Magnetoresistiver Effekt

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Definition

Als magnetoresistive Effekte bezeichnet man alle Effekte, die die Änderung des elektrischen Widerstands eines Materials durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes beschreiben. Dazu gehören insbesondere der anisotrope magnetoresistive Effekt (AMR-Effekt), der "gigantische" magnetoresistive Effekt (GMR-Effekt) sowie der planare Hall-Effekt.

Im weiteren wird zwischen magnetoresistiven Effekten in nicht-magnetischen Materialien (MR-Effekte) und Effekten in magnetischen Materialien (XMR-Effekte: AMR-,GMR-,... Effekte) unterschieden.

Erklärung

Das magnetische Verhalten von Festkörpern wird durch die Art und Stärke der Elementarmagnete und ihrer Wechselwirkung untereinander, d.h. durch kooperative Effekte sowie das damit verbundene Verhalten der bewegten Ladungen im Festkörper geprägt.

Zur Beschreibung der Stärke des jeweiligen magnetoresistiven Effektes, bedient man sich des Quotienten aus Widerstandsänderung und Widerstand ohne äußerem Feld:

R(H): Widerstand in Abhängigkeit vom Magnetfeld, R(0): Widerstand ohne äußeres Feld, ΔR / R: Kenntwert des magnetoresistiven Effekts

Magnetowiderstandseffekte ändern den Widerstand von magnetischen bzw. nichtmagnetischen Materialien und können sowohl positiv als auch negativ sein, je nachdem ob der Widerstand im Magnetfeld zu oder abnimmt.

Magnetoresistive Effekte in nicht-magnetischen Materialien

Der planare Hall-Effekt beruht auf der Lorentzkraft, die auf bewegte Ladungen im Magnetfeld wirkt (Nutzung bspw. Feldplatte). Dieser magnetoresistive Effekt tritt bei allen leitfähigen Materialien auf und beruht darauf, dass es durch eine Ablenkung der Ladungsträger auf ihrer geradlinigen Bahn durch das äußere Magnetfeld zu einer Widerstandserhöhung kommt, da sich der Weg der Ladungen durch den Festkörper verlängert. Da für den elektrischen Widerstand in einem Material mit dem spezifischen Widerstand ρ dem Querschnitt A und der Länge l gilt:

vergrößert sich der Widerstand linear mit dem zurückgelegten Weg der Ladungen d.h. das äußere Magnetfeld führt durch die Wirkung der Lorentzkraft zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstandes. Dieser Effekt ist aber meist weit kleiner als 1 % bei angelegten Feldern in der Größenordnung 1 Tesla. Nichtmagnetische Materialien zeigen üblicherweise eine Widerstandszunahme (positiver Magnetowiderstand), die quadratisch mit dem angelegten Magnetfeld skaliert.

Magnetoresistive Effekte in ferromagnetischen Materialien

Dünne Lagen (im Nanometerbereich) ferromagnetischer Übergangsmetalle weisen einen AMR-, GMR-,CMR- oder TMR-Effekt von 3 % bis 100 % auf.

siehe hierzu im speziellen die Artikel AMR-Effekt und GMR-Effekt

Sie beruhen mit Ausnahme des TMR-Effektes darauf, dass ein äußeres Magnetfeld die Richtung der Magnetisierung in ferromagnetischen Materialien beeinflusst und der Winkel zwischen Magnetisierung und Stromrichtung Auswirkungen auf den elektrischen Widerstand hat.

Geschichte

Der Einfluss eines von außen angelegten Magnetfeldes auf das elektrische Verhalten eines Festkörpers (z.B. seinen elektrischen Widerstand) variiert sehr stark, je nachdem welcher der oben benannten Effekte wirkt. Obwohl magnetoresistive Effekte (insb. der AMR-Effekt) bereits Mitte des 19. Jahrhunderts bekannt waren (Entdeckung des AMR-Effektes 1857 durch William Thomson (1.Baron Kelvin)), wurde eine technische Nutzung erst gegen Ende der Sechziger Jahren möglich bspw. im Bereich der Sensorik (AMR-Sensor) erst zu Beginn der achtziger Jahre.

Vergleich von MR-Effektgrößen der unterschiedlichen Wirkungsmechanismen.

AMR:

TMR:

GMR:

Siehe auch

• Magnetoelektronik