Большая Советская энциклопедия (ГА)

Гальваномагни'тные явле'ния , 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 V_h ) 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 V_H 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 · 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 · 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 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 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: r_н = cp/eH (р — импульс электрона). По отношению к Г. я. магнитное поле считают слабым, если Н £ Н_о = 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 —10⁹ э. Понижение температуры увеличивает длину пробега l и потому уменьшает значение H₀ . Это позволяет, используя низкие температуры и обычные магнитные поля (~10⁴ э), осуществлять условия, соответствующие сильному полю Н >> Н₀ .