خواص مغناطیسی مواد

 

با پیشرفت علم مغناطیس تحولات گوناگونی در حوزه‌های مختلف ایجاد شده است. موتورهای الکتریکی قوی‌تر و کوچک‌تر، سنسورها، حافظه‌های مغناطیسی و کاربردهای پزشکی (تشخیص و درمان) از جمله کاربردهایی هستند که با پیشرفت مغناطیس تحت تأثیر قرار گرفته‌اند.

علم مغناطیس نیز مانند علوم دیگر بی‌نیاز از نانوفناوری نبوده و نیست؛ به طوری‌که بهینه‌سازی خواص مغناطیسی برای کاربردهای بیان شده بدون استفاده از نانوفناوری عملاً ناممکن است (به طور مثال افزایش ظرفیت حافظه‌های مغناطیسی). برای فهم تأثیرات نانوفناوری بر خواص مغناطیسی لازم است که تا ابتدا علت خواص مغناطیسی مواد و پارامترهایی که خواص را توصیف می‌کنند مشخص شود و سپس با کمک آن، تأثیر نانوفناوری بر این علل مشخص شود. از این‌رو در این مقاله، توضیحاتی درباره خواص مغناطیسی مواد ارائه می‌شود.

1-معرفی خواص مغناطیسی:
همان‌گونه که می‌دانید حرکت شتابدار در ذرات باردار موجب ایجاد میدان مغناطیسی می‌شود. ایجاد میدان مغناطیسی در یک سیم پیچ حامل جریان نیز به همین دلیل است. شکل 1 مشابهت آن را با یک آهنربا نشان می‌دهد. اتفاقاً خواص مغناطیسی مواد نیز به همین حرکت‌های ذرات باردار نسبت داده می‌شود. سال‌ها علت خواص مغناطیسی مواد ناشناخته بود تا با کشف این پدیده، دانشمندان موفق شدند علت خواص مغناطیسی مواد را توجیه کنند.

 

 

شکل 1- نمایش مشابهت تولید میدان مغناطیسی در یک آهنربا و یک سیم پیچ جریان

خواص مغناطیسی مواد از دو حرکت اسپینی و مداری الکترون‌های سازنده آن سرچشمه می‌گیرد. در حرکت مداری، الکترون‌ها به دور هسته می‌چرخند و میدان مغناطیسی تولید می‌کنند. حرکت اسپینی یک پدیده کوانتوم مکانیکی است که به طور ساده می‌توان آن را به شکل چرخش الکترون‌ها به دور خود در نظر گرفت. این دو نوع حرکت الکترون، بنابر آن چه بیان شد، میدان مغناطیس تولید می‌کنند (شکل 2) که البته تأثیر حرکت اسپینی برای ایجاد خواص مغناطیسی به مراتب بیشتر از حرکت مداری است که توضیح علت آن از اهداف این مقاله نیست. با توجه به این موضوع می‌توان هر الکترون را به صورت یک آهنربای میله‌ای با دو قطب N و S در نظر گرفت. شکل 2 مشابهت بین گشتاور مغناطیسی در یک آهنربا را با گشتاور مغناطیسی ناشی از اسپین و حرکت مداری نشان می‌دهد.

شکل 2- نمایش مشابهت گشتاور مغناطیسی یک آهنربا با گشتاور مغناطیسی ناشی از حرکت اسپینی و مداری‌: (a)نمایش نحوه حرکت اسپینی و گشتاور مغناطیس ناشی از آن، (b) نمایش حرکت مداری و گشتاور مغناطیسی ناشی از آن، (c) گشتاور مغناطیسی یک آهنربا

2- علت میکروسکوپی خواص مغناطیسی:
در هر اتم یا یون، در یک نوع اوربیتال خاص، الکترون‌ها ابتدا آن اوربیتال را با یک جهت اسپینی خاص به صورت نیمه، پر می‌کنند. بعد از پرشدن تمام اوربیتال‌ها به صورت نیمه‌پر، هر اوربیتال نیمه‌پر با یک الکترون با جهت اسپینی مخالف پر می‌شود تا کل اوربیتال پر شود. شکل 3 به خوبی روال پر شدن الکترون‌ها را نشان می‌دهد.

