ление ориентаций магнетонов, которое при отсутствии поля имеет случайный характер, обусловленный тепловым движением. По скольку направления осей магнетонов реагируют на магнитное поле от любого источника, приложенное извне магнитное поле влияет на электрические характеристики вещества в соответствии с этой реакцией магнетонов.
Явления, связанные с упорядоченностью магнетонов, отлича ются от гальваномагнитных эффектов тем, что в основе первых лежит действие кулоновских сил и упорядоченность магнетонов по направлению, а вторые являются результатом действия сил Лоренца.
Поскольку явления обоих указанных типов вызываются при ложенным извне магнитным полем, они могут происходить од новременно.
18.1. ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ЭФФЕКТ
Уменьшение электрического сопротивления парамагнитного проводника при увеличении напряженности магнитного поля, когда ток в проводнике и внешнее магнитное поле направлены параллельно, называется отрицательным магниторезистивным эффектом. Это явление выражено наиболее сильно у парамаг нитных полупроводников.
У магнитных проводников связанные электроны, обладающие спином, обусловливают магнитные свойства вещества, а харак теристики среды, воспринимаемые свободными электронами, обусловливают его электрические свойства. Эти две группы фак торов взаимодействуют между собой, когда электроны проводимо сти рассеиваются магнетонами, локализованными в определенных
Рис. 18.1. Продольный отрицательный магниторезистивный эффект. Удельное сопротивление парамагнитного вещества уменьшается, когда его магнетоны упорядочиваются по ориентациям, особенно если их оси параллельны направле нию движения носителей:
позициях. В данном случае рассеяние зависит от упорядоченности магнетонов по направлениям (или упорядоченности спинов). Чем больше степень неупорядоченности, тем сильнее рассеяние электронов и тем больше сопротивление вещества.
На рис. 18.1, поясняющем общую природу эффекта отрицатель ной магниторезистивности, иллюстрируются случаи упорядочен ной и неупорядоченной ориентаций магнетонов. Поскольку при ложенное магнитное поле параллельно направлению тока, силы Лоренца здесь не действуют. При этих условиях и при ма лых напряженностях поля удельное сопротивление уменьшается, если увеличивается напряженность поля. Если же это парал лельное магнитное поле имеет очень большую напряженность, то доминирующую роль начинают играть явления, описанные в гл. 21, и отрицательный магниторезистивный эффект подавляет ся. В случае, когда проводящее тело очень мало по размерам, отрицательный магниторезистивный эффект может быть подав лен явлениями,, возникающими при изменении размеров тела, как описано в гл. 20.
На рис. 18.2 иллюстрируются разные структуры распределе ния упорядоченных и неупорядоченных магнетонов, приводящие к существенно различающимся характеристикам магниторези стивности. Если магнитное поле и электрический ток направлены взаимно перпендикулярно, то эффекты, связанные с упорядочен ностью магнетонов по ориентациям, и гальваномагнитные эффек ты проявляются одновременно. В этом случае при малых напря женностях магнитного поля удельное сопротивление возрастает с увеличением напряженности поля, так как возникает гальваномагнитное сопротивление, как описано в § 17.16.
Как и во всех системах, способных к упорядочению, здесь
Рис. 18.2. Поперечный отрицательный магниторезистивный эффект. Удельное сопротивление парамагнитного вещества уменьшается, когда его магнетоны упорядочиваются по ориентациям:
| — магнетон
существует определенное значение температуры, ниже которого порядок устанавливается самопроизвольно, а выше тепловая активность уничтожает установившийся порядок. У магнитных проводников упорядоченность ориентаций магнетонов зависит от температуры, локальных обменных сил и приложенных извне магнитных полей.
Эффект Гаусса, описанный в следующем параграфе, связан с магниторезистивностью ферромагнитных проводников. Эффект Кабреры — Торроя (см. § 5.5) связан с магниторезистивностью проводника при переходе Кюри — превращении ферромагнитного вещества в парамагнитное.
Таким образом, здесь понятие магниторезистивности отно сится к нескольким различным явлениям, в том числе к эффекту Гаусса, эффекту Кабреры — Торроя, отрицательному эффекту Холла, эффекту Корбино, к эффектам, связанным с влиянием размеров тела и напряженности поля, и др.
