ما هو المقاوم المغناطيسي؟

التعريف: عندما تتغير مقاومة بعض المعادن ومواد شبه الموصلات في وجود مجال مغناطيسي، يُطلق على هذا الظاهرة تأثير المغناطيسية. وتسمى المكونات التي تظهر هذا التأثير بالممانعات المغناطيسية. ببساطة، الممانعة المغناطيسية هي نوع من المقاومات التي تتقلب قيمتها بتغير قوة واتجاه المجال المغناطيسي الخارجي.

تلعب الممانعات المغناطيسية دورًا حاسمًا في اكتشاف وجود المجال المغناطيسي، وقياس قوته، وتحديد اتجاه القوة المغناطيسية. يتم صنعها عادةً من مواد شبه موصلة مثل الأنتيمون الإنديمي أو الأرسينيد الإنديمي، والتي تمتلك خصائص كهربائية فريدة تجعلها حساسة جدًا للمجالات المغناطيسية.

مبدأ عمل الممانعة المغناطيسية

يعتمد تشغيل الممانعة المغناطيسية على مبدأ الديناميكا الكهربية. وفقًا لهذا المبدأ، يمكن أن تتغير القوة المؤثرة على موصل يحمل تيارًا في مجال مغناطيسي، مما يؤدي إلى تغيير اتجاه التيار. عند عدم وجود مجال مغناطيسي، تتحرك حاملات الشحنة في الممانعة المغناطيسية على مسار مستقيم.

ومع ذلك، في حالة وجود مجال مغناطيسي، يتغير اتجاه التيار ويتدفق في الاتجاه المعاكس. المسار المتعرج للتيار يزيد من مرونة حاملات الشحنة، مما يؤدي إلى التصادمات. هذه التصادمات تؤدي إلى فقدان الطاقة على شكل حرارة، وهذه الحرارة تسبب زيادة في مقاومة الممانعة المغناطيسية. يتدفق فقط تيار بكمية صغيرة جدًا في الممانعة المغناطيسية بسبب وجود عدد محدود من الإلكترونات الحرة.

يعتمد انحراف الإلكترونات في الممانعة المغناطيسية على مرونتها. مرونة حاملات الشحنة في مواد شبه الموصلات أعلى مقارنة بأي المعادن. على سبيل المثال، مرونة الأرسينيد الإنديمي أو الأنتيمون الإنديمي حوالي 2.4 م²/فولت ثانية.

خصائص الممانعة المغناطيسية

تعتمد حساسية الممانعة المغناطيسية على قوة المجال المغناطيسي. منحنى الخصائص للممانعة المغناطيسية موضح في الشكل أدناه.

في غياب المجال المغناطيسي، تكون المغناطيسية للممانعة المغناطيسية صفر. مع بدء زيادة المجال المغناطيسي بشكل طفيف، تقترب مقاومة المادة من القيمة المقابلة لنقطة ب. تسبب وجود المجال المغناطيسي دوران عنصر الممانعة المغناطيسية بمقدار 45 درجة.

مع زيادة أكبر في قوة المجال المغناطيسي، يصل المنحنى إلى نقطة التشبع، الممثلة بنقطة ج. يعمل العنصر المغناطيسي عادة إما في الحالة الأولية (نقطة أ) أو بالقرب من نقطة ب. عند العمل في نقطة ب، يظهر خاصية خطية.

أنواع الممانعات المغناطيسية

يمكن تصنيف الممانعات المغناطيسية إلى ثلاثة أنواع رئيسية:

الممانعة المغناطيسية العملاقة (GMR)

في تأثير الممانعة المغناطيسية العملاقة، تنخفض مقاومة الممانعة المغناطيسية بشكل كبير عندما تكون طبقاتها الفررومغناطيسية محاذاة متوازية. وعلى العكس، عندما تكون هذه الطبقات في محاذاة مضادة، تزداد المقاومة بشكل كبير. تمثل التكوين الهيكلي لجهاز GMR في الشكل أدناه.

الممانعة المغناطيسية الاستثنائية (EMR)

في حالة الممانعة المغناطيسية الاستثنائية، تظهر مقاومة المعدن سلوكًا مميزًا. في غياب المجال المغناطيسي، تكون المقاومة مرتفعة نسبيًا. ومع ذلك، عند تطبيق المجال المغناطيسي، تنخفض المقاومة بشكل كبير، مما يدل على تغير ملحوظ في الخصائص الكهربائية استجابة للتأثير المغناطيسي.

الممانعة المغناطيسية النفقية (TMR)

في الممانعة المغناطيسية النفقية، يحدث توصيل التيار بطريقة فريدة. ينتقل التيار من كهربائي فررومغناطيسي واحد، عبر طبقة عازلة. يعتمد كمية التيار الذي ينفق عبر حاجز العزل بشكل كبير على الوضع النسبي للمغناطيسية في الكهربائيات الفررومغناطيسية. يمكن أن تؤدي الاتجاهات المختلفة للمغناطيسية إلى تغيرات كبيرة في كمية التيار النفقية، مما يجعل هذه الخاصية مهمة جدًا لتطبيقات مختلفة تعتمد على السيطرة الدقيقة وكشف الحالات المغناطيسية.

سيتدفق تيار كبير نسبيًا عندما تكون اتجاهات المغناطيسية لكهربائيات متوازية. وعلى العكس، فإن الترتيب المضاد للمغناطيسية يزيد بشكل كبير من المقاومة بين الطبقات.