Magnettakistus

Magnettakistuseks ehk magnetotakistuseks nimetatakse materjali omadust muuta oma elektrilist takistust välise magnetvälja rakendamisel. Efekti avastas 1856. aastal Lord Kelvin, kuid ei suutnud takistust vähendada rohkem kui 5%. Hiljem hakati seda efekti kutsuma tavaliseks magnettakistuseks (ordinary magnetoresistance) (OMR).

Tuntuimad ferromagneetikud on raud, koobalt ja nikkel. Nende materjalide omapäraks on asjaolu, et lähestikku olevate aatomite magnetmomendid joonduvad spontaanselt samas suunas. See on puhtalt kvantmehaaniline efekt, sest klassikalise füüsika järgi joonduks kaks vastastikmõjus magnetmomenti alati vastassuunaliselt. Suvaline rauatükk tavaliselt magnet siiski ei ole, sest aatomite magnetmomentide samasuunalisel joondumisel on teatud piiratud ruumiulatus – materjalis moodustuvad ühesuunalistest magnetmomentidest mikrodomeenid, mis on orienteeritud kõikvõimalikes suundades, ja nii on kogu materjali magnetmoment null. Aga välises magnetväljas orienteeruvad domeenid välja sihis ja kogu materjal muutubki magnetiks, jäädes selleks ka välise välja eemaldamisel. See efekt on olnud infosalvestuse aluseks magnetlintide leiutamisest saati. Magnetdomeenid kannavad infot ka arvutite kõvaketastel ning mida väiksemate domeenise orientatsiooni on õnnestunud piisavalt kiiresti ja täpselt "maha lugeda", seda infotihedamaks on muutunud ka kõvakettad.

Tänapäevaks on avastatud hiiglaslik magnettakistus (giant magnetoresistance; GMR), tohutu magnettakistus (colossal magnetoresistance; CMR) ja magnetiline tunneliefekt (tunnel magnetoresistance; TMR).

Avastamine

Lord Kelvin tegi katseid rauatükkidega ja avastas, et takistus suureneb, kui vool on magnetvälja jõujoontega paralleelne ja väheneb, kui vool on 90° nurga all magnetjõu suhtes. Ta tegi sama katse nikliga ja avastas sama efekti, kuid see oli suurusjärgu võrra võimsam. Seda efekti kutsutakse anisotroopseks magnettakistuseks (AMR).

Joonis 1: Corbino ketas. Magnetvälja väljalülitamisel on ülijuhi pindade vahel sirgvool. Kui aga rõnga teljega paralleelne magnetväli sisse lülitada, siis takistus sisemiste ja välimiste rõngaste vahel suureneb Lorentzi jõust põhjustatud ringkomponendi lisandumisel. Seda takistuse suurenemise nähtust nimetatakse magnettakistuseks

Corbino ketas

Joonisel 1 on näha Corbino ketas. See koosneb juhtivast rõngast, mille välimine ja sisemine pind on ülijuhid. Ilma magnetvälja olemasoluta alalisvooluallika sisselülitamisel esineb pindade vahel sirgvool. Kui aga magnetväli on paralleelne rõnga teljega, siis lisandub ka ringvoolu komponent Lorentzi jõu tõttu. Esimesena huvitus sellest probleemist 1886. aastal Ludwig Boltzmann, kuid Orso Mario Corbino uuris seda sõltumatult 1911. aastal.

Eeldades, et vastasmõju Lorentzi jõule on sama, mis elektriväljale, saame et laengukandja kiirus v on avaldatav võrrandist:

$\mathbf {v} =\mu \left(\mathbf {E} +\mathbf {v\times B} \right),\$

kus μ = laengukandja liikuvus. Avaldades kiiruse, saame:

$\mathbf {v} ={\frac {\mu }{1+(\mu B)^{2}}}\left(\mathbf {E} +\mu \mathbf {E\times B} \right),\$

kus liikuvuse vähenemine B-välja tõttu on ilmne.

Anisotroopne magnettakistus

Anisotroopseks magnettakistuseks (AMR) nimetatakse materjali omadust, mille puhul materjali elektriline takistus sõltub voolu ja magnetvälja vahelisest nurgast. Selle nähtuse põhjustajaks peetakse s-d elektronide suurt tõenäosust hajuda magnetvälja suunal. Summaarselt on suurim takistus siis, kui elektrivool on rakendatava magnetväljaga paralleelne. Suurimat AMRi efekti (50%) on täheldatud ferromagnetilistes uraaniühendites.

Ühe kandja tüübiga pooljuhis on magnettakistus võrdeline 1 + (μB)²-ga, kus μ tähistab elektroni liikuvust (ühik m²·V⁻¹·s⁻¹ või T ⁻¹) ja B magnetvälja (ühik tesla). Indium antimoniid on näide suure liikuvusega pooljuhist, elektroni liikuvus võib ületada selles 7,7•10¹⁰ cm²·V⁻¹·s⁻¹ 300 K juures. Seega 0,25 T magnetväljas suureneks magnettakistus 100%.

Kuna AMRil on mittelineaarseid omadusi ja samuti on raske määrata magnetvälja polaarsust, siis seetõttu kasutatakse sensorites keerukamaid struktuure. Sensorid koosnevad alumiiniumi ribadest või õhukestest kullatud permalloi (raua-nikli sulam 20–80) kihtidest, mis jooksevad mööda kandjat 45° nurga all. Seesugune struktuur sunnib voolu mitte liikuma mööda materjali "kergeid telgi", vaid samuti 45° nurga all, mille tõttu on takistuse väärtusel lineaarne kõrvalekalle nullpunktist.

AMRi efekti kasutatakse laialt. Näiteks Maa magnetvälja mõõtmisel (elektrooniline kompass) ja elektrivoolu mõõtmisel (mõõtes magnetvälja tugevust juhi ümber). Suurimad AMR sensorite tootjad on Honeywell, NXP Semiconductors ja Sensitech GmbH.