شکل 3- نمایش نحوه پر شدن اوربیتال P در مواد مختلف، به ترتیب از بالا به پایین تعداد الکترون‌ها افزایش می‌یابد.

اگر هر اسپین را همان‌گونه که بیان شد، یک آهنربای میله‌ای در نظر بگیریم، دو جهت اسپینی مختلف، متناظر با دو آهنربا با دو جهت مختلف هستند که اثر مغناطیسی یکدیگر را خنثی می‌کنند؛ بنابراین اوربیتال‌های پر خاصیت مغناطیسی ندارند. اما اوربیتال‌های نیمه‌پر، اساس خاصیت مغناطیسی مواد هستند. البته در عناصری که در شکل(3) نشان داده شده‌اند، با این که اوبیتال‌های نیمه‌پر دارند، به دلیل این که در حالت معمولی وقتی در طبیعت وجود دارند با اتم دیگر از نوع خود پیوند کووالانسی تشکیل می‌دهند و این پیوندهای کووالانسی از اشتراک اوربیتال‌های نیمه‌پر با دو جهت اسپینی مختلف تشکیل می‌شود، بنابراین در حالت معمول دارای اوربیتال‌های نیمه‌پر نیستند و چون دارای اوربیتال نیمه‌پر نیستند، بنابراین به عنوان مواد مغناطیسی در نظر گرفته نمی‌شوند. اما در فلزات با اوربیتال‌های نیمه‌پر d، مانند آهن، کبالت و نیکل و … به دلیل این که جامدی فلزی هستند، خاصیت مغناطیسی وجود دارد و به این مواد فرومغناطیس گویند.

شکل 4- نمایش اوربیتال‌های نیمه‌پر و عامل خاصیت مغناطیسی در عنصر آهن

دسته معروف دیگری از مواد با خاصیت مغناطیسی، اکسیدهایی مانند مگنتیت هستند. همان‌گونه که در شکل‌(5)نشان داده شده است، این مواد از چندین یون تشکیل شده‌اند که جهت گشتاور مغناطیسی در این یون‌ها در جهات مختلف، متفاوت است ولی در مجموع به دلیل غالب شدن گشتاور مغناطیسی در یک جهت خاص، این مواد دارای خاصیت مغناطیسی هستند. بر اساس ویژگی‌‌های مغناطیسی، انواع مختلفی از مواد دیامغناطیسی، آنتی فرومغناطیس و … وجود دارند که به دلیل این که خواص مغناطیسی قابل ملاحظه‌ای ندارند، درباره آن‌ها مطلبی ارائه نمی‌‌شود.

شکل 5- نمایش گشتاور مغناطیسی در یون‌ها سازنده ترکیب Fe₃O₄ ، مشاهده می‌شود برآیند گشتاور مغناطیسی یون‌ها صفر نیست.

همان‌گونه که در حالت عادی در آهنرباها قابل مشاهده است، دو آهنربا طوری نسبت به یکدیگر جهت‌گیری می‌کنند که قطب‌های ناهم‌نام دو آهنربا در یک سمت قرار گیرند) شکل 6-a).با این کار انرژی مغناطیسی کاهش می‌یابد. اما در محدوده اتمی شرایط کاملاً متفاوت است. در مواد فرومغناطیس و فری مغناطیس به دلیل انرژی تبادلی‌(Exchange  Energy)گشتاورهای مغناطیسی اتم‌ها در یک جهت قرار می‌گیرند. به همین دلیل است که در یک ماده توده‌ای (بالک) خاصیت مغناطیسی مشاهده می‌شود. شکل b-6 انرژی تبادلی را نشان می‌دهد. این انرژی در ابعاد میکروسکوپیک وجود دارد و یک انرژی کوتاه برد است و با مکانیک کوانتوم قابل توجیه است.

 

شکل 6- نمایش تفاوت رفتار دوقطبی مغناطیسی در حالت توده‌ای (بالک) در شکل (a) با رفتار دوقطبی مغناطیسی در دنیای میکروسکوپیک در(b)، در اولی دوقطبی‌ها در جهت مخالف یکدیگر قرار می‌گیرند و در دومی در یک جهت قرار دارند.

