巨磁阻抗效应
巨磁阻效应实验
巨磁阻效应实验人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。
后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁(或亚铁磁)有序状态，相关理论指出这些状态源于铁磁性原子磁矩之间的直接交换作用和间接交换作用。
量子力学出现后，德国科学家海森伯(W. Heisenberg)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用，这个交换作用是短程的，称为直接交换作用。
化合物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。
直接交换作用的特征长度为0.1—0.3nm，间接交换作用可以长达1nm以上。
1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度，所以1970年之后，科学家就探索人工微结构中的磁性交换作用。
物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为“磁阻效应”，磁性金属和合金材料一般都有这种磁电阻现象，通常情况下，物质的电阻率在磁场中仅产生轻微的减小；在某种条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值约高10余倍，称为“巨磁阻效应”（GMR）；而在很强的磁场中某些绝缘体会突然变为导体，称为“超巨磁阻效应”（CMR）。
巨磁阻效应是一种量子力学和凝聚态物理学现象，磁阻效应的一种，可以在磁性材料和非磁性材料相间的薄膜层（几个纳米厚）结构中观察到。
这种结构物质的电阻值与铁磁性材料薄膜层的磁化方向有关，两层磁性材料磁化方向相反情况下的电阻值，明显大于磁化方向相同时的电阻值，电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量。
1986年德国尤利希科研中心的物理学家彼得·格伦贝格尔(Peter Grunberg)采用分子束外延(MBE)方法制备了铁-铬-铁三层单晶结构薄膜。
在薄膜的两层纳米级铁层之间夹有厚度为0.8nm的铬层，实验中逐步减小薄膜上的外磁场，直到取消外磁场，发现膜两边的两个铁磁层磁矩从彼此平行(较强磁场下)转变为反平行(弱磁场下)。
换言之，对于非铁磁层铬的某个特定厚度，没有外磁场时，两边铁磁层磁矩是反平行的。
巨磁电阻效应
目前，采用SPIN-VALVE材料研制的新一代硬盘读出磁头，已经把存储密 度提高到560亿位/平方英寸，该类型磁头已占领磁头市场的90%～95%。 随着低电阻高信号的TMR的获得，存储密度达到了1000亿位/平方英寸。
2007年9月13日，全球最大的硬盘厂 商希捷科技（Seagate Technology） 在北京宣布，其旗下被全球最多数字 视频录像机（DVR）及家庭媒体中心 采用的第四代DB35系列硬盘，现已达 到1TB（1000GB）容量，足以收录多 达200小时的高清电视内容。正是依靠 巨磁阻材料，才使得存储密度在最近 几年内每年的增长速度达到3～4倍。 由于磁头是由多层不同材料薄膜构成 的结构，因而只要在巨磁阻效应依然 起作用的尺度范围内，未来将能够进 一步缩小硬盘体积，提高硬盘容量。
光信息91 09095005 陈松
法国科学家阿尔贝· 费尔 和德国科学家彼得· 格林 贝格尔因分别独立发现巨 磁阻效应而共同获得 2007年诺贝尔物理学奖。 这项技术用于读取硬盘数 据，得益于这项技术，硬 盘在近年来迅速变得越来 越小。
巨磁阻效应，是指磁性材料的电 阻率在有外磁场作用时较之无外 磁场作用时存在巨大变化的现象。 巨磁阻是一种量子力学效应，它 产生于层状的磁性薄膜结构。这 种结构是由铁磁材料和非铁磁材 料薄层交替叠合而成。当铁磁层 的磁矩相互平行时，载流子与自 旋有关的散射最小，材料有最小 的电阻。当铁磁层的磁矩为反平 行时，与自旋有关的散射最强， 材料的电阻最大。巨磁阻效应被 成功地运用在硬盘生产上，具有 重要的商业应用价值。
