Định nghĩa: Khi điện trở của một số kim loại và vật liệu bán dẫn thay đổi trong sự hiện diện của từ trường, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng từ kháng. Các thành phần thể hiện hiệu ứng này được gọi là từ kháng. Nói đơn giản, từ kháng là một loại điện trở có giá trị điện trở thay đổi theo cường độ và hướng của từ trường bên ngoài.
Từ kháng đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện sự hiện diện của từ trường, đo lường cường độ và xác định hướng lực từ. Chúng thường được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn như antimonide indium hoặc arsênide indium, những vật liệu này có tính chất điện đặc biệt làm cho chúng rất nhạy cảm với từ trường.
Cơ chế hoạt động của Từ kháng
Cơ chế hoạt động của từ kháng dựa trên nguyên lý điện động lực học. Theo nguyên lý này, lực tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện trong từ trường có thể thay đổi hướng của dòng điện. Khi không có từ trường, các hạt mang điện trong từ kháng di chuyển theo đường thẳng.
Tuy nhiên, khi có từ trường, hướng của dòng điện thay đổi và chảy theo hướng ngược lại. Đường đi vòng vo của dòng điện làm tăng khả năng di chuyển của các hạt mang điện, dẫn đến va chạm. Những va chạm này gây ra mất mát năng lượng dưới dạng nhiệt, và nhiệt này làm tăng điện trở của từ kháng. Chỉ có một lượng nhỏ dòng điện chảy qua từ kháng do số lượng electron tự do hạn chế.
Sự lệch hướng của electron trong từ kháng phụ thuộc vào khả năng di chuyển của chúng. Khả năng di chuyển của các hạt mang điện trong vật liệu bán dẫn cao hơn so với kim loại. Ví dụ, khả năng di chuyển của arsênide indium hoặc antimonide indium khoảng 2,4 m²/Vs.
Đặc tính của Từ kháng
Độ nhạy của từ kháng phụ thuộc vào cường độ của từ trường. Đường cong đặc trưng của từ kháng được hiển thị trong hình dưới đây.
Trong trường hợp không có từ trường, từ hóa của phần tử từ kháng là không. Khi từ trường bắt đầu tăng nhẹ, điện trở của vật liệu tiến gần đến giá trị tương ứng với điểm b. Sự hiện diện của từ trường khiến phần tử từ kháng xoay một góc 45º.
Khi cường độ từ trường tiếp tục tăng, đường cong đạt đến điểm bão hòa, ký hiệu bằng điểm C. Phần tử từ kháng thường hoạt động ở trạng thái ban đầu (điểm O) hoặc gần điểm b. Khi hoạt động ở điểm b, nó thể hiện đặc tính tuyến tính.
Loại Từ kháng
Từ kháng có thể được phân loại thành ba loại chính:
Từ kháng GMR (Giant Magnetoresistance)
Trong hiệu ứng Từ kháng GMR, điện trở của từ kháng giảm đáng kể khi các lớp từ sắt của nó được căn chỉnh song song với nhau. Ngược lại, khi các lớp này được căn chỉnh chống song song, điện trở tăng đáng kể. Cấu trúc của thiết bị GMR được minh họa trong hình dưới đây.
Từ kháng EMR (Extraordinary Magnetoresistance)
Trong trường hợp Từ kháng EMR, điện trở của kim loại thể hiện hành vi riêng biệt. Trong trường hợp không có từ trường, điện trở tương đối cao. Tuy nhiên, khi áp dụng từ trường, điện trở giảm đáng kể, thể hiện sự thay đổi rõ rệt trong các tính chất điện do ảnh hưởng từ trường.
Từ kháng TMR (Tunnel Magnetoresistor)
Trong Từ kháng TMR, việc dẫn điện xảy ra theo cách độc đáo. Dòng điện đi qua từ điện cực từ sắt, vượt qua một lớp cách điện. Lượng dòng điện xuyên qua hàng rào cách điện này phụ thuộc rất nhiều vào hướng tương đối của từ hóa trong các điện cực từ sắt. Các hướng từ hóa khác nhau có thể dẫn đến sự thay đổi đáng kể về độ lớn của dòng điện xuyên qua, làm cho tính chất này quan trọng cho nhiều ứng dụng cần kiểm soát và phát hiện chính xác các trạng thái từ.
Một dòng điện tương đối lớn sẽ chảy khi các hướng từ hóa của các điện cực song song với nhau. Ngược lại, một bố trí chống song song của các hướng từ hóa làm tăng đáng kể điện trở giữa các lớp.
