برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۲/۲۹ تا ۱۳۹۷/۰۳/۰۴

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۶,۵۴۴
  • بازدید این ماه ۶۸۸
  • بازدید امروز ۱۴
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

خواص مغناطیسی (1)

پیچیده‌ترین تاثیر اندازه ذرات، بر خواص مغناطیسی ماده است. در این بخش ابتدا برای درک بهتر اثر اندازه ذره بر خواص مغناطیسی، با برخی مفاهیم اولیه خواص مغناطیسی آشنا شده و سپس به صورت مختصر به خواص مغناطیسی نانومواد می‌پردازیم.
مقدمه:
پیچیده‌ترین تاثیر اندازه ذرات، بر خواص مغناطیسی ماده است. در این بخش ابتدا برای درک بهتر اثر اندازه ذره بر خواص مغناطیسی، با برخی مفاهیم اولیه خواص مغناطیسی آشنا شده و سپس به صورت مختصر به خواص مغناطیسی نانومواد می‌پردازیم.


1- میدان مغناطیسی

میدان مغناطیسی‌ یک میدان نیروست، مثل میدان جاذبه‌ی زمین. درست همان‌طور که ‌یک جسم در محدوده میدان جاذبه زمین، جذب زمین می‌شود، یک قطعه‌ی مغناطیسی نیز در میدان مغناطیسیِ یک آهن‌ربا، جذب آهن‌ربا می‌شود.
این خاصیت مغناطیسی در آهن‌ربا به علت وجود دوقطبی‌های مغناطیسی است (یعنی یک آهن‌ربا متشکل از آهن‌رباهای ریز است). علت به وجود آمدن دوقطبی‌های مغناطیسی، حرکت الکترون‌ها است. برای درک بهتر انواع حرکت‌های الکترون، بهتر است قدری راجع به ساختمان اتم صحبت شود.
اتم شامل مجموعه‌ای از ذرات باردار مثبت (پروتون‌ها) در هسته و مجموعه‌ای از ذرات باردار منفی (الکترون‌ها) در پوسته است (نوترون در ایجاد خاصیت مغناطیسی تاثیری ندارد). الکترون‌ها در مدارهایی حلقوی به نام اوربیتال دور هسته می‌چرخند. در زیر مثالی برای 26Fe آورده شده است:
Fe26:1s2,2s2,2P6,3s3,3P6,3d4,4s2
اوربیتال‌ها به ترتیب با نام‌های M, L ,K وN و غیره شناخته می‌شوند. در هر اوربیتال اتم‌ها در لایه‌های p, s , d و f به دور هسته می‌چرخند. جهت چرخش الکترون به دور هسته را «اسپین» می‌گویند. چرخش الکترون به دور هسته بُرداری به نام «گشتاور» ایجاد می‌کند. قانون دست راست می‌گوید اگر چهار انگشت در جهت چرخش الکترون‌ها خم بشوند، انگشت شصت دست راست، جهت نیرویی را نشان می‌دهد که در اثر تغییر بردار حرکت الکترون تولید می‌شود. مجموعه‌ی خطوط این بردارهای گشتاور، یک میدان مغناطیسی را به وجود می‌آورد. یعنی وقتی یک جسم در فاصله‌ نزدیک چنین قطعه‌ای قرار بگیرد، این مجموعه از نیروها بر آن وارد می‌شود و به اصطلاح آن را یا به طرف خود جسم می‌کشد (جاذبه) و یا هُل می‌دهد (دافعه).
لازم به ذکر است دو نیرو در یک راستا، ولی در خلاف جهت هم، همدیگر را خنثی می‌کنند. بنابراین،‌ اگر در یک لایه مانند s ــ که در آن دو الکترون در خلاف جهت هم دور هسته می‌چرخند ــ هر دو الکترون وجود داشته باشند، دو بردار نیرو در خلاف جهت تولید می‌شوند که همدیگر را خنثی می‌کنند. از این رو، اگر جسمی در نزدیکی آنها قرار بگیرد، یک نیرو آن را می‌کشد و یک نیرو آن را هُل می‌دهد و در کل هیچ نیرویی بر آن وارد نمی‌شود. پس ماده‌ی مورد نظر، با یک اوربیتال پُر (دارای تعداد الکترونهای زوج در لایه‌ی آخر که برای 26Fe‌، اوربیتال d لایه‌ی آخر است) دارای خاصیت مغناطیسی نخواهد بود.
اما یک راه دیگر هم برای ایجاد خاصیت مغناطیسی در ماده وجود دارد. در این روش، خاصیت مغناطیسی ناشی از نوع دیگری از حرکت الکترون در اتم است. چون الکترون‌ها به جز حرکت اوربیتالی (چرخش به دور هسته که در بالا توضیح داده شد) می‌توانند مثل کره‌ی زمین به دور خود نیز بچرخند. در این حالت نیز همان بردار گشتاور ایجاد می‌شود و اگر تعداد الکترون‌ها در لایه‌ی آخر زوج باشد، دوباره نیروهای به‌وجودآمده همدیگر را خنثی می‌کنند. خاصیت مغناطیسی ناشی از هر دو نوع حرکت الکترون‌ها در شکل 1 نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1: خاصیت مغناطیسی مواد ناشی از حرکت الکترون‌ها به دور هسته و دور خود