巨磁电阻效应ppt课件
巨磁电阻效应的制造工艺问题及解决方案
制造工艺问题
巨磁电阻效应的制造工艺涉及到多个复杂 的步骤，包括薄膜制备、光刻、干法刻蚀 等。这些步骤中的任何错误都可能导致巨 磁电阻器件的性能下降或失效。
VS
解决方案
为了解决制造工艺问题，可以采取一系列 措施，例如通过引入自动化生产线和严格 的质量控制体系来提高生产效率和质量。 此外，可以通过研发新的制造工艺来降低 成本和提高巨磁电阻器件的性能。
巨磁电阻效应的能效问题及解决方案
能效问题
巨磁电阻效应的能效问题也是影响其应用 的重要因素之一。在许多情况下，使用巨 磁电阻器件可能会导致较高的功耗和较低 的能效。
解决方案
为了提高巨磁电阻效应的能效，可以采取 多种措施，例如通过优化巨磁电阻器件的 结构和材料来降低功耗和提高能效。此外 ，可以通过采用新的电路设计和控制策略 来进一步降低功耗和提高能效。
05
巨磁电阻效应的未来展 望
提高巨磁电阻效应的性能
发展新的制备技术
改进制备工艺，提高巨磁电阻 材料的纯度和结晶度，从而提
高其性能。
探索新的物理机制
深入研究巨磁电阻效应的物理机 制，为开发新型材料和优化性能 提供理论支持。
优化结构设计
通过调整巨磁电阻材料的结构，如 纳米结构、多层膜结构等，实现性 能的优化。
03
电子的波粒二象性
在磁场中运动的电子具有 粒子性和波动性两种特性 。
电子散射
在晶体中，电子会受到原 子或离子的散射。
磁矩和自旋
电子在磁场中运动时会受 到磁矩的影响，导致电子 自旋的取向发生变化。
巨磁电阻效应的数学描述
洛伦兹力公式
描述电子在磁场中受到的力。
霍尔效应
巨磁阻抗效应的测试系统_四探针法
巨磁阻抗效应的测试系统_四探针法[1]样品的阻抗测试采用安捷伦公司生产的具有高测量精度的Agilent 4294A 阻抗分析仪，如图3－2 所示。
此阻抗分析仪具有下列测量功能：●频率扫描能力可以拟定在何处及如何获取测试数据●内置等效电路分析能对被测的多元件电路模型进行计算。
●彩色液晶显示屏可以同时显示多组测量曲线。
●先进的校准和补偿方法降低了测量误差。
●在40Hz～110MHz 宽频率范围内的高精度4 端对阻抗测量。
利用基本精度为0.08%的扫描测量可以精确估算元件特性的极小变化。
●可以对电容器、电感器、谐振器、半导体之类的元件以及对印刷电路板和环形铁芯之类的材料进行测量。
●用42941A 阻抗探头进行在线或接地测量。
●内置LAN 接口。
●测量参数：可以测量阻抗、电阻、相位、电感、电容等电学参数。
图3－2 HP4194A 阻抗分析仪及16047E夹具阻抗测量采用四探针法，直流磁场由直径为30cm 的赫姆霍兹线圈提供，最大磁场为70Oe。
磁场方向平行于样品中的电流方向，所有数据全在室温测量，测量原理如图3－3 所示。
图3－3 四探针法测量阻抗原理示意图四探针测量系统中，外两枚探针与恒流源、可调电阻和电流计串联，内两枚探针与电压计串联。
待测样品放于绝缘板上，并置于外磁场中。
当恒流源给电路提供一恒定交流电流I 时，由于外磁场处于变化之中，而待测样品如存在巨磁阻抗效应，必然电压计读出的数据会随外场呈一特定的变化规律，这就正好反映出阻抗的变化规律，实际上就是我们所要观察的GMI 效应。
在这过程中，由于恒流源I 不变，因此可以认为样品中的传导电流没变，只是由于阻抗的变化导致了电压计读数的变化，因此我们可以用下式来描述四探针测量系统的原理：Z(H) =VI（3－1）式中，Z(H)为阻抗，其值为外加磁场的函数，V 为端子电压，I 为恒流源。
