16 2.3.4自旋電流雙軌模型(Two-Current Model)[12] 19 第三章 實驗裝置設計 21 3.1巨磁阻感測器的挑選 21 3.2螺線管的挑選 22 第四章 實驗裝置 29 4.1室溫之巨磁阻教學實驗裝置 29 4.2升溫之巨磁阻教學實驗裝置 31 4.3降溫之巨磁阻教學實驗裝置 32 4.3.1致冷板降溫 32 4.3.2乾冰降溫 35 第五章 實驗結果 36 5.1通電線圈磁場的量測 36 5.2零磁場時之初始巨磁阻電阻值測量 36 5.3單向磁場操作 38 5.4雙向磁場操作 40 5.5變溫下的雙向電流操作 41 第六章 實驗結果分析 44 6.1通電線圈磁場的歸正 44 6.1.1量測不確定度分析 44 6.1.2線圈中心軸上磁場差值 45 6.1.3線圈與螺線管的磁場差異 46 6.2 巨磁阻比值計算 48 6.3 磁化曲線模擬 50 6.4 磁滯現象分析 53 6.5巨磁阻比值隨溫度的變化 55 6.6 飽和磁化強度隨溫度的變化 57 6.7模擬各溫度之巨磁阻比值 61 第七章 教學實驗設計 63 7.1教學實驗設計對象 63 7.2教學實驗設計流程 67 7.3巨磁阻教學實驗配合之學生程度檢測試題設計 69 7.4巨磁阻教學實驗配合之學習評量設計 71 7.5巨磁阻效應教學實驗 74 7.6巨磁阻教學實驗評量方式 75 第八章 結論 78 參考文獻 79 附錄 81 [附錄一] 線圈中心處磁場計算的程式碼 81 [附錄二]磁化曲線模擬程的式碼 82 [附錄三] 模擬各溫度之巨磁阻比值,各溫度的參數設定 84 [附錄四]巨磁阻效應教學實驗之學生程度檢測試題與參考解答 85 [附錄五]巨磁阻效應教學實驗之學習評量試題與參考解答 90 [附錄六]巨磁阻效應教學實驗講義 104

    [1] The Royal Swedish Academy of Sciences, The Nobel Prize in Physics 2007, 1(7).
    [2] 張熙 李學養:磁性物理學。聯經出版事業公司。p.43~52, 1982.
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    [7] 載道生 錢昆明:鐵磁學(上冊)。科學出版社。p.330~341,2000.
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    [11] The Royal Swedish Academy of Sciences, The Discovery of Giant Magnetroresistance.
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    [15] Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics, p.426~429, 6thed.
    [16] 金重勳:磁性技術手冊。中華民國磁性技術協會。p.431, 2002.
    [17] Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics, p.428, 6thed.
    [18]載道生 錢昆明:鐵磁學(上冊)。科學出版社。p.121-127, 2000.
    [19] 載道生 錢昆明:鐵磁學(上冊)。科學出版社。p.124, 2000.
    [20] 高級中學課程標準暨綱要。
    http://www.edu.tw/high-school/content.aspx?site_content_sn=8403
    [21] 教育部高級中學科學班試辦計畫。
    http://www.edu.tw/plannews_detail.aspx?sn=175&pages=1
    [22] 陳文典:基礎物理。康熙圖書網路股份有限公司。第六章。2002.
    [23] 陳文典 陸健榮:物理(上冊)。康熙圖書網路股份有限公司。第四章。2003.

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