Гальваномагнитные явления

совокупность явлений, связанных с действием магнитного поля на электрические (гальванические) свойства твёрдых проводников (металлов и полупроводников), по которым течёт ток. Наиболее существенны Г. Я. В магнитном поле Н, перпендикулярном току (поперечные Г. Я.). К ним относится эффект Холла — возникновение разности потенциалов (эдс Холла Vh) в направлении, перпендикулярном полю Н и току j (j — плотность тока), и изменение электрического сопротивления проводника в поперечном магнитном поле. Разность Δρ между сопротивлением ρ проводника в магнитном поле и без поля часто называется магнетосопротивлением. Мерой эффекта Холла служит постоянная Холла. Здесь d — расстояние между электрическими контактами, с помощью которых измеряют эдс Холла.

Постоянная Холла в широких пределах не зависит от величины магнитного поля (а для металлов и от температуры). Линейная зависимость VH от магнитного поля Н используется для измерения магнитных полей (см. Магнитометр). В электронных проводниках, в которых ток переносится «свободными» электронами (электронами проводимости (См. Электрон проводимости)), согласно простейшим представлениям, постоянная Холла выражается через число электронов проводимости n в см3. R = 1/nec (е — заряд электрона, с — скорость света). Поэтому измерение R служит одним из основных методов оценки концентрации электронов проводимости n в электронных проводниках. У электронных проводников R имеет знак минус. У полупроводников с дырочной проводимостью и у некоторых металлов постоянная Холла имеет знак плюс, соответствующий положительно заряженным носителям тока — Дыркам (см.

Твёрдое тело). Т. К. Эдс Холла меняет знак при изменении направления магнитного поля на обратное, то эффект Холла называется нечётным Г. Я. Относительное изменение сопротивления в поперечном поле (Δρ/ρ)⊥, в обычных условиях (при комнатной температуре) очень мало. У хороших металлов (См. Металлы) (Δρ/ρ)⊥ Гальваномагнитные явления 10-4 при H Гальваномагнитные явления 104 э. Важным исключением является висмут (Bi), у которого (Δρ/ρ)⊥ ≈ 2 при Н = 3 · 104э. Это позволяет его использовать для измерения магнитного поля. У полупроводников (См. Полупроводники) изменение сопротивления несколько больше, чем у металлов. (Δρ/ρ)⊥ ≈ 10-2—10-1 и существенно зависит от концентрации примесей в полупроводнике и от температуры. Например, у достаточно чистого германия (Δρ/ρ)⊥ ≈ 3 при Т = 90 К и H = 1,8 · 10-4э.

Понижение температуры и увеличение магнитного поля приводят к увеличению (Δρ/ρ)⊥. П. Л. Капица (1929), используя магнитные поля в несколько сот тысяч э и сравнительно низкие температуры (температура жидкого азота), обнаружил существенное увеличение сопротивления большого числа металлов и показал, что в широком интервале магнитных полей (Δρ/ρ)⊥ линейно зависит от магнитного поля (закон Капицы). В слабых магнитных полях (Δρ/ρ)⊥ пропорционально H2. Коэффициент пропорциональности между (Δρ/ρ)⊥ и H2 положителен, т. Е. Сопротивление растет с увеличением магнитного поля. Изменение сопротивления в магнитном поле называется чётным Г. Я., т. К. (Δρ/ρ)⊥ не изменяет знак при изменении направления поля Н на обратное. Так как сопротивление весьма чувствительно к качеству образца (к количеству примесей и дефектов кристаллической решётки), а также к температуре, то каждое измерение приводит к новой зависимости r от Н.

Имеющиеся экспериментальные данные для металлов удобно описывать, выразив (Δρ/ρ)⊥ в виде функции от Нэф = Hρ300/ρ, где ρ300 — сопротивление данного металла при комнатной температуре (Т = 300К), а ρ — при температуре эксперимента. При этом различные данные, относящиеся к одному металлу, укладываются на одну кривую (правило Колера). Основная причина Г. Я. —искривление траекторий носителей тока (электронов проводимости и дырок) в магнитном поле (см. Лоренца сила). Траектория носителей в магнитном поле может существенно отличаться от траектории свободного электрона в магнитном поле — круговой спирали, навитой на магнитную силовую линию. Разнообразие траекторий носителей тока у различных проводников — причина разнообразия Г.

Я., а зависимость траектории от направления магнитного поля — причина анизотропии (См. Анизотропия) Г. Я. В монокристаллах. Мерой влияния магнитного поля на траекторию электрона является отношение длины свободного пробега (См. Длина свободного пробега) l электрона к радиусу кривизны его траектории в поле Н. Rн = cp/eH (р — импульс электрона). По отношению к Г. Я. Магнитное поле считают слабым, если Н ≤ Но = el/cp, и сильным, если Н ≥ Н0. При комнатных температурах для различных металлов и хорошо проводящих полупроводников H0 Гальваномагнитные явления 105—107э, для плохо проводящих полупроводников Н0Гальваномагнитные явления108—109э. Понижение температуры увеличивает длину пробега l и потому уменьшает значение H0. Это позволяет, используя низкие температуры и обычные магнитные поля (Гальваномагнитные явления104э), осуществлять условия, соответствующие сильному полю Н >> Н0.

Измерение сопротивления монокристаллических образцов металлов в сильных магнитных полях — один из важных методов изучения металлов. Исследуется зависимость сопротивления от величины магнитного поля и его направления относительно кристаллографических осей. Теория Г. Я. Показала, что зависимость сопротивления от поля Н существенно связана с энергетическим спектром электронов. Резкая анизотропия сопротивления в сильных магнитных полях (у Au, Ag, Cu, Sn и др.) означает существ, анизотропию Ферми поверхности (См. Ферми поверхность). И, наоборот, небольшая анизотропия сопротивления в магнитном поле означает практическую изотропию поверхности Ферми. При этом, если с ростом магнитного поля для всех направлений ρ не стремится к насыщению (Bi, As и др.), то электроны и дырки содержатся в проводниках в равных количествах.

Стремление сопротивления к насыщению означает, что преобладают либо электроны, либо дырки (тип носителей может быть установлен по знаку постоянной Холла). Наряду с поперечными Г. Я. Наблюдается также небольшое изменение сопротивления металлов в магнитном поле, параллельном току I. (Δρ/ρ)||, наз. Продольным гальваномагнитным эффектом. В сильных магнитных полях обнаруживаются квантовые эффекты, проявляющиеся в немонотонной (осциллирующей) зависимости постоянной Холла и сопротивления от поля Н. При изучении Г. Я. В тонких плёнках и проволоках имеет место зависимость (Δρ/ρ)⊥ и (Δρ/ρ)|| от размеров и формы образца (размерные эффекты). С ростом Н при rn ≤ d (d — наименьший размер образца) эта зависимость исчезает. В ферромагнитных металлах и полупроводниках (ферритах (См.

Ферриты)) Г. Я. Обладают рядом специфических особенностей, обусловленных существованием самопроизвольной намагниченности в отсутствие магнитного поля. Например, эдс Холла в ферромагнетиках зависит не только от среднего поля Н в образце, но и от намагниченности, сопротивление в слабых полях иногда убывает (см. Ферромагнетизм, Холла эффект). Лит. Лифшиц И. М., Каганов М. И., Некоторые вопросы электронной теории металлов, «Успехи физических наук», 1965, т. 87, в. 3. 3айман Дж., Принципы теории твердого тела, пер. С англ., М., 1966 М. И. Каганов..