اگرچه انرژی تبادلی تمایل دارد که گشتاور مغناطیسی اتم‌ها را در یک جهت قرار دهد اما وقتی انرژی تبادلی تمام گشتاورها را در یک ماده بالک در یک جهت قرار می‌دهد، در این حالت ماده دارای انرژی مغناطیسی بسیار بالایی خواهد شد و از آن جا که ماده تمایل دارد انرژی خود را کاهش دهد، تمامی گشتاورهای مغناطیسی اتم‌ها در یک جهت قرار نمی‌گیرد. به نوع دیگر، در مقیاس ماکروسکوپی انرژی دیگری به نام مگنتواستاتیک وجود دارد که با هم‌جهت‌شدن گشتاورهای مغناطیسی افزایش می‌یابد. همان‌گونه که در شکل  a-7نشان داده شده است، اگر تمام گشتاور مغناطیسی اتم‌ها در یک جهت بود، میدان (و همچنین انرژی) مغناطیسی زیادی وجود داشت. اما وقتی همانند (b) نواحی دارای یک جهت مغناطیسی به دو قسمت تبدیل شود، میدان به میزان قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد و اگر مانند شکل (c) چندین ناحیه با جهت‌های مختلف موجود باشد، کل میدان (انرژی) مغناطیسی خارجی صفر می‌شود و این حالت انرژی سیستم کمترین میزان را دارد.

شکل 7- نمایش کاهش میدان خارجی و انرژی مغناطیسی با تشکیل دومین‌ها، به ترتیب از (a) تا (c) انرژی مغناطیسی کاهش می‌یابد.

با توجه به مطالب بالا، در مواد مغناطیسی به دلیل وجود دو انرژی تبادلی و مگنتواستاتیک، نواحی خاصی وجود دارد که جهت اسپین اتم‌ها در آن یکی است؛ به این نواحی دومین (Domain) مغناطیسی گفته می‌شود. میدان مغناطیسی درون هر دومین، از مغناطش اتم‌ها ایجاد می‌شود. درون هر دومین جهت میدان مغناطیسی در یک جهت مشخص قرار دارد ولی از یک دومین به دومین دیگر، جهت میدان مغناطیسی تغییر می‌کند. در شرایط عادی و در مجموع، دومین‌ها به گونه‌ای در جهات مختلف قرار می‌گیرند که جمع برداری مغناطش ناشی از آن‌ها صفر شود، به طوری که ماده خاصیت مغناطیسی نشان نمی‌دهد.

شکل 8- نمایش شماتیک دومین‌ها در یک ماده مغناطیسی، شکل سمت چپ گشتاور مغناطیسی ناشی از اتم‌ها را نشان می‌دهد. البته درون هر دومین خیلی بیشتر، یعنی به تعداد اتم‌ها، گشتاور مغناطیسی وجود دارد.

اما چرا مواد زیادی با خاصیت مغناطیسی (یعنی دارای مغناطش) مشاهده می‌شوند؟ همان‌گونه که شکل(9) نشان می‌دهد، اگر یک میدان مغناطیسی خارجی اعمال شود، می‌توان به خرج آن، ماده را مغناطیسی کرد. با اعمال میدان خارجی، دومین‌های همسو یا همسوتر با میدان در ازای کاهش دومین‌های ناهمسو با میدان مغناطیسی، رشد می‌کنند و این باعث می‌شود ماده دارای خاصیت مغناطیسی شود.

شکل 9- نمایش تفاوت دومین‌ها در حالت بدون میدان خارجی با حالت وجود میدان خارجی. مشاهده می‌شود که دومین‌های نزدیک به جهت میدان در ازای کوچک شدن دومین‌های مختلف میدان، رشد کرده‌اند.

 

3-نمودارهای هیسترزیس:
نمودار نحوه مغناطیسی شدن ماده برحسب میدان اعمالی را نمودار هیسترزیس گویند. از این نمودار پارامترهای مختلف مغناطیسی را می‌توان استخراج کرد. شکل (10)بخشی از این نمودارها را نشان می‌دهد؛ اگر یک ماده مغناطیسی که در ابتدا هیچ‌گونه مغناطشی ندارد، در نظر گرفته شود، با اعمال میدان مغناطیسی (H)، ابتدا دومین‌های همسوتر با میدان خارجی در ازای کاهش حجم دومین‌های ناهمسو، رشد می‌کنند تا این که ماده تک دومین شود. در ادامه وقتی ماده تک دومین شد، این تک دومین کاملاً می‌چرخد تا در جهت میدان قرار گیرد. در این حالت، حداکثر مقدار مغناطیسی در ماده مشاهده ‌می‌شود. به این میزان مغناطیس، مغناطش اشباع (B_s) گویند.

