آشنایی با دستگاه اندازه‌گیری خواص مغناطیسی (VSM)

با توجه به پیشرفت تکنولوژی در زمینه مغناطیس و کاربردهای وسیع آن ها در زمینه صنعت، نیاز به ابزاری است که بتوان با استفاده از آن خواص مغناطیسی را بررسی کرد.

دستگاه های مغناطیس سنج متفاوتی در این راستا وجود دارد که براساس میزان فرکانس جریان های عبوری به چند دسته تقسیم می شوند. دستگاه های مغناطیس سنج به روش های مختلف و در شرایط متفاوت دمایی، میدان مغناطیسی و جهت گیری نمونه، مغناطش یک نمونه از ماده با ابعاد مختلف را اندازه گیری می کنند. اساس کار دستگاه مغناطیس سنج VSM، قانون القای فارادی می باشد که با ارتعاش نمونه و اعمال میدان مغناطیسی به آن، باعث بوجود آمدن یک جریان القایی در سیم پیچ های تعبیه شده در دستگاه می شود که با مغناطش نمونه متناسب است. با انتقال این جریان القایی به کامپیوتر متصل به دستگاه و نمایش حلقه پسماند، مغناطش نمونه اندازه گیری می شود.

• مقدمه
  یکی از مهمترین ویژگی های مواد، خاصیت مغناطیسی آن هاست که از زمان های نسبتا دور مورد توجه بوده و هم اکنون نیز در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی قرار گرفته است. بنابراین برای بررسی خواص مغناطیسی مواد دستگاه هایی برای اندازه گیری خواص مغناطیسی آنها نیاز است که یکی از مهمترین آن ها مغناطیس سنج ها می‌باشند{1}. با استفاده از دستگاه مغناطیس سنج می توان خواص مغناطیس مواد دیامغناطیس، پارامغناطیس، فرومغناطیس، آنتی فرومغناطیس، فری مغناطیس را بررسی کرد. این دستگاه آزمایشگاهی در سال 1956 توسط سایمون فونر (Simon Foner)، استاد دانشگاه MIT اختراع شد و کمپانی EGG PAR (EGG Princeton Applied Research) در دهه شصت آن را تجاری سازی کرد}2}.دستگاه مغناطیس سنج برای مشخص کردن خواص مغناطیسی مواد مانند ممان مغناطیسی و میدان بازدارنده بصورت تابعی از میدان مغناطیسی، دما و زمان بکار می روند. موادی که با استفاده از دستگاه VSM، می توان خواص مغناطیسی آنها را اندازه گیری کرد عبارتند از: فیلم های نازک، پودرها و مایعات {3}.برای درک بیشتر دستگاه مغناطیس سنج ابتدا منشا خاصیت مغناطیسی، فازهای مغناطیسی و حلقه پسماند که به نوعی بیان تصویری مغناطش ماده است، به اختصار بیان می شود. 
• منشا مغناطیس مواد
  منشاء خاصیت مغناطیسی در جامدها، الکترون های متحرک می باشند. گرچه بعضی از هسته های اتمی دارای گشتاور دو قطبی مغناطیسی دایمی هستند ولی اثر آنها چنان ضعیف است که نمی تواند آثار قابل ملاحظه ای داشته باشد؛ مگر تحت شرایط خاص مانند اینکه نمونه در زیر دمای یک درجه کلوین قرار گیرد یا وقتی که تحت میدان الکترومغناطیسی با فرکانسی قرار گیرد که حرکت تقدیمی هسته ها را تشدید نماید. در بدو ظهور نظریات مغناطیس آزمایش های زیادی نشان داد که اندازه حرکت زاویه ای کل یک الکترون و گشتاور مغناطیسی وابسته به آن بزرگتر از مقداری است که به حرکت انتقالی آن نسبت داده می شد. بنابرین یک سهم اضافی که از خصوصیت ذاتی با یک درجه آزادی داخلی ناشی می شد، به الکترون نسبت داده شد و چون این خصوصیت دارای اثر مشابه چرخش الکترون حول محورش بود اسپین نامیده گردید.{4}

 

شکل 1- حرکت الکترون حول هسته

تعیین جهت گیری مغناطیسی نسبی الکترون های واقع در یک یون که در یک شبکه بلوری قرارگرفته به برهم‌کنش بین الکترونها بستگی دارد که در حالت کلی برهمکنش های میان الکترون ها را به سه دسته تقسیم می‌کنند:
1- برهمکنش کولنی
2- برهمکنش اسپین مداری
3- اثر میدان بلوری