利用（3－1）式，我们很容易得出GMI 效应的阻抗变化率：GMI =()()()V VZ H Z HZ V VI IVZ Z H VI∆---===212121111（3－2）式中：Z(H1)为加外磁场H1时的阻抗值Z(H2)为加外磁场H2 时的阻抗值V1 为加外磁场H1 时的电压计的读数V2 为加外磁场H2 时的电压计的读数在本文研究中，为方便讨论，定义阻抗变化率的值如式（3－3）：GMI(H) =[]Z(H)Z(H O e)ZG M I(H)(H)Z Z(H O e)∆-===⨯=7010070（3－3）采用这公式计算样品的阻抗变化率作为衡量样品GMI 效应的指标。
巨磁阻抗效应PPT
目录
• 引言 • 巨磁阻抗效应的理论基础 • 巨磁阻抗效应的实验研究 • 巨磁阻抗效应的应用前景 • 总结与展望
01
引言
巨磁阻抗效应定义
磁场作用下的电阻变化
巨磁阻抗效应是指在磁场作用下，材料的电阻发生显著变化 的现象。
依赖于磁场强度和方向
巨磁阻抗效应的大小和方向与磁场的强度和方向密切相关， 这使得该效应具有很高的磁场灵敏度。
其他领域
巨磁阻抗效应还可应用于磁性随机存取存储器(MRAM)、 磁性逻辑电路等新兴领域，推动自旋电子学的发展。
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结果分析
根据实验结果，可以分析得到巨磁阻抗效应的一些特性，如阻抗随磁场强度的变化规律、阻抗随频率的变化规律 等。这些特性可以为巨磁阻抗效应的应用提供理论依据和技术支持。同时，实验结果还可以与理论模型进行比对 ，验证理论的正确性，并推动理论的进一步完善。
04
巨磁阻抗效应的应用前景
巨磁阻抗效应在电子工程领域的应用
应的产生机理和影响因素，有助于进一步探索其在电子器件和磁传感器等领域的应用前景。
03
巨磁阻抗效应的实验研究
实验设计与装置
实验设计
本实验旨在研究巨磁阻抗效应的特性，采用控制变量的方法，通过改变磁场强度、频率等参数，观察 阻抗的变化规律。
实验装置
实验采用电磁铁产生磁场，样品置于磁场中。通过信号发生器产生交变电流，经过放大器放大后，输 入到样品中。样品的阻抗变化通过阻抗分析仪进行测量，最终由计算机进行数据采集与处理。
影响因素
巨磁阻抗效应受到材料组成、微观 结构、磁场强度和频率等多种因素 的影响，深入理解这些因素对效应 的影响机制是关键。
未来研究方向与挑战
材料设计
GMI效应定义
1介2究历史GMI效应 巨磁阻抗效应指的磁性材料的交流阻抗随外磁场的变化而显著变化的现象。
按照巨磁阻抗效应的定义，巨磁阻抗效应应该用磁性材料的阻抗Z随外磁场Hex的变化曲线Z-Hex来表征。
但是由于不同的磁性材料的电阻率相差很大，即使是同种磁性材料制备的样品的厚度和测量长度也无法严格控制，所以通过样品的Z-Hex曲线无法比较不同样品的巨磁阻抗效应的强弱。
因此在研究中采用阻抗的相对变化值随外加磁场的变化曲线ΔZ/Z-Hex来表征巨磁阻抗效应。
目前，对巨磁阻抗效应的定标有两种：一种是采用外加磁场为零时的阻抗(Hex = 0)作为参考点，但是因为材料的剩磁状态影响阻抗Z(0)的值，所以这个定义可能不合适；另一种以最大磁场Hmax的阻抗值作为参考点，Hmax的值由实验设备确定，因此Hmax也可能受实验设备的限制。
第二种定义： 上式中，Hmax通常是达到饱和阻抗时的外磁场或实验设备所能提供的最大磁场。
早在六十年前，Harrison等人就已经发现在外加轴向磁场的作用下，铁磁性细丝的感抗会发生变化，当时把这种物理现象称为磁感应效应。
1992年，日本名古屋大学K. Mohri等人发现CoFeSiB非晶丝的两端的感应电压随着外加直流磁场的增加而急剧下降，当时他们测量到的电压是非晶丝感抗部分对应的分量，因此实际上这种现象是磁电感效应。
往后的研究表明，铁磁非晶合金的交流电阻也会随外加直流磁场发生明显的变化，为与通常所说的磁阻(MR)效应区分，该效应被称为交流磁阻效应。
1994年巴西的Machado等人在Co70.4Fe4.6Si15B1非晶铁磁薄带中观察到了这种交流磁阻效应。
K. Mohri等人在综合考虑了磁电感效应和交流磁阻效应后，认为两者是同一物理效应的不同方3应用0102面，并把磁性材料通以交变电流时，在外磁场作用下交流阻抗会发生显著变化的现象正式命名为巨磁阻抗(GMI)效应。