شکل 10- نمایش منحنی هیسترزیس میدان اعمالی با H و میدان القایی با B نمایش داده شده است و پیکان‌ها نشان‌دهنده جهت گشتاور مغناطیسی در دومین‌هاست.

همان‌گونه در شکل (11)مشاهده می‌شود، بعد از رسیدن به مغناطش اشباع، با کاهش میدان مغناطیسی اعمالی، مسیر برگشت مانند مسیر ابتدایی نیست. حتی وقتی میدان اعمالی صفر می‌شود هنوز مقداری مغناطش درون ماده وجود دارد. همان‌گونه که شکل هم گویا آن است، به دلیل باقی ماندن بخشی از دومین‌های همسو با میدان خارجی، مقداری مغناطش به نام مغناطش پسماند (B_R) در ماده وجود دارد. این مغناطش پسماند توضیحی است بر این که چرا بعضی مواد با این که میدان خارجی وجود ندارد، دارای مغناطش هستند.

 

شکل 11-نمایش باقی ماندن بخشی از دومین‌ها نزدیک به جهت میدان خارجی بعد از حذف میدان خارجی و در نتیجه آن، وجود مغناطش پسماند در ماده

 

در ادامه، مطابق شکل (12) اگر میدان خارجی اعمالی برعکس شود، مغناطش پسماند کاهش می‌یابد تا این که با افزایش این میدان خارجی بتوان مغناطش داخلی پسماند را صفر کرد. میدان خارجی اعمالی را که قادر است مغناطش موجود در ماده را صفر کند، کورسیویتی می‌نامند. بعد از صفر شدن مغناطش داخلی، با ادامه اعمال میدان، مغناطش معکوس در ماده ایجاد شده که در نهایت به مغناطش اشباع عکس می‌رسد. مقدار این مغناطش اشباع عکس درست برابر مغناطش اشباع مستقیم است، فقط جهت متفاوتی دارد. با تغییر جهت میدان (برگشت به جهت اولیه) مسیر طی شده توسط ماده مغناطیسی حلقه هیسترزیس آبی رنگ را می‌سازد. فقط در اولین مرحله اعمال میدان مغناطیسی است که منحنی خط‌چین ایجاد می‌شود، در حالی‌که مسیر طی شده در مراحل بعد یک حلقه هیسترزیس پیوسته می‌سازد.

شکل 12- نمایش چگونگی هیسترزیس و پارامترهای مهم این نمودارها. منحنی خط‌چین فقط در اولین مغناطش رخ می‌دهد.

در مبحث مغناطیس، از علایم و مفاهیم مختلفی استفاده می‌شود که گاه این موارد باعث سردرگمی می‌شود. میدان مغناطیسی اعمالی را با H نشان می‌دهند که نه واحد میدان مغناطیسی بلکه واحد آمپر بر ثانیه دارد. در محور عمودی یا از B یا از M استفاده می‌شود که با یکدیگر تفاوت‌هایی دارند؛ واحد M مشابه H است ولی B واحدی مشابه مغناطیس دارد. علاوه بر سه پارامتر مغناطش اشباع، مغناطش پسماند و کورسیویته که در شکل 13 به ترتیب با M_s، M_r و H_c نشان داده شده است، شیب ابتدای منحنی مغناطش که با رنگ سبز نشان داده شده است، معرف پارامتری به نام نفوذپذیری (permeability) است.

 

شکل 13- نمایش پارامترهای مهم در منحنی‌های هیسترزیس که خیلی از خواص مواد مغناطیسی با این پارامترها توجیه می‌شود.