3- فازهای مغناطیسی:
مواد در میدان مغناطیسی خارجی رفتار متفاوتی از خود نشان می دهند و با توجه به جهت گیری مغناطش، به چند دسته تقسیم می شوند:
مواد پارا مغناطیس: این مواد از اتم هایی تشکیل شده اند که گشتاور مغناطیسی دائم اتمی دارند اما بصورت مجزا و بدون هیچ برهمکنش متقابلی بر روی یکدیگر عمل می کنند که در نهایت، جهت گیری تصادفی دارند.جهت گیری مغناطش آن مثبت ولی کوچک است و تحت تأثیر یک میدان خارجی، در یک راستای تقریبی قرار می‌گیرند. (شکل 2A)

مواد فرو مغناطیس: موادی هستند که در غیاب میدان مغناطیسی خارجی دارای مغناطش خود به خودی بوده و برخلاف پارامغناطیس، گشتاور های مغناطیسی آن با هم برهمکنش می کنند. این مواد مانند آهن، آهنربایی دائم دارند و یا به آهن ربا جذب می شوند و جهت گیری مغناطش آن کاملا در یک راستا می باشد. (شکل 2B)

مواد آنتی فرو مغناطیس: در مواد آنتی فرومغناطیس، مغناطش حاصل شده، در غیاب میدان خارجی حذف می شود و جهت گیری مغناطش آن به گونه ای است که مغناطش کل صفر می شود. (شکل 2C)

مواد فری مغناطیس: در این مواد، اندازه ی گشتاورهای مغناطیسی در یک جهت بزرگتر از دیگری می باشد و در نتیجه مغناطش خالص ماده صفر نیست و مغناطیس اشباع این مواد کمتر از فرومغناطیس می‌باشد. (شکل 2D)

مواد دیا مغناطیس:  اتم های دیامغناطیس دارای هیچ گشتاور مغناطیسی نمی باشند و با قرارگرفتن در میدان مغناطیسی خارجی دارای گشتاور مغناطیسی القایی در خلاف جهت میدان خارجی می شوند و آن را تضعیف می کنند.

 

شکل 2-  فازهای مغناطیسی(5)

 

3- حلقه پسماند
وقتی به یک ماده مغناطیسی، میدان مغناطیسی اعمال شود، مغناطش محیط سریع افزایش می‌یابد؛ با افزایش مقدار میدان اعمالی، شتاب افزایش مغناطش کاهش می‌یابد؛ این کاهش شتاب ادامه می‌یابد تا مغناطش محیط به مقدار اشباع خود M_S برسد.{ 6}

 

 

شکل 3 – حلقه پسماند برای یک ماده فرومغناطیس

تغییرات مغناطش مواد مغناطیسی در هنگام کاهش میدان، از رفتار قبلی خود تبعیت نمی‌کند؛ بلکه بخاطر ناهمسانگردی مغناطیسی در محیط، مقداری انرژی را در خود ذخیره می‌کنند. بنابر‌این وقتی میدان اعمالی در محیط صفر شود؛ مغناطش در ماده صفر نشده و دارای مقدار خاصی است که به آن مغناطش پسماند M_r گفته می‌شود. با کاهش بیشتر شدت میدان به سمت مقادیر منفی، خاصیت مغناطیسی القا شده به‌تدریج کاهش می‌یابد و با رسیدن شدت میدان به یک مقدار منفی خواص مغناطیسی ماده کاملا از بین می‌رود. این میدان مغناطیس زدا را با H_C نشان می دهند و به نیروی ضدپسماند(coercive force)  و یا وادارندگی مغناطیسی معروف است. با کاهش بیشتر شدت میدان، القای مغناطیسی منفی می شود و در نهایت به مقادیر اشباع منفی خود، می‌تواند برسد. افزایش مجدد شدت میدان به سمت مقادیر مثبت، حلقه پسماند را مطابق شکل(3)کامل می کند. مغناطیس‌های دائمی غالبا در ربع دوم حلقه پسماند خود، مورد استفاده قرار می گیرند. {7}

پسماند یا نیروی وادارنده عبارتست از میدان معکوسی که برای کاهش مغناطش به صفر نیازست.

