Классификация гальваномагнитных явлений

Существование самопроизвольной намагниченности в переходных металлах обуславливает аномальный характер, протекающих в них электрических явлений, таких например как электросопротивление и ЭДС.

Явления, в которых наблюдается изменение электросопротивления и ЭДС в магнитном поле носят название гальваномагнитных эффектов.

Они были открыты еще в середине прошлого века В. Томсоном и Нернстом. При этом нами главное внимание будет уделено гальваномагнитным эффектам в металлах, которые хорошо иллюстрируют класс магнитных кинетических явлений в кристаллах вообще.

Эти эффекты изучают как при параллельной ориентации векторов магнитного поля H

и электрического тока I

(продольные эффекты), так и при взаимно-перпендикулярной (поперечные эффекты). Величина и знак этих явлений (как продольных, так и поперечных) не меняются при изменении поля на прямо противоположное, поэтому обычно носят название четных эффектов.

Эти явления с равным правом можно отнести не только к магнитным, но также к электрическим эффектам. Однако наиболее характерные черты этих явлений связаны с активным воздействием внешнего магнитного поля на движение носителей тока. Именно этот магнитный аспект и будет интересовать нас прежде всего.

В группу гальваномагнитных эффектов входят четыре объединенные общим названием эффекта, которые возникают при приложении к образцу, по которому течет ток i

, магнитного поля, перпендикулярного току. Это следующие эффекты:

1. Эффект Холла, при котором в напралении, перпендикулярном H

и i

, появляется разность потенциалов;

2. Поперечный магниторезистивный эффект, заключающийся в изменении электросопротивления под действием поля H

.

3. Эффект Эттингсхаузена, при котором в направлении, перпендикулярном H

и i

, появляется градиент температуры;

4. Эффект Нернста, при котором градиент температуры появляется в направлении i

. (26)

В ферромагнетиках наблюдаются продольный магниторезистивный эффект, аналогичный эффекту 2, а также магнитотермоэлектрический эффект и эффект Холла.

По сравнению с обычными металлами ферромагнетики обладают «аномалиями» электрических и гальваномагнитных свойств. Эти «аномалии», обусловленные возникновением в ферромагнетике ниже точки Кюри самопроизвольной намагниченности, обладают двумя существенно отличными чертами.

Первая из них связана с влиянием самопроизвольной намагниченности на величину эффективной массы, время свободного пробега и граничную энергию Ферми электронов проводимости в ферромагнетике. Это влияние приводит к тому, что под действием внешнего электрического поля электроны проводимости в ферромагнетике могут обмениваться энергией и импульсами не только с колебаниями решетки (фононами), но и с неоднородностями в распределении спинового поля в ферромагнитном кристалле (ферромагнитонами), изменяя его магнитное состояние. В результате такого механизма рассеяния электронов проводимости температурная зависимость электросопротивления ферромагнетика носит аномальный, а именно: ниже точки Кюри в ферромагнетике наблюдается уменьшение электросопротивления по сравнению с его величиной для ферромагнитных металлов; в первом приближении это уменьшение оказывается пропорциональным квадрату самопроизвольной намагниченности.

Указанный эффект не зависит от внешнего магнитного состояния ферромагнетика и наблюдается как в присутствии, так и в отсутствие внешнего магнитного поля. Это объясняется тем, что здесь мы имеем дело не с магнитным явлением, а с действием на электроны проводимости изотропного обменного взаимодействия электронов незаполненных оболочек атомов ферромагнетика.

Аномалия другого гальваномагнитного явления, заключающаяся в зависимости поперечной электродвижущей силы ферромагнетика от результирующей намагниченности образца, а не от внешнего магнитного поля, была окончательно установлена в опытах И. К. Кикоина в 1936 г. (явление Xолла — Кикоина). (25)