تعریف: هنگامی که مقاومت فلزات و مواد نیمهرسانای خاص در حضور میدان مغناطیسی تغییر میکند، این پدیده را اثر مغناطیس-مقاومت مینامند. اجزایی که این اثر را نشان میدهند به عنوان مقاومتهای مغناطیسی شناخته میشوند. به طور ساده، یک مقاومت مغناطیسی نوعی مقاومت است که مقادیر مقاومتش با قدرت و جهت میدان مغناطیسی بیرونی تغییر میکند.
مقاومتهای مغناطیسی نقش مهمی در تشخیص وجود میدان مغناطیسی، اندازهگیری قدرتش و تعیین جهت نیروی مغناطیسی دارند. آنها معمولاً از مواد نیمهرسانا مانند آنتیموان ایندیوم یا آرسنیک ایندیم ساخته میشوند که خواص الکتریکی منحصر به فردی دارند که آنها را به میدانهای مغناطیسی بسیار حساس میکند.
اصول کاری مقاومت مغناطیسی
عملکرد یک مقاومت مغناطیسی بر اساس اصل الکترودینامیک است. بر اساس این اصل، نیروی وارد بر یک رسانندهی جریاندار در یک میدان مغناطیسی میتواند جهت جریان را تغییر دهد. در غیاب میدان مغناطیسی، حاملهای بار در مقاومت مغناطیسی به طور مستقیم حرکت میکنند.
اما در حضور یک میدان مغناطیسی، جهت جریان تغییر میکند و در جهت مخالف میجوشد. مسیر پیچیده جریان موجب افزایش موبیلتی حاملهای بار میشود که منجر به برخورد میشود. این برخوردها باعث از دست دادن انرژی به صورت گرما میشوند و این گرما باعث افزایش مقاومت مقاومت مغناطیسی میشود. فقط جریانی با مقدار بسیار کوچک در مقاومت مغناطیسی به دلیل وجود تعداد محدودی الکترون آزاد جریان مییابد.
انحراف الکترونها در یک مقاومت مغناطیسی به موبیلتی آنها بستگی دارد. موبیلتی حاملهای بار در مواد نیمهرسانا بالاتر از فلزات است. به عنوان مثال، موبیلتی آرسنیک ایندیم یا آنتیموان ایندیم حدود ۲.۴ متر مربع/ولت ثانیه است.
ویژگیهای مقاومت مغناطیسی
حساسیت یک مقاومت مغناطیسی به قدرت میدان مغناطیسی بستگی دارد. نمودار مشخصه یک مقاومت مغناطیسی در شکل زیر نشان داده شده است.
در غیاب میدان مغناطیسی، مغناطیسپذیری عنصر مقاومت مغناطیسی صفر است. با افزایش کمی میدان مغناطیسی، مقاومت ماده به مقدار متناظر با نقطه b نزدیک میشود. حضور میدان مغناطیسی باعث میشود عنصر مقاومت مغناطیسی با زاویه ۴۵ درجه دوران کند.
با افزایش بیشتر قدرت میدان مغناطیسی، منحنی به نقطه اشباع که با نقطه C نشان داده شده است، میرسد. عناصر مقاومت مغناطیسی معمولاً یا در حالت اولیه (نقطه O) یا نزدیک نقطه b عمل میکنند. هنگامی که در نقطه b عمل میکنند، ویژگی خطی نشان میدهند.
انواع مقاومتهای مغناطیسی
مقاومتهای مغناطیسی میتوانند به سه نوع اصلی تقسیمبندی شوند:
مقاومت مغناطیسی عظیم (GMR)
در اثر مقاومت مغناطیسی عظیم، مقاومت مقاومت مغناطیسی زمانی که لایههای فرومغناطیسی آن موازی با یکدیگر هستند به طور قابل توجهی کاهش مییابد. بر عکس، هنگامی که این لایهها در یک تراز ضد موازی هستند، مقاومت به طور قابل توجهی افزایش مییابد. ساختار یک دستگاه GMR در شکل زیر نشان داده شده است.
مقاومت مغناطیسی فوقالعاده (EMR)
در مورد مقاومت مغناطیسی فوقالعاده، مقاومت فلز رفتار متمایزی دارد. در غیاب میدان مغناطیسی، مقاومت نسبتاً بالاست. اما هنگامی که میدان مغناطیسی اعمال میشود، مقاومت به طور قابل توجهی کاهش مییابد و تغییر قابل توجهی در خواص الکتریکی در پاسخ به تأثیر مغناطیسی نشان میدهد.
مقاومت مغناطیسی تونل (TMR)
در یک مقاومت مغناطیسی تونل، هدایت جریان به طور منحصر به فردی انجام میشود. جریان از یک الکترود فرومغناطیسی عبور میکند و از طریق یک لایه عایق میگذرد. مقدار جریانی که از این مانع عایق عبور میکند به جهت نسبی مغناطیسپذیری در الکترودهای فرومغناطیسی بسیار بستگی دارد. جهتهای مختلف مغناطیسپذیری میتواند منجر به تغییرات قابل توجهی در مقدار جریان تونل شوند که این ویژگی برای برنامههای مختلفی که به کنترل دقیق و تشخیص حالتهای مغناطیسی متکی هستند، بسیار مهم است.
جریان نسبتاً زیادی زمانی که جهتهای مغناطیسپذیری الکترودها با یکدیگر موازی هستند جریان مییابد. بر عکس، ترتیب ضد موازی جهتهای مغناطیسپذیری مقاومت بین لایهها را به طور قابل توجهی افزایش میدهد.
