سطح مقاله
نویسندگان
مهدی غضنفری ججین
(نویسنده اول)
فهیمه بهزادی
(نویسنده مسئول)
کلمات کلیدی
مغناطیس
اندازه حرکت زاویه ای مداری
اندازه حرکت زاویه ای اسپینی
برهمکنش بین الکترون ها
مغناطیس
قواعد هوند
مغناطیس
مغناطیس
مغناطیس
مغناطیس
امتیاز کاربران
منشأ مغناطیس مواد و برهمکنش بین الکترونها
برای فعالیت در حوزه مواد مغناطیسی آشنایی هر چند مختصر با منشا مغناطیس، انواع مواد مغناطیسی و ویژگی های هر یک لازم به نظر می رسد. منشا وجود مغناطیس در اتم ها اندازه حرکت زاویه ای مداری و اندازه حرکت زاویه ای اسپینی الکترون ها است ولی تعیین جهت گیری مغناطیسی نسبی الکترون های واقع در یک یون که در یک شبکه بلوری قرارگرفته به برهمکنش بین الکترون ها بستگی دارد. طبیعی ترین روش برای دسته بندی خواص مغناطیسی مواد توجه به پاسخگویی آنها به یک میدان مغناطیسی خارجی است. بر این اساس مواد مغناطیسی به فازهای دیامغناطیس، پارامغناطیس، فرومغناطیس، پادفرومغناطیس و فریمغناطیس تقسیمبندی میشوند. در این مقاله ابتدا به منشا وجود مغناطیس دراتم ها و سپس به برهمکنش های بین اتم های واقع در یک بلور و منشا این برهمکنش ها نظری اجمالی خواهیم داشت. در ادامه به توصیف این فازهای مغناطیسی پرداخته می شود.
1-
مقدمه
مغناطیس پدیدهای است که توسط آن مواد از خود، یک نیروی جاذبه یا دافعه را نشان میدهند یا بر روی مواد دیگر تاثیر میگذارند؛ این پدیده هزاران سال است که شناخته شده است. با این وجود قوانین اصلی و مکانیزمهایی که پدیده مغناطیسی را توضیح میدهد پیچیده و دقیق میباشند و باعث شده که دانشمندان تا زمانهای نسبتاً اخیر از درک آنها، دوری جویند. بسیاری از وسایل فناوری مدرن، به مغناطیس و مواد مغناطیسی تکیه دارند؛ این وسایل شامل ژنراتورهای الکتریکی، ترانسفورماتورها، موتورهای الکتریکی، کامپیوترها، رادیو، تلویزیون و اجزاء سیستمهای تولید صدا و تصویر میباشند.
2- منشا مغناطیسی مواد
همان طور که میدانیم نیروهای مغناطیسی توسط حرکت ذرات باردار الکتریکی ایجاد میگردند؛ میدان مغناطیسی یک میدان مرکزی نیست یعنی تک قطبی مغناطیسی وجود ندارد.

شکل 1- میدان مغناطیسی یک میدان مرکزی نیست (عدم وجود تک قطبی مغناطیسی)

شکل 2- میدان مغناطیسی یک میدان مرکزی نیست (عدم وجود تک قطبی مغناطیسی)
جریان بار الکتریکی یک سیم حلقهای باعث ایجاد میدان مغناطیسی در راستای محور حلقه میشود. بنابراین اصلی ترین حامل خاصیت مغناطیسی در جامدها همان الکترون ها هستند. این الکترون ها 21-10×3/9 واحد مغناطیسی، (e.m.u =electromagnetic units) گشتاور مغناطیسی (Magnetic moment) دارند[ 1]. در جامدهای مغناطیسی مثل آهن و کبالت، برهمکنشی بین الکترون ها وجود دارد که جهت الکترون ها را یک سو می کند. یک سپادمتر مکعب از این جامدها حدود 1023 الکترون دارند، بنابراین گشتاور مغناطیسی کل، 103 واحد مغناطیسی می شود. جهت این گشتاور مغناطیسی کل، محور آسان نا همسانگردی نامیده می شود و با ناهمسانگردی مغناطیسی تعریف می شود. به طورکلی می توان منشاء خاصیت مغناطیسی را الکترون های متحرک دانست. گرچه بعضی از هسته های اتمی دارای گشتاور دوقطبی مغناطیسی دایمی هستند ولی اثر آنها چنان ضعیف است که نمی تواند آثار قابل ملاحظه ای داشته باشد مگر تحت شرایط خاص زیر دمای یک درجه کلوین یا وقتی که نمونه تحت میدان الکترومغناطیس با فرکانسی قرارگیرد که حرکت تقدیمی هسته ها را تشدید نماید. بنابراین نظریه های مغناطیس در درجه اول نظریه ساختارهای الکترونی است. در بلورهای یونی الکترون ها کمابیش به عنوان الکترون های مقید به هسته های خاص مورد توجه قرار می گیرند. در بدو ظهور نظریه های 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 بایک 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 شد. دیراک نشان داد که اگر معادلات مکانیک کوانتمی بخواهد به طور نسبیتی ناوردا باشد یک اندازه حرکت زاویه ای اضافی برای الکترون وجود خواهدداشت[ 2].
برای فهم بیشتر کره زمین را در نظر بگیرید. کره زمین دارای دو نوع حرکت وضعی و انتقالی است. حرکت آن به دور خورشید را حرکت انتقالی و چرخش زمین به دور خودش را حرکت وضعی می گویند. هر یک از این دو نوع حرکت، دارای اندازه حرکت زاویهای مخصوص به خود است.


شکل 3- راست: حرکت زمین دور خورشید چپ: حرکت الکترون حول هسته
منابـــع و مراجــــع
1.J. Tejada*, J.M. Hernández, E. del Barco and X.X. Zhang, “Quantum tunneling of the magnetic moment”, CONTRIBUTIONS to SCIENCE, 1 (1): 25-38 (1999)
2.Peter Mohn, “Magnetism in solid state”, Springer series in solid state science, 1956.
3.J. StÖhr, H. C. Siegmann,“Magnetismfrom Fundamentalsto Nanoscale Dynamics”, Springer Series in solid-state sciences, 2000.
4.Mathias Getzlaff ; “Fundamentals of Magnetism”; springer, 2008.
5.گاسیروویچ، استیون، فیزیک کوانتومی، ترجمه محمدرضا مطلوب، جمیل آریایی، تهران، جهاد دانشگاهی، واحد تربیت معلم، مرکز فرهنگی انتشارات، بهار 1379.
6.علی¬عمر، فیزیک حالت جامد، ترجمه غلامرضا نبیونی، اراک، دانشگاه اراک، انتشارات دانشگاه اراک، پاییز 1380
7.S.O. Pillai; “Solid State Physics”; New Age International limited,2003.
8.R. Butler, Paleomagnetism: “Magnetic Domains to Geologic Terranes A992”, Blackwell, Oxford.”
9.Giuseppe Grosso; “solid state physics”, Academic press, 2003.
10.Stephen Blundell, “Magnetism in Condensed Matter”, Oxford University Press, 2001