Magnetowiderstand?

[Gnafoo]

Hiho

Ich muss für Physik ein Referat zum Thema "Festplatten" halten. Dabei bin ich bei den
Leseköpfen auf die MR- und GMR-Köpfe gestoßen, die den "magnetoresistance" und
"giant magnetoresistance"-Effekt nutzen.
Wahrscheinlich werde sowieso ich nur auf den MR-Kopf eingehen, also nur auf den
"normalen" Magnetowiderstand.

Daraufhin habe ich ein wenig mit Google gesucht, aber nichts gefunden, was mir wirklich
weitergeholfen hat, den Effekt zu verstehen bzw. zuzuordnen.
Das einzige was ich wirklich in Erfahrung gebracht habe, ist dass sich durch den Effekt der
Widerstand bestimmter Materialien in einem Magnetfeld mit der Magnetfeldstärke ändert.

Ich habe mir gedacht, vielleicht weiß hier ja jemand besser Bescheid, oder kennt gute Links.
Wie funktioniert der "normale" Magnetowiderstand?
Und hat dieser etwas mit dem Hall-Effekt zu tun?

Vielen Dank im Vorraus

[mrdigital]

Das sagt Seagate dazu:
http://www.seagate.com/support/kb/disc/mr_heads_tp.html

[Gnafoo]

Da steht zwar jede Menge zum Aufbau des Lesekopes etc, aber
zum MR-Effekt sagen die doch auch nur:

The MR element is made from a ferromagnetic alloy whose resistance changes as a function of an applied magnetic field. This phenomenon was discovered by Lord Kelvin in 1857 and today is called the anisotropic magnetoresistance (AMR) effect.

Zumindest, wenn ich das richtig überblicke .. :D

Naja wahrscheinlich wird es nachher so etwas kompliziertes sein,
dass ich im Endeffekt auch nicht mehr sagen kann, aber interessieren
würde es mich auf jeden Fall.

Naja dann such ich mal weiter.

Edit:
Ein paar neue Suchbegriffe haben folgendes ausgespuckt:
http://encyclopedia.thefreedictionary.com/Magnetoresistance

Discovered by Lord Kelvin this effect is only found in ferromagnetic materials and is resultant from changes to the orientations of the electron orbitals.

ist scheinbar doch nicht ganz unkompliziert.

[mrdigital]

Man kann einen sog. magnetischen Kreis konstruieren und kann in diesem analog zum elektrischen Strom rechnen. Es gibt eine Stromsträrke (die heisst im mag. Kreis Flussdichte) und es gibt dann auch Widerstände. Mit dem Hall-Effekt hat das aber nichts zu tun, denn dieser beschreibt, wie sich der Fluss von Elektronen in einem Leiter unter magnetfeldeinfluss verändert.

[Gnafoo]

Man kann einen sog. magnetischen Kreis konstruieren und kann in diesem analog zum elektrischen Strom rechnen. Es gibt eine Stromsträrke (die heisst im mag. Kreis Flussdichte) und es gibt dann auch Widerstände. Mit dem Hall-Effekt hat das aber nichts zu tun, denn dieser beschreibt, wie sich der Fluss von Elektronen in einem Leiter unter magnetfeldeinfluss verändert.

Redest du von Wirbelfeldern ? Die Flussdichte kenne ich.
Und ok dass es nichts mit dem Hall-Effekt zu tun hat, glaube ich inzwischen auch. Ich hatte bloß anfangs die Vermutung, weil es auf einigen Seiten beim Suchen oft zusammen vorkam und weil die Hall-Spannung auch genutzt werden kann, um die Flussdichte eines Magnetfeldes zu bestimmen.

Also für mich sieht das im Moment folgendermaßen aus:
Man hat einen Leiter aus einem bestimmten Material, der idealerweise senkrecht von einem Magnetfeld durchsetzt ist. Wenn sich nun die magnetische Flussdichte, also die Magnetfeldstärke ändert, ändert sich damit auch der elektrische Widerstand entlang des Leiters. Die Frage ist bloß, warum ist das so?

[Sliver21]

Funktioniert das vielleicht folgendermaßen?:

Bewegt sich ein elektrischer Leiter senkrecht zum Magnetfeld, so kommt es im el. Leiter zu einer Änderung des magnetischen Flußes. Dadurch wird eine Spannung induziert (Induktionsspannung). Das heißt, im Endeffekt bewegen sich Ladungsträger im el. Leiter. Ich stelle mir das nun so vor, dass die Bewegungsenergie der Ladungsträger nicht aus dem Nichts kommt, sondern es ist ein Teil der Energie, die aufgebracht wird, um den el. Leiter im Magnetfeld zu bewegen. Somit wandelt sich ein Teil der Bewegungsenergie des Leiters in die Bewegungsenergie der Ladungen um, was dazu führt, dass der el. Leiter 'gebremst' wird.