4-مواد نرم و سخت:
مواد فرومغناطیس و فری‌مغناطیس به دو دسته مواد سخت و نرم تقسیم می‌شوند. مواد سخت موادی هستند که به سختی مغناطیسی می‌شوند؛ یعنی برای ایجاد مغناطش در آن‌ها نیاز به اعمال میدان مغناطیسی قوی است. این مواد خاصیت مغناطیسی خود را به سختی از دست می‌دهند؛ همچنین در مواد سخت تغییر جهت میدان مغناطش ماده نیز میدان اعمالی بالایی نیاز دارد. این مواد برای کاربردهایی که نیاز به مغناطیسی دائمی وجود دارد، کاربرد دارند. از این‌رو مواد مغناطیس سخت برای ساخت آهن‌رباهای دائم مورد استفاده قرار می‌گیرند که در ساخت بلندگوها، موتورهای الکتریکی، سنسورها و … کاربرد دارد. برای این که یک ماده سخت باشد، باید پارامتر کورسیویته (میدان پسماندزدا نیز نامیده می‌شود)، بیشترین مقدار را داشته باشند. هر چه این پارامتر بیشتر باشد ماده مغناطیس، سخت‌تر خواهد بود.
متقابلاً در مواد مغناطیسی نرم نیاز است که ماده به راحتی مغناطیسی شود و به راحتی نیز خاصیت مغناطیسی خود را از دست بدهد، همچنین به راحتی بتوان جهت مغناطش را تغییر داد. این مواد برای کاربردهای غیردائمی یا مواردی که جهت میدان باید مدام تغییر کند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. ژنراتورها، موتورها، مبدل‌ها، آهنرباهای الکتریکی و چرثقیل‌ها از جمله کاربردهای مغناطیس‌های نرم است. برای این که یک ماده مغناطیسی نرم باشد، باید نفوذپذیری بیشترین مقدار و کورسیویته کمترین مقدار را داشته باشد. به طور کلی در هر دو کاربرد نرم و سخت، نیاز است که مغناطش اشباع در بیشترین مقدار خود قرار داشته باشد. شکل(14) تفاوت بین منحنی هیسترزیس را بین مغناطیس نرم و سخت نشان می‌دهد.

شکل 14- نمایش تفاوت منحنی هیسترزیس در یک ماده سخت و یک ماده نرم

 

5-جمع‌بندی و نتیجه‌گیری:
در این مقاله علت خاصیت مغناطیسی مواد مشخص شد. مشخص شد مواد بر اساس خاصیت مغناطیسی به گروه‌های مختلفی تقسیم‌بندی می‌شوند که دو نوع فرومغناطیس و فری‌مغناطیس دارای خاصیت مغناطیسی هستند. مشخص شد که دو نوع انرژی تبادلی و مگنتوالاستیک، علت شکل‌گیری دومین‌ها هستند و دومین‌ها عملکرد مغناطیسی مواد را می‌سازند. با معرفی منحنی‌های هیسترزیس خواص مغناطیسی مواد به ویژگی‌های میکروسکوپیک آن نسبت داده شد. پارامترهای مهمی از روی منحنی هیسترزیس تعریف شد که معرف میزان نرمی و سختی مواد مغناطیسی هستند. مطالب این مقاله به عنوان پایه‌ای برای مباحث آتی درباره کاربردهای نانوفناوری در مغناطیس مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

منابـــع و مراجــــع

[1] Craik, Derek J. “Magnetism: principles and applications.” Magnetism: Principles and Applications, by Derek J. Craik, pp. 468. ISBN 0-471-95417-9. Wiley-VCH, September 2003. (2003): 468.

[2] Ahmed, H. U., et al. “Handbook of Nanophysics.” CRC PressI Llc, 2010

[3] Nie, J. F. “Physical metallurgy of light alloys.” Physical Metallurgy 3 (2014).

[4] Alharbi, Abdulaziz Aiyedh. “Fundamental magnetic properties at nanometer scale.”

[5] Coey, John MD. Magnetism and magnetic materials. Cambridge University Press, 2010

[6] O’handley, Robert C. Modern magnetic materials. Wiley, 2000.

[7] Himpsel, F. J., et al. “Magnetic nanostructures.” Advances in physics 47.4 (1998): 511-597.

[8] Papaefthymiou, Georgia C. “Nanoparticle magnetism.” Nano Today 4.5 (2009): 438-447