осями в одну сторону, а другая половина — в противоположную. Когда на такой растянутый стержень действует осевое маг нитное поле насыщения, половина доменов изменяет ориентации на 180°, и все домены выстраиваются положительными осями в направлении поля насыщения. Поскольку и домены, которые были направлены параллельно, и домены, которые были направ лены антипараллельно по отношению к внешнему полю, обла дают устойчивостью, причем растяжение подкрепляет эту устой чивую структуру, стержень остается в состоянии насыщения даже после того, как будет устранено приложенное извне поле. Однако если теперь в некотором сечении стержня создать «очаг» намагниченности, противоположной по знаку существующей остаточной намагниченности, то эта область сразу же окажет влияние на соседние участки стержня, и в обоих направлениях к концам стержня начнет распространяться волна переориента ции магнетонов, восстанавливающая исходное состояние, при котором заселенности магнетонов, направленных в противопо
ложные стороны, приблизительно равны.
17. ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ
Различные последствия действия сил Лоренца, вызывающих отклонение траекторией отрицательно заряженных частиц — электронов при их движении через твердые вещества, называ ются гальваномагнитными эффектами.
Когда электрический ток течет в твердом проводнике, поме щенном в магнитное поле, несущие этот ток электроны откло няются в направлении, перпендикулярном как направлению тока, так и направлению магнитного поля (см. рис. 2.2). Чем быстрее движутся электроны, тем сильнее они отклоняются (см. рис.2.3).
В результате отклонения электронов устанавливаются гради енты электрического потенциала в направлениях, перпендикуляр ных направлению тока. Вследствие того что более быстро дви жущиеся электроны отклоняются сильнее, чем медленно движу щиеся, возникают тепловые градиенты, также перпендикулярные направлению тока. Таким образом, гальваномагнитные эффекты включают электрические и тепловые явления. Учитывая, что электроны могут двигаться под влиянием вынуждающих элект рических, тепловых и химических полей, гальваномагнитные эф фекты классифицируют как по типу вынуждающего поля, так и по характеру результирующих явлений — тепловых или элект рических.
Термин «гальваномагнитный» применяется только к опреде ленным явлениям, наблюдаемым у твердых веществ, где един ственным типом частиц, способных двигаться в любых значи тельных количествах, являются электроны, функционирующие либо как «свободные агенты», либо как агенты для образования
так называемых дырок. Поэтому гальваномагнитные явления классифицируются еще и в зависимости от типа участвующего в них носителя — свободных электронов или дырок.
Одно из проявлений тепловой энергии — непрерывное дви жение части электронов любого твердого вещества по случайно направленным траекториям и со случайными скоростями. Если эти движения имеют вполне случайные характеристики, то сумма всех отдельных перемещений электронов равна нулю, и невоз можно обнаружить какие-либо последствия отклонений отдель ных частиц под влиянием сил Лоренца. Если же существует электрический ток, то он переносится определенным числом заряженных частиц, или носителей, движущихся в одном или том же направлении. В твердых веществах электрический ток возникает в результате наложения некоторого общего однона правленного перемещения на исходное случайное движение электронов. При этом активность электронов представляет собой отчасти случайную реакцию на воздействие тепловой энергии и отчасти однонаправленную реакцию на воздействие, порож дающее электрический ток. Хотя на действие сил Лоренца реа гируют любые движения электронов, в гальваномагнитных явле ниях находят отражение только те движения, которые способ ствуют переносу тока. Итак, гальваномагнитные явления пред ставляют собой одно из последствий помещения твердого ве щества в магнитное поле и добавления однонаправленного пе ремещения к движению его электронов, которое при исходных условиях имело случайный характер.
Один из результатов такого сочетания условий — это появле ние градиентов заселенности частиц-носителей в направлении, перпендикулярном их однонаправленному перемещению. Силы Лоренца стремятся переместить все носители к одной стороне проводника. Поскольку носители являются заряженными части цами, такие градиенты их заселенности создают также градиен ты электрического потенциала, которые уравновешивают силы Лоренца и могут сами по себе возбуждать электрический ток. При наличии такого тока между силами Лоренца, гальваномагнитными напряжениями и резистивными напряжениями уста навливается трехкомпонентное равновесие.
Случайное движение электронов поддерживается тепловой энергией, которая определяется температурой данного вещества. Энергия, требуемая для поддержания однонаправленного пере мещения частиц, должна поступить от какого-либо иного источ ника. Этот последний не может образоваться внутри самого вещества, если оно находится в равновесном состоянии, энергия должна прийти из окружающей среды.
Таким образом, гальваномагнитное преобразование связано с электрическими явлениями, которые являются следствием воз никновения градиентов заселенности носителей; такие градиенты
устанавливаются в твердых веществах, когда они помещены в магнитное поле и подвержены различным воздействиям из внешней среды, вызывающим общее однонаправленное переме щение носителей, движение которых в исходных условиях имеет случайный характер.
17.1. КЛАССИФИКАЦИЯ
Известны шесть основных гальваномагнитных эффектов.
1. Эффекты Холла — возникновение градиентов электриче ского потенциала в результате отклонения носителей при их движении под влиянием вынуждающего электрического поля. При этом дырки и электроны одновременно или по отдельности движутся в противоположных направлениях и поэтому отклоня ются в одном и том же направлении.
2. Эффекты Нерста — возникновение градиентов электриче ского потенциала в результате отклонения носителей при их дви жении под влиянием вынужда|ощего теплового поля, при этом дырки и электроны одновременно или по отдельности движутся
в одном и том же направлении и поэтому отклоняются в противопо ложных направлениях.