电流测量 电流测量在生产科研领域是一个重要问题，现在有很多的新技术和新材料都应用到电流测量的装置上。
巨磁阻抗效应的测试电路制作
巨磁阻抗效应的测试电路制作随着科技的发展，磁场传感器在各个领域取得了突破性的发展。
在当今信息社会中，磁场传感器在信息技术和产业中成为不可或缺的一部分。
如霍尔传感器，磁通门传感器等。
而巨磁阻抗效应（Giant Magneto Impedance effect,GMI effect)的发现，使更加微型，灵敏度高，响应速度快，成本低，适用范围广的磁场传感器成为可能，开发出更多的新型传感器。
本文分析了非晶材料的巨磁阻抗效应的原理，介绍了影响非晶材料的巨磁阻抗效应的因素，通过Co基非晶带，设计和制作巨磁阻抗效应的测试电路，其中包括信号发生电路，前置放大电路，整流电路和稳压电路。
通过对电路的分析和调试，制作出电路。
分析电路的稳定度特性，频率响应特性，灵敏度特性。
测量材料的GMI效应，非晶带在外磁场变化的磁阻抗变化率MIR%能达到100%，磁场测量范围为0~160Oe。
测试结果表明电路灵敏度高，性能稳定，而且其结构简单，成本低，具有广泛应用前景。
关键词：巨磁阻抗效应，电路制作，非晶材料，磁场传感器第一章引言随着社会的高速发展和科技的迅速进步，在计算机、通信及办公自动化设备渐渐成为人们生活中不可或缺的一部分的时候，对其中的磁场传感器要求更进一步，老旧，性能低，大型的磁场传感器已经不能满足日益增加的需要，而如今的趋势需要体积小，灵敏度高，低功耗，响应速度快的磁场传感器。
表一各种传感器的参数1988年法国巴黎大学的Fert研究小组Baibich发现，在Fe/Cr相间的三层复合膜电阻中，微弱的磁场的变化会导致电阻大小的急剧变化，称之为巨磁阻抗效应（Giant Magneto Impedance effect,GMI effect)。
虽然提高了霍尔元件和磁阻元件的灵敏度，而且在数据领域中加以应用，但GMR效应也存在很多的问题，实际应用中对材料的限制很大，而且灵敏度不够高，极大的限制了GMR的实用价值。
自1992年，日本名古屋大学的K.MOHRI教授等在Co基软磁非晶丝的实验处理后，发现在几O e磁场中材料的阻抗变化能达到50%以上。
【2017年整理】巨磁阻效应的原理及应用
【2017年整理】巨磁阻效应的原理及应用
巨磁阻效应，也称为巨磁电阻效应，是一种在磁场中通过材料产生电阻变化的现象。
这种现象在诺贝尔物理学奖中也得到了高度的重视。
这个现象被广泛地应用于传感器和磁存储器等领域。
巨磁阻效应的原理是通过运用材料磁电阻效应来实现的，其中涉及到了磁导率及磁相的变化。
在巨磁阻效应的材料中，主要是利用了铁磁体与非磁体之间的交替排列。
铁磁体面对磁场的导磁率要高于非磁体，在磁场中，磁力线会挤压铁磁体并且让自由电子的活动空间更小，电子的运动受到磁力线的影响也就越来越弱，因此阻力增大，使电阻率发生了变化。
巨磁阻效应被应用到传感器中的原理是将磁场信号转换成电阻变化信号。
传感器将磁场转换成电阻，从而通过实时测量电阻变化来确定磁场强度。
巨磁阻效应也被广泛应用于磁存储器的读写头中。
在磁存储器中，通过记录小磁场的相对方向来记录数字信息，而磁读头的读取则是通过测量磁场来实现的。
磁读头中借助巨磁阻效应来检测记录的数字，探针接收到来自介质表面所反射的信号，将信号转换成电阻变化信号，进而形成数字信息识别和读写的过程。
巨磁阻效应不单单只应用于磁存储器和传感器领域，它还可以被应用到其他领域，例如在生产线上的质量检测和转换设备上的电子分类等领域，逐渐地将其应用范围拓展到了其他领域中。
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非晶态固体的物理性质同晶体有很大差别， 这同它们的原子结构、电子态以及各种微观过程 有密切联系。
