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AMR-Effekt

Der Anisotrope Magnetoresistive Effekt, kurz AMR–Effekt, ist der am längsten bekannte magnetoresistive Effekt und wurde 1857 durch William Thomson, 1. Baron Kelvin entdeckt. Er beruht auf anisotroper (von der Raumrichtung abhängiger) Streuung in ferromagnetischen Metallen. Das heißt, er tritt in Materialien auf, die eine eigene Magnetisierung aufweisen.

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Beobachtungen

Besonders gut lässt sich der Effekt beobachten in einer dünnen (ca. 20 nm) Schicht aus sogenanntem Permalloy. Das ist eine Legierung aus Nickel (81%) und Eisen (19%). Es lässt sich feststellen, dass der elektrische Widerstand der Schicht abhängig vom äußeren Magnetfeld ist. Weiterhin kann man beobachten, dass nur Magnetfeldkomponenten in der Schichtebene einen merklichen Einfluss auf den Widerstand haben. Der elektrische Widerstand ist am größten, wenn das äußere Magnetfeld in der Stromrichtung oder gegen die Stromrichtung gerichtet ist. Am kleinsten ist der Widerstand, wenn das äußere Magnetfeld senkrecht zur Stromrichtung in der Schichtebene gerichtet ist. Die Stärke des äußeren Magnetfeldes spielt hierbei allerdings auch eine Rolle. Sie muss für das Experiment groß genug sein, um die Magnetisierung der Schicht in die Richtung des äußeren Feldes zu zwingen. Dies sollte ab eine Feldstärke ca. 10 kA/m (für Permalloy) der Fall sein.

Geometrische Beschreibung des Effekts

Hier nützt man aus, dass der elektrische Widerstand für elektrische Ströme parallel und senkrecht zur Magnetisierungsrichtung unterschiedlich groß ist.

Es ist hauptsächlich ein geometrischer Effekt. Der Leiter muss sehr kurz und sehr breit sein, damit keine Hallspannung entstehen kann, welche die auf die Ladungsträger (meist Elektronen) wirkende Lorentzkraft kompensiert. Die Elektronen fließen um einen Winkel $Θ$ gekippt zur Horizontalen. Der Pfad wird somit länger und es entsteht ein höherer Widerstand, der über einfache Elektronik ausgelesen wird. Er berechnet sich dann zu:

$R_B=R_0(1+\tan^2 \Theta)=R_0[1+(\mu_n^*B_z)^2]$

Dabei ist $\mu_n^*$ die Elektronenbeweglichkeit im Magnetfeld und $B z$ das Magnetfeld in z-Richtung. Stromfluss in x-Richtung, d.h. der Leiter ist in x-Richtung lang und in y-Richtung breit.

AMR wird vor allem bei Leseköpfen (seit 1990) in Computerfestplatten angewendet, aber auch bei MRAM–Chips (Magneto-resistive Random Access Memory) für die Raumfahrt.

In günstigen Fällen liegt die Effektgröße ∆R / R zwischen 3 – 4 % und ist daher zu klein für die Massenproduktion kostengünstiger MRAM –Speicher.

Theoretische Beschreibung des Effekts

Betrachtet wird eine Probe eines ferromagnetischen Materialquaders für den gilt: Länge >> Breite >> Dicke. Der betrachtete Stromdichtevektor und der Magnetfeldvektor liegen in der Ebene, die durch Länge und Breite aufgespannt werden.

Ein von außen auf das Material wirkendes Magnetfeld dreht die interne Magnetisierung der Weiß'schen Bezirke des Materials so, dass diese sich mit steigender Magnetfeldstärke immer mehr an dem äußeren Feld orientieren. Ist die Feldstärke des äußeren Felds stark genug so ist die Orientierung der internen Magnetisierung und des äußeren Feldes gleich.

Nun kommt es darauf an, wie der Stromdichtevektor des durch das Material fließenden Stroms und der Magnetfeldvektor der internen Magnetisierung zueinander stehen. Stehen sie senkrecht aufeinander, so ist der Widerstand des Materials minimal, sind sie parallel zueinander so ist der Widerstand maximal.

Der sich ergebene Widerstand lautet : $R = R_\parallel - \Delta R_\mathrm{max} \cdot \sin^2(\Theta_{JM})$ , wobei $\Delta R_\mathrm{max} = R_\parallel - R_\perp$

$R_\parallel$ ist der Widerstand falls beide Vektoren parallel sind, $R_\perp$ ist der Widerstand falls beide Vektoren senkrecht zueinander sind.

Wie man aus der Gleichung erkennt, kann man anhand des Widerstands zwar den Betrag des Winkels bestimmen, aber nicht dessen Vorzeichen. Mögliche Werte liegen im Bereich zwischen $\Theta_{JM} =-90^\circ$ und $\Theta_{JM} =+90^\circ$ .

Um dieses Problem zu beheben ist die sog. Barberpole-Anordnung entwickelt worden. Mit ihrer Hilfe kann man im Intervall zwischen -45° und +45° den Winkel genau bestimmen. Ein weiterer Vorteil der Barberpole-Anordnung ist, dass sie für kleine Winkeländerungen um die 0° nahezu lineares Verhalten aufweist.

Kommerzielle Verwendung

Magnetoresistive Sensoren unter Nutzung des anisotropen magnetoresistiven Effekts (AMR-Effekts) finden sowohl im Automobilindustrie ^[1] als auch im industriellen Bereich.

Siehe auch

Feldplatte
GMR-Effekt

Quellen

↑ Magnetische Sensoren auf Basis des AMR-Effektes

Kategorien: Festkörperphysik | Magnetismus

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