Значение ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ в Большой советской энциклопедии, БСЭ

ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

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 Dr между сопротивлением r 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 ), 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 ( Dr/r )|, в обычных условиях (при комнатной температуре) очень мало: у хороших металлов ( Dr/r )| ~ 10-4 при H ~ 104 э . Важным исключением является висмут (Bi), у которого ( Dr/r )| ' 2 при Н 3 T 104 э . Это позволяет его использовать для измерения магнитного поля. У полупроводников изменение сопротивления несколько больше, чем у металлов: ( Dr/r )| ' 10-2-10-1 и существенно зависит от концентрации примесей в полупроводнике и от температуры. Например, у достаточно чистого германия ( Dr/r )| ' 3 при Т 90 К и H 1,8 T 10-4 э .

Понижение температуры и увеличение магнитного поля приводят к увеличению ( Dr/r )|. 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 ( Dr/r )| линейно зависит от магнитного поля (закон Капицы).

В слабых магнитных полях ( Dr/r )| пропорционально H2 . Коэффициент пропорциональности между ( Dr/r )| и H2 положителен, т. е. сопротивление растет с увеличением магнитного поля. Изменение сопротивления в магнитном поле называется чётным Г. я., т. к. (Dr/r)| 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 ( Dr/r )| в виде функции от Н эф Hr300/r, где r300 - сопротивление данного металла при комнатной температуре ( Т 300К), а r - 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 вмагнитном 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 Г. я. в монокристаллах. Мерой влияния магнитного поля на траекторию электрона является отношение длины 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 ³ Н0.

При комнатных температурах для различных металлов и хорошо проводящих полупроводников H0 ~ 105-107 э, для плохо проводящих полупроводников Н0 ~108-109э. Понижение температуры увеличивает длину пробега l и потому уменьшает значение H0. Это позволяет, используя низкие температуры и обычные магнитные поля (~104э), 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 . И, наоборот, небольшая анизотропия сопротивления в магнитном поле означает практическую изотропию поверхности Ферми. При этом, если с ростом магнитного поля для всех направлений r 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 : ( Dr/r )||, 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 ( Dr/r )| и ( Dr/r )|| 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 ) 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.

Большая советская энциклопедия, БСЭ.