Ich hoffe, hier steht nicht nur Blödsinn drin. :)

[Gnafoo]

Ich glaube ich habs rausgekriegt.. zumindest für den GMR-Kopf.
Falls es jemanden interessieren sollte:

Das Ganze ist soweit ich jetzt weiß ein Quantenmechanischer Effekt. Die Elektronen, die durch den Leiter laufen, haben gemischt einen unterschiedlichen Spin. D.h. sie drehen sich in unterschiedliche Richtungen.
(Anscheinend gibt es nur Spin Up und Spin Down .. aber ich habe ja keine Ahnung von Quantenmechanik :D)
Das interessante dabei ist, dass sich diese Elektronen ähnlich wie kleine Magnete verhalten, deren Ausrichtung vom Spin abhängt.

http://policy.iop.org/v_production/images5/gmr_effect.gif
links zwei unterschiedlich gerichtete ferromagnetische Schichten, recht beide gleich ausgerichtet (Pfeile stellen Elektronen mit unterschiedlichen Spin dar)

Jetzt fließen diese durch einen Aufbau von drei Schichten. Zwei ferromagnetische Schichten, die einen nicht magnetischen Leiter umschließen. Die erste ferromagnetische Schicht besitzt ein magnetisches Feld in eine Richtung.

Das interessante ist, dass nur die Elektronen ungehindert durch diese Schicht fließen, wenn ihr Spin in Richtung des Magnetfeldes verläuft. D.h. von den Elektronen die durch den Leiter fließen, wird etwa die Hälfte "ausgefiltert".
Diese Elektronen laufen durch die Leiterschicht in der Mitte und in die zweite Ferromagnetische Schicht. Die Ausrichtung dieser Schicht wird im Gegensatz zur Anderen durch das Magnetfeld auf der Platte beeinflusst. (höhere Permeabilität ? kA)

Wenn die Ausrichtung genau wie die der ersten Schicht verläuft, durchfließen die Elektronen den Leiter. Ansonsten werden die Elektronen ebenfalls "geblockt", wodurch der Widerstand gegen Unendlich steigt, weil die Elektronen mit positiven, sowie negativen Spin gefiltert werden.

Damit kann man die Ausrichtung des umgebenden Magnetfeldes messen.
Der MR-Effekt ist ja letztendlich einfacher. Ich nehme an, da wird dann einfach nur eine ferromagnetische Schicht genutzt oder ähnlich.

So .. wer will darf mich gerne korrigieren :D
Aber darauf werde ich in dem Referat sowieso nicht mehr großartig eingehen können, von daher ist es nicht so wichtig.

[klutob]

Das Ganze ist soweit ich jetzt weiß ein Quantenmechanischer Effekt. Die Elektronen, die durch den Leiter laufen, haben gemischt einen unterschiedlichen Spin. D.h. sie drehen sich in unterschiedliche Richtungen.
(Anscheinend gibt es nur Spin Up und Spin Down .. aber ich habe ja keine Ahnung von Quantenmechanik )
Das interessante dabei ist, dass sich diese Elektronen ähnlich wie kleine Magnete verhalten, deren Ausrichtung vom Spin abhängt.

Völlig richtig, es gibt nur die ganzzahlige Unterscheidung im Elektronenspin [s=+/- 1/2].
Im metallischen Leiter gleichen sich die unterschiedlichen Populationen der Spins ohne Magnetisierung aus. Die Gleichgewichtseinstellung (siehe: Relaxationszeit) ist dabei immer die "dominante Richtung" in der "freien" Ausrichtung der Spins.
Sobald eine Magnetisierung (ein extrem kleiner Teil aller Elektronen besitzt einen übereinstimmenden Vektor zur ferromagn. Schicht) einwirkt, tritt der Paramagnetismus zu Tage. Die in ihrem magnetisch übereinstimmenden Vektor zur 1. ferromagnetischen Schicht "überzähligen" Elektronen "fließen" zum "Pol", d.h. in den zweiten "Sektor".
Dort entscheidet die "Richtung" der Magnetisierung der 2. Schicht über ein weiteres "fließen" (bei den gleichen Bedingungen wie in der ersten Schicht) der Elektronen zum Lesekopf; ergo die Auslösung des Signals.
Das Problem ist, welches elegant gelöst wird, daß die Elekronen normalerweise einem viel stärkeren Magnetfeld ausgesetzt werden müssen, um ein signifikantes "Ungleichgewicht" in der Population der Spins aufzuzeigen!
Durch die doppelte "Selektierung" in der 1. und 2. ferromagnetischen Schicht wird die Populationdichte der Spins (Wkt. eines Spins) so weit beeinflußt, daß selbst bei den geringen magnetischen Feldstärken auf den Plattern, ein eindeutiges Signal über den Lesekopf indiziert werden kann.

So .. wer will darf mich gerne korrigieren

Dem schließe ich mich natürlich an.

[Gnafoo]

Bleibt mir nur noch eine Frage..
was ist jetzt der genaue Unterschied zwischen MR und GMR ?