非晶合金由于其独特的无序结构，并兼有一 般金属和玻璃的特性，使得它在物理、化学及机 械性能上表现出一系列优异的特性——很高的耐 腐蚀性、抗磨性、较好的强度和韧性、理想的磁 学性能，如Fe基非晶合金是非晶软磁合金中饱和 磁感最高的；Co基非晶合金的饱和磁致伸缩系数 接近于0，因而具有极高的初始磁导率和最大磁 导率，很低的矫顽力和高频损耗。
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电路中无需放大电路，因 而具有高稳定和抗干扰特 性，制成几种汽车用的传 感器，如汽车里程表计数 传感器(a)。电喷发动机测 速传感器(b)；当材料处于 某种磁结构时，可以发现 外磁场与磁阻抗效应呈现 良好的线性关系。利用此 原理，设计了量程从025mm的线性传感器(c)
主要可用于汽车油量的控制；利用巨磁阻抗探头与齿轮凹 凸面距离变化所产生的脉冲信号进行转速测量和控制，可 用为汽车防抱死系统(ABS)的速度传感器(d)。
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2
GMI的发现
1992年，日本名古屋大学的K．Mohri（毛 利佳年雄）等在CoFeSiB软磁非晶丝中发现了 GMI效应，即非晶丝在交变电流激发下，其阻 抗值随沿丝轴方向施加的外磁场的变化而发生 显著变化，阻抗变化率ΔZ／Z0在几奥斯特(Oe) 磁场作用下可达50％，比金属多层膜Fe／Cu或 Co／Ag在低温、高磁场强度下观察到的巨磁电 阻效应(GMR)高一个数量级，自此这一现象引 起了广泛关注。
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ΔZ／Z0一般定义为(ZH-Z0)／Z0，其中Z0、 ZH分别表示无外磁场和外加磁场下软磁材料的 交流阻抗，其比值的大小表示材料对磁场变效应的特点
灵敏度高、响应快、温度稳定、无磁滞等
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在低场范围(<1Oe左右)，阻抗随磁场增加 而增大，其灵敏度约为20％／Oe-100％／Oe， 而在高场>1Oe左右)范围，阻抗随磁场增加而急 剧减小，最后趋于饱和，饱和场约10Oe，磁阻 抗最大变化率为100％以上。
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GMI生物传感器
巨磁阻抗生物传感器的测量原理是：在一定 的高频交流电和低频外加磁场下，巨磁阻抗材料 具有一定的阻抗变化比率，当结合有一定数目生 物分子的(微米或纳米级大小)磁性小球靠近时， 外加磁场的大小受到影响，从而导致原阻抗变化 比率的改变，然后通过阻抗变化比率的改变值来 对生物分子进行定量分析。
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非晶态合金的种类
Fe基非晶 Fe-Ni基非晶 Co基非晶 Fe基纳米晶
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GMI的应用
目前文献中，针对GMI磁传感器的研究主要 有2类：基于非晶丝(薄带)的GMI磁传感器和基 于多层膜的GMI磁传感器。
对GMI传感器的开发主要集中在与磁场相关 的传感器和碰记录头方面，例如无接触型磁编码 器、便携式地磁场传感器、汽车交通检测系统、 被动无线传感器、汽车传感器、磁性导航系统、 肿癌传感器、GMI生物传感器、GMI方向、旋转 角传感器等等。
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(a)晶态 (c)位置无序
(b)成分无序
(d)拓扑无序
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和普通晶态金属与合金相比，非晶态金属与 合金具有较高的强度、良好的磁学性能和抗腐蚀 性能等，通常又称之为金属玻璃或玻璃态合金。 可部分替代硅钢、玻莫合金和铁氧体等软磁材料， 且综合性能高于这些材料。
