Гальваномагнітні явища

2.5.4. Електричний опір металів у магнітному полі (магнетоопір)

Електричний опір металу, поміщеного в магнітне поле, помітно відрізняється від його опору без поля. Різниця , де - електричний опір металу в магнітному полі, для одного і того ж значення напруженості магнітного поля залежить від його напрямку відносно напрямку струму, який протікає в провіднику. Так, поле, перпендикулярне до напрямку струму, породжує в провіднику поперечний парний гальваномагнітний ефект, а поле, паралельне напрямку струму, - поздовжній парний гальваномагнітний ефект

Зміна електричного опору металів і магнітного поля пропорційна квадратові напруженості цього поля, і лише при дуже великих напругах виконується співвідношення . Для більшості металів різниця позитивна. Від’ємне значення цієї різниці мають сплави благородних і перехідних металів, а також феромагнетиків вище насичення.

У феромагнетиках магнітне поле підвищує ступінь орієнтації магнітних моментів у певному напрямку, тоді як теплові коливання атомів знижують її. Якщо середня теплова енергія на атом дорівнює добутку kT, а зовнішнє магнітне поле знижує енергію атома на значення , то це значення пропорційно зниженню температури . При магнітна складова електричного опору в полі зменшується до значень, що відповідають температурі . При ця складова не залежить від температури і змінюватися не повинна. Зміна електричного опру, яка спостерігається в слабких полях, пов’язана з магнітострикцією (скороченням або збільшення розмірів провідника за рахунок зміни напрямку магнітних моментів) та зміною форми поверхні Фермі.

2.5.5. Ефект Шубникова - де Хааза

При низьких температурах ) і напруженостях магнітного поля Тл на залежності питомого електричного опору металів від оберненої величини напруженості магнітного поля спостерігається осциляція (ефект Шубникова - де Хааза). Даний квантовий ефект виникає внаслідок діамагнітного квантування енергетичних рівнів електронів провідності (квантування Ландау) і формування виродженого електронного газу (Фермі-газу). Цим обумовлені стрибкоподібні зміни числа енергетичних рівнів, розташованих нижче рівня Фермі, і розподіли електронів за рівнями. Величина ефекту сильно залежить від кристалографічного напрямку прикладання поля, вона експоненціально слабшає зі зростанням температури. Ефект Шубникова - де Хааза виявлено у багатьох металів, у яких є групи електронів з аномально малим заповненням (10^-4 – 10^-6 на атом). Найбільш чітко він спостерігається у вісмуті, миш'яку та сурмі, для яких характерними є тільки такі групи електронів.

2.5.6. Скін-ефект

В провіднику, поміщеному у високочастотне електричне поле, виникає поверхневий ефект (скін-ефект) – затухання поля по мірі проникнення в провідник за рахунок виникнення вихрових струмів і перетворення частки електромагнітної енергії в теплоту. Товщина шару , у якому проявляється ефект (скін-шару), залежить від частоти поля , провідності металу і його магнітної проникності. Зміна амплітуди напруженостей електричного і магнітного полів підкоряється експоненціальному закону і , де - коефіцієнт затухання. На глибині амплітуда електромагнітної хвилі зменшується в е разів. Товщина скін-шару, яка рівна при = 50 Гц 9,4 і 0,74 мм для міді і сталі відповідно, знижується приблизно в 100 разів із підвищенням чистоти до 0,5 МГц. Такий скін-ефект, що має назву нормального, звичайно виявляється при .

При (у високочистих металах при низьких температурах і порівняно високих частотах) виявляється так званий аномальний скін-ефект. Товщина скін-шару при цьому, наприклад, для міді складає лише біля 10 нм. При електричний опір металу виявляється обмеженим складовою, яка визначається електронами, що рухаються лише паралельно поверхні металу або під невеликими кутами до неї. Це відповідає дуже малому сегменту на поверхні Фермі. Поле в скін-шарі затухає не за експоненціальним законом. Проте при у сантиметровому діапазоні частот і в інфрачервоній частині спектра аномальний скін-ефект при температурах, вищих від 100 К змінюється нормальним.

2.5.7. Эфект Еттінгсхаузена

У зразку, поміщеному в магнітне поле, перпендикулярне до подовжнього електричному струму, виникає поперечний перепад температур. Він пропорційний густині сили струму і напруженості магнітного поля: . Зі зміною напрямку поля або струму змінюється знак градіенту температур.