[klutob]

Bleibt mir nur noch eine Frage..
was ist jetzt der genaue Unterschied zwischen MR und GMR ?


MR müßte imho die einfache lokale Änderung der Magnetisierung auf einem, "einteiligen" ferromagn. Medium darstellen (Tonband usw).

GMR wurde ja von dir vorgestellt. Insbesondere die lokale Trennung beider "Spinpopulationen" empfinde ich in der technischen Realisierung als extrem anspruchvoll (Vgl. Schwierigkeiten der Abschirmung von Magnetfeldern).

[Vedek Bareil]

Das interessante ist, dass nur die Elektronen ungehindert durch diese Schicht fließen, wenn ihr Spin in Richtung des Magnetfeldes verläuft. D.h. von den Elektronen die durch den Leiter fließen, wird etwa die Hälfte "ausgefiltert".
Diese Elektronen laufen durch die Leiterschicht in der Mitte und in die zweite Ferromagnetische Schicht. Die Ausrichtung dieser Schicht wird im Gegensatz zur Anderen durch das Magnetfeld auf der Platte beeinflusst. (höhere Permeabilität ? kA) eine Möglichkeit, die unterschiedliche Beeinflussung der Magnetisierungen (nicht Magnetfelder ;)) der beiden ferromagnetischen Schichten durch das externe Feld zu realisieren, beruht auf dem sog. Exchange-Bias-Effekt.
Dieser tritt auf, wenn eine ferromagnetische Schicht einer antiferromagnetischen Schicht benachbart ist, und bewirkt eine Verschiebung der Hystereseschleife.

Eine mögliche Erklärung des Exchange Bias (die auch von mir in meiner Diplomarbeit untersucht wurde :smile:) besteht darin, daß wenn man das System unter die Néel-Temperatur des Antiferromagneten (im folgenden kurz AFM genannt) abkühlt, während ein externes Feld anliegt oder der Ferromagnet (FM) magnetisiert ist, sich im Antiferromagneten ein Domänenzustand ausbildet, der gewissermaßen die Erinnerung an das Feld bzw. die Magnetisierung während des Kühlvorganges konserviert.

Das hat zur Folge, daß der AFM auch ohne externes Feld und selbst ohne Magnetisierung des FM eine nichtverschwindende Magnetisierung aufweisen würde, die in Richtung des Einkühlfeldes bzw. der Einkühlmagnetisierung des FM zeigt. Da die Magnetisierung des AFM ein effektives Magnetfeld im FM erzeugt, führt das zur Verschiebung der Hystereschleife des FM.

Sei nun die Hystereschleife von einer der beiden FM-Schichten in positive x-Richtung verschoben, und seien beide Schichten in negative x-Richtung magnetisiert.
Legt man nun ein externes Feld in positive x-Richtung an und erhöht langsam dessen Feldstärke, dann tritt bei der Schicht mit der unverschobenen Schleife die Ummagnetisierung in positive x-Richtung bei einer kleineren Feldstärke ein als bei der Schicht mit verschobener Schleife.

Daher kann man mit dem externen Feld auf einfache Weise zwischen paralleler und antiparalleler Magnetisierung der beiden ferromagnetischen Schichten umschalten.

[Vedek Bareil]

MR müßte imho die einfache lokale Änderung der Magnetisierung auf einem, "einteiligen" ferromagn. Medium darstellen (Tonband usw).das alleine hätte ja aber noch nichts mit einem elektrischen Widerstand zu tun. Mit resistance ist ja hier wahrscheinlich ein Widerstand gemeint, der von einem elektrischen Strom gespürt wird (und nicht etwa von einem magnetischen Fluß o.ä.).
Ich würde auch darauf tippen, daß wie Der Tod schon vermutete beim MR ein Strom beim Fluß durch ein magnetisiertes einteiliges FM-Medium geschwächt wird, weil ein Teil der den Strom tragenden Elektronen einen der Magnetisierung entgegengesetzten Spin hat.

Das Giant in GMR (zu deutsch: Riesen-Magnetowiderstand) rührt dann daher, daß ein durch zwei entgegengesetzt magnetisierte Schichten fließender Strom viel stärker geschwächt wird (also einen viel riesigeren Widerstand spürt).

[Thowe]

Meines Wissens nutzt MR auch 2 Schichten, letztendlich ging es IBM damals darum, als sie die Technologie entwickelten. GMR hat AFIR nur den Unterschied, das die Strukturdichte der Oberfläche der Platter noch dichter sein kann.

[Gnafoo]

Danke schonmal für die Antworten :D
Ihr könnt gerne weiterphilosophieren, was MR jetzt genau ist, der Unterschied zu GMR dass steht derweil noch auf der TODO-List :)

Aber das Forum ist auf jeden Fall super .. wüsste nicht, wo ich sonst jemand finden sollte, der da etwas Ahnung hat.