مواد مغناطیسی از نظر رفتار آن‌ها در میدان مغناطیسی به دو گروه مواد مغناطیسی نرم و سخت تقسیم‌بندی می‌شوند.

3-1- مواد مغناطیسی نرم
مواد مغناطیسی نرم با اعمال میدان مغناطیسی کوچک براحتی مغناطیده می‌شود و با قطع میدان سریعاً گشتاور مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. به عبارتی این مواد دارای نیروی وادارندگی پایینی هستند. این مواد همچنین دارای اشباع مغناطیسی بالا M_S و گشتاور پسماند M_r پایین‌اند.

 

 

شکل 4-حلقه پسماند در مواد فرومغناطیسی نرم و سخت

مواد مغناطیسی نر‌‌م در جاهایی که به تغییر سریع گشتاور مغناطیسی با اعمال میدان مغناطیسی کوچک نیاز است مانند موتورها، هدهای مغناطیسی (magnetic heads)، حسگرها، القاگرها و فیلترهای صوتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

3-2- مواد مغناطیسی سخت
مواد مغناطیسی سخت موادی‌اند که براحتیِ مواد مغناطیسی نرم، مغناطیده نمی‌شوند و به میدان مغناطیسی اعمالی بزرگتری، جهت مغناطیده‌کردن آنها نیاز است. این مواد، گشتاور مغناطیسی را تا مدت‌ها پس از قطع میدان مغناطیسی در خود حفظ می‌کنند. همچنین دارای اشباع مغناطیسی M_s، گشتاور پسماند M_r و نیروی وادارندگی H_c بالایی هستند. ساخت یا پخت این مواد در میدان مغناطیسی، ناهمسانگردی مغناطیسی را در این مواد افزایش می‌دهد؛ که حرکت دیواره‌ حوزه‌ها را سخت‌تر می‌کند و نیروی وادارندگی‌ را افزایش می‌دهد. این امر می‌تواند تولید ماده سخت مغناطیسی بهتری را تضمین کند.کاربرد این مواد در آهنربا‌های دائمی و حافظه‌های مغناطیسی است.

4-  دستگاه مغناطیس‌سنج نمونه ارتعاشی
دستگاه مغناطیس‌سنج نمونه ارتعاشی( VSM=Vibrating Sample Manetometer)، جهت اندازه‌گیری خواص مغناطیسی ماده مغناطیسی به کار می رود. رفتار مغناطیسی مواد مختلف دیامغناطیس، پارامغناطیس، فرومغناطیس و غیره، در شکل‌های مختلف پودر، جامد، فیلم نازک، تک بلور، مایع و غیره، به کمک VSM با رسمِ منحنی پسماند، قابل اندازه‌گیری است{6}

کمیت های قابل اندازه گیری بوسیله VSM عبارتند از:
H_m  : ماکزیمم میدان اعمالی
B_m  : ماکزیمم چگالی شار (القای مغناطیسی) یا B_mi ((القای درونی)
B_r  : خاصیت نگهداری مغناطیس (retentivity)
H_c : وادارندگی یا H_ci  (وادارندگی درونی)
B_r/B_m :  نسبت مربعیت
µ : نفوذ پذیری

5-1 اجزای تشکیل دهنده VSM

بطور کلی مغناطیس سنج VSM از سه بخش تشکیل می شود: الف-آهن ربای الکتریکی ب- قسمت مکانیکی ج-مدارها و اجزای الکتریکی. تصویر کلی مغناطیس سنج در شکل(5) نشان داده شده است.

 

 

شکل 5- طرح واره ای از دستگاه مغناطیس‌سنج نمونه ارتعاشی(6)

5-1-1 آهن ربای الکتریکی
دارای ابعاد خارجی حدود یک متر است و می تواند میدان مغناطیسی در ناحیه ای بین دو قطب به پهنای mm ٥٥ و قطر ایجاد نماید. به منظور خنک نمودن آهن ربا از جریان آب مقطر در لوله های داخل سیستم، استفاده می شود. منبع تغذیه آن جریان DC تا حد ١٤٠ آمپر تولید می نماید و صفحه کنترل کنندة آن در شکل(6) نشان داده شده است.{8}

