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磁阻效應(Magnetoresistance Effects)是指某些金屬或半導體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現象。同霍爾效應一樣,磁阻效應也是由於載流子在磁場中受到洛倫茲力而產生的。在達到穩態時,某—速度的載流子所受到的電場力與洛倫茲力相等,載流子在兩端聚集產生霍爾電場,比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉,比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉。這種偏轉導致載流子的漂移路徑增加。或者說,沿外加電場方向運動的載流子數減少,從而使電阻增加。這種現象稱為磁阻效應。

1分類

若外加磁場與外加電場垂直,稱為橫向磁阻效應;若外加磁場與外加電場平行,稱為縱向磁阻效應。一般情況下,載流子的有效質量的馳豫時時間與方向無關,則縱向磁感強度不引起載流子偏移,因而無縱向磁阻效應。

2發展經歷

材料的電阻會因為外加磁場而增加或減少,則稱電阻的變化稱為磁阻(MR)。磁阻效應是1857年由英國物理學家威廉·湯姆森發現的,它在金屬里可以忽略,在半導體中則可能由小到中等。從一般磁阻開始,磁阻發展經歷了巨磁阻(GMR)、龐磁阻(CMR)、穿隧磁阻(TMR)、直衝磁阻(BMR)和異常磁阻(EMR)。

3應用

磁阻效應廣泛用於磁感測、磁力計、電子羅盤、位置和角度感測器、車輛探測、GPS導航、儀器儀錶、磁存儲(磁卡、硬碟)等領域。
磁阻器件由於靈敏度高、抗干擾能力強等優點在工業、交通、儀器儀錶、醫療器械、探礦等領域得到廣泛應用,如數字式羅盤、交通車輛檢測、導航系統、偽鈔檢別、位置測量等。
其中最典型的銻化銦(InSb)感測器是一種價格低廉、靈敏度高的磁阻器件磁電阻,有著十分重要的應用價值。
2007年諾貝爾物理學獎授予來自法國國家科學研究中心的物理學家艾爾伯·費爾和來自德國尤利希研究中心的物理學家皮特·克魯伯格,以表彰他們發現巨磁電阻效應的貢獻。

4實驗原理

一定條件下,導電材料的電阻值R隨磁感應強度B的變化規律稱為磁阻效應。如圖1所示,當半導體處於磁場中時,導體或半導體的載流子將受洛侖茲力的作用,發生偏轉,在兩端產生積聚電荷併產生霍耳電場。如果霍耳電場作用和某一速度載流子的洛侖茲力作用剛好抵消,那麼小於或大於該速度的載流子將發生偏轉,因而沿外加電場方向運動的載流子數量將減少,電阻增大,表現出橫向磁阻效應。若將圖1中a端和b端短路,則磁阻效應更明顯。通常以電阻率的相對改變數來表示磁阻的大小,即用Δρ/ρ(0)表示。其中ρ(0)為零磁場時的電阻率,設磁電阻在磁感應強度為B的磁場中電阻率為ρ(B),則Δρ=ρ(B)-ρ(0)。由於磁阻感測器電阻的相對變化率ΔR/R(0)正比於Δρ/ρ(0),這裡ΔR=R(B)-R(0),因此也可以用磁阻感測器電阻的相對改變數ΔR/R(0)來表示磁阻效應的大小。
實驗證明,當金屬或半導體處於較弱磁場中時,一般磁阻感測器電阻相對變化率ΔR/R(0)正比於磁感應強度B的平方,而在強磁場中ΔR/R(0)與磁感應強度B呈線性關係。磁阻感測器的上述特性在物理學和電子學方面有著重要應用。
處於磁場中的磁阻器件和一個外接電阻串聯,接在恆流源的分壓電路中,通過對R的調節可以調節磁阻器件中電流的大小,電壓表聯接1或2可以分別監測外接電阻的電壓和磁阻器件的電壓。

5磁阻效應

磁阻效應是指某些金屬或半導體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現象。同霍爾效應一樣,磁阻效應也是由於載流子在磁場中受到洛倫茲力而產生的。在達到穩態時,某—速度的載流子所受到的電場力與洛倫茲力相等,載流子在兩端聚集產生霍爾電場,比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉,比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉。這種偏轉導致載流子的漂移路徑增加。或者說,沿外加電場方向運動的載流子數減少,從而使電阻增加。這種現象稱為磁阻效應。

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