3. Фотоэлектромагнитный и механоэлектромагнитный эффек ты — возникновение градиентов электрического потенциала в ре зультате отклонения носителей при их движении под влиянием вынуждающего химического поля (градиентов заселенности час тиц). При этом дырки и электроны, образующиеся парами, дви жутся вместе в одном и том же направлении и поэтому откло няются в противоположных направлениях.
4.Эффекты Эттингсгаузена и Риги — Ледюка — возникно вение тепловых градиентов в результате отклонения носителей, когда горячие носители отклоняются в большей степени, чем холодные. Если тепловые градиенты возникают в связи с эффек тами Холла, то это явление называют эффектом Эттингсгаузена, если же они возникают в связи с эффектом Нернста, то явление называют эффектом Риги — Ледюка.
5.Возрастание электрического сопротивления в результате отклонения носителей при их движении под влиянием вынуж дающего электрического поля. Здесь одновременно происходит уменьшение эффективной площади поперечного сечения провод ника из-за смещения носителей к одной его стороне и уменьше ние расстояния, проходимого носителями в направлении тока, вследствие удлинения их пути из-за движения по криволинейной траектории вместо прямолинейной.
6.Возрастание теплового сопротивления в результате изме нения условий, аналогичного вышеуказанному.
Основные комбинированные эффекты возникают в двух слу чаях:
1) когда созданы условия для течения электрического тока
под влиянием градиентов потенциала, возникающих при выше указанных явлениях;
2) когда созданы условия для образования теплового потока под влиянием тепловых градиентов, возникающих при вышеука занных явлениях.
Кроме того, известны комбинированные эффекты, в которых один из гальваномагнитных эффектов сочетается с одним или несколькими эффектами негальваномагнитного типа.
1. Тепловые эффекты:
а) подвижность носителей изменяется из-за изменения тем пературы;
б) подвижности электронов и дырок изменяются в разной степени в зависимости от температуры;
в) заселенность носителей изменяется из-за изменения тем пературы;
г) заселенности электронов и дырок изменяются в разной степени из-за изменения температуры.
2. Эффекты анизотропии.
Анизотропные характеристики кристаллических веществ из меняют результаты явления, которые наблюдались бы, при изо тропных характеристиках.
3. Термоэлектрические эффекты:
а) тепловые градиенты, обусловленные разделением горячих и холодных носителей, порождают термоэлектрические эффекты; б) термоэлектрические эффекты усиливаются в результате отклонения носителей; химический потенциал на единицу объема вещества изменяется из-за изменения заселенности носителей
(эффекты Нерста).
4. Ферромагнитные эффекты.
Подвижность носителей в ферромагнитных веществах зави сит от абсолютной напряженности и направления магнитного поля.(как при эффекте Гаусса).
5. Влияние размеров.
Если тело имеет большие размеры по сравнению с электрон ными траекториями, то преимущественное влияние на активность электронов оказывают характеристики вещества по всему объему тела. Если же размеры тела малы по сравнению с электронными траекториями, то могут преобладать поверхностные эффекты.
6. Влияние сильных полей.
Гальваномагнитные явления зависят от того, насколько длин ный путь проходят носители по их циклотронной траектории. В сильных магнитных полях носители могут проходить по этому пути значительное расстояние.
Общее число различных возможных гальваномагнитных эф фектов больше двухсот, однако на самом деле любой из них можно получить, комбинируя перечисленные выше явления.
17.2. КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА
Электрон — это весьма малая частица, обладающая в точ ности одной единицей отрицательного электрического заряда. Протон — это также малая частица, однако намного превыша ющая электрон по массе и обладающая одной единицей поло жительного электрического заряда, в точности равной по абсо лютной величине и противоположной по знаку заряду электрона.
Атомное ядро представляет собой отдельную положительно заряженную частицу, состоящую отчасти из некоторого конеч ного числа протонов. Атом в целом, имеющий нулевой электри ческий заряд, состоит из положительно заряженного ядра и фик сированного числа вращающихся вокруг него электронов. Число этих электронов должно быть таким, чтобы сумма их отрица тельных зарядов была равна положительному заряду ядра.
При упрощенном рассмотрении атома считается, что элект роны и ядро взаимно притягиваются "'и удерживаются вместе благодаря своим равным и противоположным по знаку электри ческим зарядам. Более сложная и обоснованная трактовка со стоит в том, что энергетический уровень взаимосвязанной систе мы из ядра и электронов ниже, чем энергетический уровень, который имели бы эти частицы, если бы существовали отдельно. Таким образом, именно разность между энергиями этих двух уровней определяет когезионную силу, или силу связи.
Атом, утративший один или несколько электронов, называ ется ионом. Эта частица обладает положительным электрическим зарядом, равным по абсолютной величине отрицательному за ряду недостающих электронов. Ионом называют также моле кулу, потерявшую один или несколько электронов. Таким обра зом, существуют атомарные и молекулярные ионы.
В обычных условиях молекула, обладающая нулевым элект рическим зарядом, состоит из двух или большего числа поло жительно заряженных ядер, окруженных фиксированным числом вращающихся вокруг них электронов. Здесь по-прежнему число вращающихся электронов таково, что сумма их отрицательных зарядов равна сумме положительных зарядов ядер. Как пока зано на рис. 3.2, некоторые из электронов молекулы вращаются вокруг отдельных ядер, другие охватывают своими орбитами сразу два или большее число ядер. Два ядра, связанных в моле кулу благодаря наличию общих орбитальных электронов, при определенных условиях характеризуются меньшей энергией по сравнению с энергией, которой они характеризовались бы, если бы существовали как самостоятельные атомы. Разность энергий для этих двух вариантов условий существования атомов опре деляет силы связи, создаваемые общими электронами.
Тело из твердого вещества можно представить как трех мерную континуальную (сплошную) среду, в которой каждый элементарный объем аналогичен огромной молекуле. Очень боль