شکل 6-منبع تغذیه {8}

5-1-2- قسمت مکانیکی
این قسمت برای نگهداری نمونه در محل مناسب، چرخش آن و تولید نوسانات مکانیکی مناسب، طراحی شده است. قسمت مکانیکی، روی آهن ربای الکتریکی قرار می گیرد و از سه بخش تولید کنندة نوسانِ جابجا کننده، نگهدارندة نمونه، و وسیلة ایزوله کنندة نوسانات تشکیل شده است.
از بوبین میانی (بوبین بطور ساده از پیچه ای سیمی تشکیل شده است)، جریان ac با فرکانس ٨٢ هرتز جهت تولید نوسان، می گذرد. قسمت میانی صفحات فنری، تحت تأثیر نیروی میدانِ نوسانی قرار گرفته و به نوسان در می آیند و همراه با خود، میلة نمونه و در نتیجه نمونة مغناطیسی را در امتداد قائم به نوسان در می آورند. بخش نوسان کننده به صفحات متحرک خازن هایی وصل می شود. نیروی عکسل العمل حاصل از نوسانات که به بوبین و آهن ربا وارد می‌شود، باعث نوسان متقابل آنها می گردد. برای حذف این نوسانات و جلوگیری از انتقال آن به پایه و تشکیل یک میدان استاتیک توسط آهن ربای اصلی، از ایزوله کننده نوسانات استفاده می شود که به عنوان یک تشدید کننده مکانیکی، انرژی نوسانات حاصل از نیروی عکس العمل را جذب می نماید. نمونه که در انتهای یک میلة غیر مغناطیسی نصب می شود، باید دقیقاً در مرکز تقارن سیستم سیم پیچ های مغناطیس سنج( واقع در بین قطب های آهنربای اصلی) قرار بگیرد. محل دقیق نمونه با سه پیچ ویژه که قابلیت حرکت نمونه را در راستاهای مختلف دارد، تنظیم می شود(8).

5-1-3- قسمت الکتریکی
همانطور که قبلا گفته شد نمونه در راستای قائم به نوسان در می آید. سیگنال القا شده در سیم پیچ ها متناسب با مغناطش نمونه و مشخصات نوسانات است که به منظور اندازه گیری مغناطش نمونه، عامل دوم باید حذف گردد. سیگنالی ناشی از خازن متغیر (که به آن اشاره شد) حاصل می شود که تنها به مشخصات نوسانات مکانیکی (عامل دوم)، بستگی دارد. از آنجایی که سیگنال اصلی متناسب با هر دو عامل است، از تفاضل سیگنال اصلی و سیگنال ناشی از خازن و تقویت آن توسط یک تقویت کنندة تفاضلی، مغناطش نمونه اندازه گیری می شود. به این ترتیب، تغییرات احتمالی در عوامل نوسانی روی اندازة بدست آمده برای مغناطش نمونه، اثری نخواهد داشت.{8}

5-2- عملکرد دستگاه VSM
دستگاه های مغناطیس سنج، مغناطش یک نمونه از ماده با ابعاد مختلف را به روش های مختلف و در شرایط گوناگون از لحاظ دما، میدان مغناطیسی و جهت گیری نمونه، اندازه گیری می کنند و نمودارهای متنوعی که نشان دهنده ویژگی های متفاوت ماده است را نمایش می دهند. مغناطیس سنج ها براساس میزان فرکانس جریان های عبوری از آنها شامل سیستم های مغناطیس سنج مختلف می باشندکه اساس اندازه گیری آنها مشابه است. برخی از سیستم های مغناطیس سنج عبارتتند از: مغناطیس سنج نمونه مرتعش (VSM)، مغناطیس سنج نمونه چرخان (RSM) و مغناطیس سنج گرادیان نیروی متناوب (AGFM) .{1}