18.2. ЭФФЕКТ ГАУССА
Ферромагнитный проводник, помещенный в магнитное поле, изменяет свое удельное сопротивление. В тех случаях, когда текущий в этом проводнике ток параллелен направлению внеш него магнитного поля, изменение удельного сопротивления на зывают эффектом Гаусса. Здесь внешнее магнитное поле устанав ливает такую упорядоченную структуру распределения ориента ций магнетонов ферромагнитного вещества, которая отличается
от упорядоченной структуры, образующейся |
самопроизвольно |
•за счет их собственных обменных сил (рис. 18.3). |
|
Хотя отрицательный магниторезистивный |
эффект и эффект |
Гаусса взаимосвязаны, последний основан на упорядочении ори ентаций доменов, а первый — на индивидуальном упорядочении ориентаций магнетонов. Поскольку при помещении ферромагнит ного вещества в магнитное поле возникает также явление магнитострикции, изменения геометрических параметров кристалличе ской решетки вследствие магнитострикционных изменений раз меров представляют собой неотъемлемую часть эффекта Гаусса.
При отсутствии внешнего поля каждый домен ферромагнит ного вещества имеет однонаправленную структуру распределе ния ориентаций магнетонов, в то же время ориентации магнето нов смежных доменов образуют противодействующие структуры. Поэтому общий результат упорядочения ориентаций всех магне тонов в ферромагнитном веществе очень близок к результату индивидуального упорядочения магнетонов с вполне случайно распределенными ориентациями. Как и при любых условиях упо рядочения случайного распределения, приложенное поле увели чивает число магнетонов, ориентированных в одном и том же направлении.
Результирующая упорядоченная структура распределения
302
Рис. 18.3. Эффект Гаусса. Сопротивление ферромагнитного проводника изме няется, когда под влиянием приложенного извне магнитного поля происходит изменение структуры распределения доменов с упорядоченными по ориентациям
магнетонами:
| — магнетон
ориентаций магнетонов и соответствующие магнитострикционные изменения размеров существенно различаются при разных значениях напряженности и при разных направлениях поля. Вслед ствие этого у разных веществ, помещаемых в разные магнитные поля, эффект Гаусса может проявляться с разными интенсив ностями и иметь разные направленности. Так, сопротивление проводника может увеличиваться при возрастании напряжен ности слабого магнитного поля, а затем уменьшаться при возра стании напряженности сильного магнитного поля (возможен и противоположный характер изменения сопротивления). Это яв ление обращения Гаусса происходит при определенной напряжен ности поля, когда изменения этой напряженности не влияют на сопротивление.
При поперечном эффекте Гаусса приложенное магнитное поле перпендикулярно направлению тока, текущего в ферромагнитном проводнике, и результат обычно противоположен по знаку в сравнении с эффектом Гаусса. Иными словами, сопротивление уменьшается при возрастании напряженности слабого поля и увеличивается при возрастании напряженности сильного поля (если для эффекта Гаусса имеет место противоположная зави симость). Поперечный эффект Гаусса объединяет в себе явления, связанные с упорядоченностью магнетонов, гальваномагнитные и магнитострикционные явления. Изменения удельного сопро тивления являются следствием одновременного действия всех трех указанных механизмов.
зоз
Электрическое сопротивление ферромагнитных проводников изменяется при изменении приложенного к ним механического напряжения. Если текущий в проводнике ток направлен парал лельно механическому напряжению, то результирующее измене ние сопротивления называется гальваноулругим (или эласторезистивным) эффектом. Он аналогичен эффекту Гаусса, однако в данном случае на упорядоченную ориентацию доменов влияет механическая деформация, а не внешнее магнитное поле.
В поперечном гальваноупругом эффекте изменение сопротив ления происходит при механическом напряжении, приложенном перпендикулярно направлению тока.
18.4. ФЕРРОМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ ХОЛЛА
Понятие ферромагнитного эффекта Холла не следует воспри нимать буквально. Эффект Холла наблюдается в ферромагнит ном веществе точно так же, как и в любом другом проводнике, однако под ферромагнитным эффектом Холла подразумевается такое сочетание эффектов Холла и Гаусса, когда холловская под вижность носителей зависит от интенсивности эффекта Гаусса. На самом деле эффект Холла может также проявиться совместно с эффектом Кондо или любым другим явлением, оказывающим влияние на холловскую подвижность носителей.
18.5. ЭЛЕКТРОФЕРРИМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ
Изменение диэлектрической проницаемости изоляционного ферримагнитного вещества при изменении напряженности маг нитного поля, когда на это вещество воздействуют одновремен но электрическое и магнитное поля, назовем электроферримагнитным эффектом (рис. 18.4).
Рис. 18.4. Электроферримагнитный эффект. Диэлектрическая проницаемость феррита зависит от структуры распределения его магнитных доменов:
1 — магнетон