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非晶态的产生
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非晶态合金是由熔融的液态金属经快速冷却 而形成，晶态合金是由熔融的液态金属以较慢的 速度冷却，形成核并长大而得到。因此，非晶态 材料与晶态材料相比有两个最基本的特点：
1、原子排列不具有周期性 2、宏观上处于非热平衡的亚稳态。
非晶态合金在宏观上处于非热平衡的亚稳态。 亚稳是指在同样外界条件下，非晶态合金比相应 晶态的能量高。温度高于或等于熔点的液态金属， 其内部处于平衡态。从自由能观点来看，当温度 低于熔点时，在没有结晶的情况下过冷，此时体 系的自由能将高于相应的晶态金属，故呈亚稳态。
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当交流电流通过导体时由于趋肤效应，趋肤 深度
式中
为丝的环向磁导率，
为电流角频
率， 为电导率。
外磁场可以影响材料内部的等效场，使材料
的有效磁导率发生变化，从而导致材料的趋肤深
度发生变化，而趋肤深度变化意味着驱动电流流
过样品的有效面积发生了变化，从而引起样品的
有效阻抗发生变化，最后导致巨磁阻抗效应的产
巨磁阻抗效应
Giant magneto-impedance
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1
巨磁阻抗效应，简称GMI(Giant magnetoimpedance)，是指某些材料在通以一定频率的 交变电流时，其交流阻抗随外加轴向磁场迅速变 化的现象，常见的这种材料为Co基非晶丝等。它 来源于磁感应(Magneto-inductive)，最早可追 溯到20世纪30年代，但由于当时材料和应用领域 的限制，GMI的应用前景并不明朗，在当时和以 后的几十年里未引起人们注意。
金属在熔化后，内部原子处于活跃状态。一 但金属开始冷却，原子就会随着温度的下降，而 慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来，形 成晶体。如果冷却过程很快，原子还来不及重新 排列就被凝固住了，由此就产生了非晶态合金。 可见，产生非晶态合金的技术关键之一，就是如 何快速冷却的问题。
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形成非晶态合金的过程是：液态金属一过冷液态 金属一非晶态合金
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6
GMI效应的物理本质还不是非常清楚，但是 较为普遍接受的观点认为GMI效应的出现是在足 够高频率下趋肤效应的结果。
趋肤效应：交变电流通过导体时，由于感应 作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体 表面电流密度越大的现象。趋肤效应使导体的有 效电阻增加。频率越高，趋肤效应越显著。当频 率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导 线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截 面减小，电阻增大。
生。
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8
非晶态合金(金属玻璃）
一种没有原子三维周期性排列的金属或合金 固体。它在超过几个原子间距范围以外，不具有 长程有序的晶体点阵排列。原子在三维空间呈拓 扑无序状排列，不存在长程周期性，但在几个原 子间距的范围内，原子的排列仍然有着一定的规 律，因此可以认为非晶态合金的原子结构为“长 程无序，短程有序”。通常定义非晶态合金的短 程有序区小于1．5nm，即不超过4-5个原子间 距。