دستگاه VSM بر اساس قانون القای فارادی کار می‌کند. این قانون می‌گوید که تغییر در میدان مغناطیسی، باعث ایجاد میدان الکتریکی می شود. با اندازه‌گیری میدان الکتریکی القا شده، می‌توان اطلاعاتی در مورد تغییرات میدان مغناطیسی بدست آورد. ابتدا نمونه در میدان مغناطیسی ثابت قرار می‌گیرد. اگر نمونه مغناطیسی باشد، میدان مغناطیسی ثابت، نمونه را با هم جهت کردن حوزه‌های مغناطیسی یا اسپین‌های مغناطیسی اتم‌ها در جهت میدان، مغناطیسی می‌کند. میدان مغناطیسی بزرگتر، نمونه را بیشتر مغناطیسی می‌کند. ممان مغناطیسی نمونه، میدان مغناطیسی را در اطراف نمونه القا می‌کند. حال اگر نمونه به بالا و پایین ارتعاش کند، میدان مغناطیسی القایی با زمان تغییر می‌کند و تغییرات آن را می‌توان با جریان القا شده در یک مجموعه سیم‌پیچ مشاهده کرد. این جریان القایی با مغناطش در نمونه متناسب است. مغناطش قوی‌تر جریان القایی بزرگتری را ایجاد می‌کند. جریان القایی تقویت می‌شود و به کامپیوتری که به مجموعه متصل است، برای نمایش منتقل می‌شود. با کمک نرم‌افزار می‌توان نتایج را کنترل کرد و نمایش داد. این سامانه مقدار و نحوه مغناطش نمونه را به صورت تابعی از شدت تغییرات میدان مغناطیسی ثابت اعمالی، مشخص می کند. نمونه‌ای که در میدان مغناطیسی ثابتی قرار گرفته و به طور مکانیکی و با حرکت سینوسی در حال ارتعاش است با تغییر شار مغناطیسی، نیرو محرکه‌ای را در مجموعه سیم‌پیچ‌ها القا می‌کند. شار مغناطیسی از رابطه زیر بدست می آید:

که در آن A و B فاکتورهای هندسی‌اند که به مجموعه سیم‌پیچ‌ها مرتبط می‌شوند، D و MS به ترتیب ضریب مغناطش زدایی و مغناطش ذره‌اند، و ω فرکانس ارتعاش می باشد. بنابراین نیروی محرکه به صورت زیر بدست می آید:

 

 

‌که C یک ثابت است و مقدار آن را می‌توان با توجه به مغناطش نیکل استاندارد، که مقدار آن شناخته شده است، تعیین کرد(6).
در این سیستم مبنای اندازه گیری مغناطش، سیگنال حاصل از نوسانات مکانیکی نمونه است که در یک سری سیم پیچ حساس القا می شود. این سیگنال با ممان مغناطیسی نمونه رابطة خطی دارد . نمونه ها به صورت نسبی مقایسه می شوند. به این منظور، یک استاندارد کالیبره شده از ممان مغناطیسی مثلاً کره کوچک استاندارد شده‌ای از نیکل خالص، تهیه می‌شود{8}.

نتیجه گیری:
برای بررسی خواص مغناطیسی مواد، دستگاه هایی برای اندازه گیری خواص مغناطیسی نیاز است که یکی از اصلی ترین آن ها مغناطیس سنج ها هستند. با استفاده از دستگاه مغناطیس  سنج می توان خواص مغناطیسی مواد دیامغناطیس، پارامغناطیس، فرومغناطیس، آنتی فرومغناطیس، فری مغناطیس را بررسی کرد. دستگاه های مغناطیس سنج مغناطش یک نمونه از ماده با ابعاد مختلف را به روشهای مختلف و در شرایط گوناگون از لحاظ دما، میدان مغناطیسی و جهت گیری نمونه، اندازه گیری می کنند و نمودارهای متنوعی که نشان دهنده ویژگی های متفاوت است را نمایش می دهند.

 

 

منابـــع و مراجــــع

1.http://www.nanomagnetics.org/instrumentation_and_characterization/VibratingSampleMagnetometers_vsm.php

2.http://www.azom.com/materials-equipment.aspx?cat=111

3.Peter Mohn, “Magnetism in solid state”, Springer series in solid state science, 1956.

4.http://www.sigmaaldrich.com/materials-science/alternative-energy-materials/magnetic-materials/tutorial/properties.html

5.A . Gulayaev “physical metallurgy” , MIR publishers Moscow , 1980 , vol .2

6. ماهنامه فناوری نانو، سال یازدهم اردیبهشت 91، شماره 2، پیاپی 175

7.غضنفری ججین ، مهدی، مطالعه خواص مغناطیسی نانو ذرات فریت کبالت، پایان نامه کارشناسی ارشد( فیزیک حالت جامد)، دانشگاه تربیت مدرس، 1388

8.آذرخرمن، فرشته، ساخت و بررسی وادارندگی و پسماند ذرات مغناطیسی Fe – Co ، پایان نامه کارشناسی ارشد( فیزیک‌حالت جامد), دانشگاه تربیت مدرس، 1384