Материал: Справочное пособие по магнитным явлениям

Рис. 21.1. Резонанс Азбеля — Канера. Энергия излучения взаимодействует с электронами-носителями, движущимися по циклотронным траекториям, если эти траектории имеют такую же длину волны, как и излучение:

ф — электрон проводимости

Резонанс Азбеля — Канера является результатом взаимо­ действия периодического движения электронов при переносе пе­ ременного тока и периодического движения тех же самых элект­ ронов, описывающих спиральную магнетронную траекторию. При возникновении такого взаимодействия сопротивление, которое испытывают электроны проводимости, намного возрастает, когда частота орбиты и частота переменного тока либо совпадают, либо соотносятся между собой как частоты гармоник некоторого ос­

у поверхности тела, могут взаимодействовать с тангенциально направленным магнитным полем. В этом случае энергия излу­ чения поглощается, как и при других резонансных условиях.

21.2. МАГНИТОАКУСТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС

Магнитоакустический резонанс возникает при взаимодейст­ вии периодически чередующихся областей сжатия и растяжения, порождаемых распространяющейся звуковой волной, с периоди­ чески движущимися электронами на магнетронной орбите.

Если в металле распространяется продольная звуковая волна, то чередующиеся области сжатия и растяжения вызывают сину­ соидальное изменение траектории движения электронов прово­ димости, аналогичное изменениям при наличии переменного тока. Тогда внешнее магнитное поле, направленное перпендикулярно направлению распространения звука, заставляет электроны про­ водимости двигаться по спиральным орбитам (см. рис. 2.4 и

§ 21. 1).

Если электроны проводимости подвергаются действию таких комбинированных сил, то энергия, вызывающая их движение

(в данном случае энергия звуковой волны) испытывает при своем распространении наибольшее сопротивление, когда частота орби­ ты и частота звуковой волны либо совпадают, либо соотносятся между собой как частоты гармоник некоторого основного ко­ лебания.

21.3. МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ЭФФЕКТ В СИЛЬНОМ ПОЛЕ

Под магниторезистнвным эффектом подразумевается явле­ ние изменения электрического сопротивления проводника при его помещении в магнитное поле. При рассмотрении магниторези стивного эффекта в § 17.16 его общие проявления подразделены на две части. Во-первых, уменьшается скорость движения носи­ телей в направлении тока, так как они вынуждены совершать бо­ ковое движение наряду с движением вперед. Во-вторых, умень­ шается эффективная площадь поперечного сечения проводника, так как носители скапливаются у одной стороны проводящего тела. При этих условиях электроны проводимости описывают отно­ сительно небольшую часть своей магнетронной траектории (ко­ торая показана на рис. 2.4).

При магниторезистнвном эффекте в сильном поле электроны проводимости, напротив, описывают относительно большую часть магнетронной траектории. В данном случае длина траектории увеличивается за счет орбиты, причем электроны не обязательно скапливаются у одной стороны проводника. Тот факт, что элект­ роны описывают значительную часть спиральной траектории, а эта траектория обладает пространственной периодичностью по оси спирали и временной периодичностью, обусловленной цикло­ тронной частотой, делает возможным взаимодействие этой траек­ тории с периодическими структурами вещества. Поскольку перио­ дичность спиральной траектории зависит от напряженности маг­ нитного поля, эту траекторию можно изменять за счет изменения магнитного поля. Таким образом, удельное сопротивление веще­ ства будет испытывать периодические изменения, если изменяю­ щееся магнитное поле влияет на условия периодического взаимо­ действия.

В частности, эффект Шубникова------ де Гааза состоит в перио­ дическом изменении удельного сопротивления металла под влия­ нием изменяющегося магнитного поля, а эффект магнитофо­ нонного резонанса— это аналогичное явление, наблюдаемое

вслаболегированных полупроводниках.

