อะไรคือ Magnetoresistor

คำนิยาม: เมื่อความต้านทานของโลหะบางชนิดและวัสดุกึ่งตัวนำเปลี่ยนแปลงในสภาพที่มีสนามแม่เหล็กปรากฏการณ์นี้เรียกว่าผลแม่เหล็กไฟฟ้า (magnetoresistance effect) ส่วนประกอบที่แสดงผลนี้เรียกว่าแม่เหล็กต้านทาน (magnetoresistors) กล่าวง่ายๆ แม่เหล็กต้านทานคือประเภทหนึ่งของตัวต้านทานซึ่งค่าความต้านทานจะเปลี่ยนแปลงตามความแรงและความทิศทางของสนามแม่เหล็กภายนอก

แม่เหล็กต้านทานมีบทบาทสำคัญในการตรวจจับการมีอยู่ของสนามแม่เหล็ก การวัดความแรง และการกำหนดทิศทางของแรงแม่เหล็ก โดยทั่วไปแล้วจะถูกผลิตจากวัสดุกึ่งตัวนำ เช่น อินเดียมแอนติโมไนด์หรืออินเดียมอาร์เซไนด์ ซึ่งมีคุณสมบัติไฟฟ้าพิเศษทำให้ไวต่อสนามแม่เหล็กมาก

หลักการทำงานของแม่เหล็กต้านทาน

การทำงานของแม่เหล็กต้านทานขึ้นอยู่กับหลักการพลศาสตร์ไฟฟ้า ตามหลักการนี้ แรงที่กระทำต่อตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าในสนามแม่เหล็กสามารถเปลี่ยนทิศทางของกระแสได้ ในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็ก ผู้นำประจุในแม่เหล็กต้านทานจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง

อย่างไรก็ตาม ในกรณีที่มีสนามแม่เหล็ก ทิศทางของกระแสจะเปลี่ยนและไหลในทิศทางตรงข้าม เส้นทางที่โค้งของกระแสเพิ่มความคล่องตัวของผู้นำประจุ ซึ่งนำไปสู่การชนกัน การชนนี้ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานในรูปแบบความร้อน และความร้อนนี้ทำให้ความต้านทานของแม่เหล็กต้านทานเพิ่มขึ้น กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านแม่เหล็กต้านทานมีขนาดเล็กมากเนื่องจากมีจำนวนอิเล็กตรอนเสรีจำกัด

การเบี่ยงเบนของอิเล็กตรอนในแม่เหล็กต้านทานขึ้นอยู่กับความคล่องตัว ความคล่องตัวของผู้นำประจุในวัสดุกึ่งตัวนำสูงกว่าในโลหะ ตัวอย่างเช่น ความคล่องตัวของอินเดียมอาร์เซไนด์หรืออินเดียมแอนติโมไนด์ประมาณ 2.4 m²/Vs

ลักษณะของแม่เหล็กต้านทาน

ความไวของแม่เหล็กต้านทานขึ้นอยู่กับความแรงของสนามแม่เหล็ก โค้งลักษณะของแม่เหล็กต้านทานแสดงในรูปด้านล่าง

ในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็ก การแม่เหล็กขององค์ประกอบแม่เหล็กต้านทานเป็นศูนย์ เมื่อสนามแม่เหล็กเริ่มเพิ่มขึ้นเล็กน้อย ความต้านทานของวัสดุจะเข้าใกล้ค่าที่สอดคล้องกับจุด b การมีอยู่ของสนามแม่เหล็กทำให้องค์ประกอบแม่เหล็กต้านทานหมุนไป 45º

เมื่อมีการเพิ่มความแรงของสนามแม่เหล็กต่อไป โค้งจะถึงจุดอิ่มตัว ระบุโดยจุด C องค์ประกอบแม่เหล็กต้านทานมักทำงานที่สถานะเริ่มต้น (จุด O) หรือใกล้จุด b เมื่อทำงานที่จุด b จะแสดงลักษณะเชิงเส้น

ประเภทของแม่เหล็กต้านทาน

แม่เหล็กต้านทานสามารถแบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก:

แม่เหล็กต้านทานยักษ์ (GMR)

ในผลแม่เหล็กต้านทานยักษ์ ความต้านทานของแม่เหล็กต้านทานลดลงอย่างมากเมื่อลำดับชั้นแม่เหล็กเฟอร์โรมากเนตขนานกัน ตรงกันข้าม เมื่อลำดับชั้นเหล่านี้อยู่ในลำดับตรงข้าม ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก โครงสร้างของอุปกรณ์ GMR แสดงในรูปด้านล่าง

แม่เหล็กต้านทานพิเศษ (EMR)

ในกรณีของแม่เหล็กต้านทานพิเศษ ความต้านทานของโลหะแสดงพฤติกรรมที่แตกต่าง เมื่อไม่มีสนามแม่เหล็ก ความต้านทานค่อนข้างสูง แต่เมื่อมีสนามแม่เหล็ก ความต้านทานจะลดลงอย่างมาก แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติไฟฟ้าที่สำคัญตามอิทธิพลของสนามแม่เหล็ก

แม่เหล็กต้านทานอุโมงค์ (TMR)

ในแม่เหล็กต้านทานอุโมงค์ การนำกระแสเกิดขึ้นในทางที่ไม่เหมือนใคร กระแสจะผ่านจากอิเล็กโทรดแม่เหล็กเฟอร์โรมากเนตหนึ่งผ่านชั้นฉนวน ปริมาณกระแสที่ผ่านชั้นฉนวนนี้ขึ้นอยู่กับทิศทางการแม่เหล็กในอิเล็กโทรดแม่เหล็กเฟอร์โรมากเนต ทิศทางการแม่เหล็กที่ต่างกันสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในขนาดของกระแสที่ผ่าน ทำให้คุณสมบัตินี้สำคัญสำหรับการใช้งานต่าง ๆ ที่ต้องการควบคุมและการตรวจจับสถานะแม่เหล็กอย่างแม่นยำ

กระแสที่ใหญ่ค่อนข้างจะไหลเมื่อทิศทางการแม่เหล็กของอิเล็กโทรดขนานกัน ตรงกันข้าม การจัดเรียงทิศทางการแม่เหล็กตรงข้ามกันจะเพิ่มความต้านทานระหว่างชั้นอย่างมาก