چه چیزی مغناطیس‌مقاوم است
تعریف: وقتی مقاومت برخی فلزات و مواد نیمه‌رسانا در حضور یک میدان مغناطیسی تغییر می‌کند، این پدیده به عنوان اثر مغناطیس‌مقاومت شناخته می‌شود. قطعاتی که این اثر را نشان می‌دهند، مغناطیس‌مقاومت نامیده می‌شوند. به عبارت ساده، مغناطیس‌مقاومت نوعی مقاومت است که مقادیر مقاومت آن با قدرت و جهت یک میدان مغناطیسی خارجی متغیر می‌شود.
مغناطیس‌مقاومت‌ها نقش مهمی در تشخیص وجود یک میدان مغناطیسی، اندازه‌گیری قدرتش و تعیین جهت نیروی مغناطیسی دارند. این قطعات معمولاً از مواد نیمه‌رسانا مانند آنتیمون ایندیوم یا آرسنیک ایندیوم ساخته می‌شوند که خواص الکتریکی منحصر به فردی دارند که آنها را بسیار حساس به میدان‌های مغناطیسی می‌کند.
اصول کاری مغناطیس‌مقاومت
عملکرد یک مغناطیس‌مقاومت بر اساس اصول الکترودینامیک استوار است. بر اساس این اصول، نیروی وارد بر یک رساننده‌ی الکتریکی که در یک میدان مغناطیسی جریان دارد می‌تواند جهت جریان را تغییر دهد. زمانی که میدان مغناطیسی وجود ندارد، حامل‌های بار در مغناطیس‌مقاومت به طور مستقیم حرکت می‌کنند.
اما در حضور یک میدان مغناطیسی، جهت جریان تغییر می‌کند و به جهت مخالف جریان می‌یابد. مسیر پیچیده جریان موبیلتی حامل‌های بار را افزایش می‌دهد که منجر به برخورد می‌شود. این برخوردها باعث از دست دادن انرژی به صورت گرما می‌شوند و این گرما باعث افزایش مقاومت مغناطیس‌مقاومت می‌شود. فقط جریان بسیار کوچکی به دلیل وجود تعداد محدودی الکترون آزاد در مغناطیس‌مقاومت جریان می‌یابد.
حرکت الکترون‌ها در یک مغناطیس‌مقاومت به موبیلتی آنها بستگی دارد. موبیلتی حامل‌های بار در مواد نیمه‌رسانا بالاتر از فلزات است. به عنوان مثال، موبیلتی آرسنیک ایندیوم یا آنتیمون ایندیوم حدود ۲.۴ متر مربع/ولت ثانیه است.
ویژگی‌های مغناطیس‌مقاومت
حساسیت یک مغناطیس‌مقاومت به قدرت میدان مغناطیسی بستگی دارد. نمودار مشخصه‌ی یک مغناطیس‌مقاومت در شکل زیر نشان داده شده است.
در غیاب میدان مغناطیسی، مغناطیس‌شدن عنصر مغناطیس‌مقاومت صفر است. با افزایش کمی میدان مغناطیسی، مقاومت ماده به مقداری متناظر با نقطه b نزدیک می‌شود. وجود میدان مغناطیسی باعث می‌شود عنصر مغناطیس‌مقاومت به اندازه ۴۵ درجه دوران کند.
با افزایش بیشتر قدرت میدان مغناطیسی، منحنی به نقطه اشباع (نقطه C) می‌رسد. عنصر مغناطیس‌مقاومت معمولاً یا در حالت اولیه (نقطه O) یا نزدیک به نقطه b عمل می‌کند. هنگام عمل در نقطه b، ویژگی خطی دارد.
نوع‌های مغناطیس‌مقاومت
مغناطیس‌مقاومت‌ها می‌توانند به سه نوع اصلی تقسیم‌بندی شوند:
مقاومت مغناطیسی عظیم (GMR)
در اثر مقاومت مغناطیسی عظیم، مقاومت مغناطیس‌مقاومت زمانی که لایه‌های فرومغناطیس آن موازی با یکدیگر هستند به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. برعکس، زمانی که این لایه‌ها در یک جهت ضد موازی هستند، مقاومت به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. ساختار یک دستگاه GMR در شکل زیر نشان داده شده است.
مقاومت مغناطیسی استثنایی (EMR)
در مورد مقاومت مغناطیسی استثنایی، مقاومت فلز رفتار متمایزی دارد. در غیاب میدان مغناطیسی، مقاومت نسبتاً بالاست. اما زمانی که میدان مغناطیسی اعمال می‌شود، مقاومت به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و تغییر قابل توجهی در خواص الکتریکی به دنبال 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 فرومغناطیس عبور کرده و از طریق یک لایه عایق می‌گذرد. مقدار جریانی که از این مانع عایق عبور می‌کند به حد زیادی به جهت مغناطیسی در الکترودهای فرومغناطیس بستگی دارد. جهت‌های مختلف مغناطیسی می‌تواند منجر به تغییرات قابل توجهی در مقدار جریان تونل شود که این ویژگی برای کاربردهای مختلفی که به کنترل دقیق و تشخیص وضعیت‌های مغناطیسی متکی هستند بسیار مهم است.
جریان نسبتاً زیادی زمانی که جهت‌های مغناطیسی الکترودها موازی با یکدیگر هستند جریان می‌یابد. برعکس، ترتیب ضدموازی جهت‌های مغناطیسی مقاومت بین لایه‌ها را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.