21.4.АНИЗОТРОПНЫЙ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ЭФФЕКТ В СИЛЬНОМ ПОЛЕ

Многие кристаллы являются анизотропными, т. е. их струк­ туры обладают разными периодическими пространственными характеристиками по разным направлениям. Эти характеристики обусловливают различия взаимодействий структуры вещества со

спиральными траекториями носителей в зависимости от направ­ ления этих траекторий. Полярная диаграмма магниторезистивного сопротивления в сильном магнитном поле как функции направ­ ления относительно осей кристалла выявляет эту анизотропию — на ней имеются острые пики, между которыми находятся области малых значений магниторезистивного сопротивления. Анизотро­ пия магниторезистивного эффекта является прямым следствием кристаллографической анизотропии.

21.5. ИЗМЕНЕНИЕ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ В СИЛЬНОМ ПОЛЕ

Движение электрона проводимости по спиральной траектории обладает как периодичностью по времени (которая характеризу­ ется циклотронной частотой), так и периодичностью по простран­ ству (которая характеризуется шагом спирали). Выше обсужде­ ны взаимодействия электронов проводимости, обусловленные периодичностью, с переменным электрическим током и электромаг­

не исчерпываются периодические явления, с которыми могут взаимодействовать электроны на спиральной траектории.

Например, различные соотношения между структурными элементами кристаллической решетки (электронами, атомами, молекулами и т. п.) изменяются дискретными скачками-кванта­ ми, которые можно описать при помощи частоты фонона (коле­ бательной энергии) или частоты магнона (колебательного изме­ нения магнитного поля). При любом взаимодействии периодиче­ ских спиральных траекторий носителей с фононными или магнонными колебаниями может возникнуть явление резонанса.

Эффект де Г ааза— Ван Альфена состоит в том, что способ­ ность металла поддерживать изменяющееся магнитное поле, или его магнитная восприимчивость, испытывает периодическое из­ менение под влиянием изменяющегося сильного магнитного поля. Этот эффект является непосредственным результатом взаимодей­ ствия магнонных колебаний и спиральной траектории носителей. Лучше всего наблюдать его при низких температурах, поскольку активность кристаллической структуры, возникающая при высо­ ких температурах, может скрыть вышеуказанные эффекты, свя­ занные с взаимодействием между периодическими явлениями.

Часть IV

ДВИЖЕНИЕ МАГНЕТОНОВ ПРИ СЛАБЫХ СВЯЗЯХ (В ВАКУУМЕ ИЛИ ГАЗЕ)

Втом случае, когда электрически заряженная частица имеет возможность удалиться на достаточно большое расстояние от соседних частиц (например, в вакууме или газе), ее активность становится совершенно независимой от внешней среды. Если частица начинает двигаться по криволинейной траектории, то вполне вероятно, что она завершит это движение. Даже если частица отклонилась от своей исходной траектории в результате столкновения с каким-либо ионом газа, она все же может завер­ шить движение по новой траектории, не испытывая помех со стороны других ионов.

Вэтой части книги обсуждаются некоторые магнитные явле­ ния, которые могут возникнуть при движении магнетонов в отсут­ ствие значительного влияния со стороны других частиц этой же среды, или взаимодействия с другими частицами; такие условия характерны для вакуума и газа.

22. ИОННЫЕ ТОКИ

Если заряженные частицы движутся в газе при наличии внешнего магнитного поля, то они имеют возможность беспре­ пятственно описывать значительную часть своей магнетронной траектории. Однако каждая траектория совсем не обязательно завершается полностью. Она может быть прервана в результате столкновения между движущейся частицей и какой-либо молеку­ лой газа.

Такие столкновения иногда лишь отклоняют направление движения частиц, переводя их на новые траектории; однако при достаточно сильных соударениях возможна также ионизация молекул газа. В период после столкновения, приводящего к иони­ зации, необходимо учитывать существование трех заряженных частиц — исходной движущейся частицы, иона газа и освобо­ дившегося электрона. Движения ионизирующей частицы до столкновения, иона газа, освободившегося электрона и ионизиру­ ющей частицы после столкновения подвержены влиянию сил Лоренца.

Взаимодействие ионизирующих и ионизированных частиц с магнитным полем при движении этих частиц в газе порождает различные магнитные явления.