جامداتی که در آنها لایه‌ی d در حال پر شدن است، دارای خاصیت مغناطیسی خواهند بود، اما این خاصیت مغناطیسی فقط ناشی از چرخش الکترون‌های لایه‌ی آخر (26 Fe) است. زیرا لایه‌ d به هسته نزدیک است و جاذبه‌ی هسته به الکترون‌های این لایه اجازه نمی‌دهد که به دور خود بچرخند. اما در جامداتی که لایه‌ی f در حال پُر شدن است، چون فاصله‌ی لایه از هسته زیاد است، الکترون‌ها هم می‌‌توانند به دور خودشان و هم به دور هسته بچرخند. پس دو بردار نیرو ناشی از دو نوع حرکت به وجود می‌آید و واضح است که خاصیت مغناطیسی بسیار بیشتر از حالت قبل خواهد شد. البته به این موضوع هم باید توجه کرد که جهت چرخش به دور هسته (حرکت اوربیتالی) و چرخش به دور خود (حرکت وضعی)‌ برای یک الکترون در خلاف هم هستند.

2- حوزه‌های مغناطیسی

یک ماده‌ی مغناطیسی، مجموعه‌ای از حوزه‌های مغناطیسی است. حوزه‌ی مغناطیسی،‌ ناحیه‌ای است که درون آن همه‌ی الکترون‌های لایه‌های منفرد در یک جهت به دور هسته و به دور خود می‌چرخند. یعنی یک ماده‌ی چند حوزه‌ای مجموعه‌ای از حوزه‌هاست که در هر حوزه الکترون‌ها در جهتی خاص به دور هسته می‌چرخند و مشخص است که هر چرخش الکترون، بردار نیرو در راستای خاص خود را به وجود می‌آورد و مجموعه بردارهای نیروی تولید شده، در جهات مختلف، به نوعی همدیگر را خنثی می‌کنند. یعنی میدان نیرو، مجموعه‌ای از نیروهای پراکنده است. پس قدرت آن ضعیف‌تر خواهد شد. حوزه‌های مغناطیسی در شکل 2 نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2: حوزه‌های مغناطیسی و دو قطبی‌های مغناطیسی

برای درک این موضوع به مثال زیر توجه کنید. دو اتاق کنار هم را در نظر بگیرید. در اتاق اول 8 نفر وجود دارند. از این 8 نفر، 1 نفر از جنوب به شمال،‌ 2 نفر از غرب به شرق، 1 نفر از شرق به غرب و 4 نفر از شمال به جنوب در حرکت‌اند. (این اتاق دقیقا همان ماده‌ی چندحوزه‌ای است که در بالا به آنها اشاره شد و فلش‌ها جهت حرکت آدم‌ها هستند).
در اتاق دوم 4 نفر وجود دارند که همگی از شمال اتاق به سمت جنوب اتاق در حرکت‌اند. مشخص است که در اتاق اول آدم‌ها با هم برخورد می‌کنند. بنابراین، برآیند حرکت آنها از شمال اتاق به جنوب اتاق خیلی کم‌تر از حرکت 4 نفر است. اما در اتاق دوم، 4 نفر به راحتی حرکت می‌کنند و هیچ برخوردی بین آنها وجود ندارد. بنابراین، برآیند حرکتیِ آنها معادل حرکت 4 نفر است.

3- القای مغناطیسی

القای مغناطیسی یعنی ماده‌ای که برای مغناطیسی شدن مناسب است، مغناطیس شود. واضح است که برای این کار باید حوزه‌های مغناطیسی غیر هم‌جهت، هم‌جهت شوند تا نیروهای حاصل همدیگر را خنثی نکنند. برای این کار باید قطعه را با یک آهن‌ربا مالش داد، یا آن را در جهت میدان مغناطیسیِ زمین گداخته کرد یا در این جهت چکش‌کاری نمود. این کارها باعث چرخیدن فلش‌ها در هر حوزه ‌می‌شوند تا در نهایت تمام فلش‌ها هم‌جهت شوند، یعنی جهت چرخش الکترون‌ها در هر حوزه عوض شود. با این کار مرز بین حوزه‌ها حرکت می‌کند و حوزه‌های کوچک‌تر در حوزه‌های بزرگ ادغام (هضم) می‌شوند. شکل 3 ادغام شدن حوزه در همدیگر را نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3: تاثیر میدان بر حوزه‌های مغناطیسی

4- دسته‌بندی مواد مغناطیسی

کلیه موادی که با اعمال میدان مغناطیسی، مغناطیس می‌شوند، مواد مغناطیسی نامیده می‌شوند. این مواد بر اساس چگونگی پاسخ به یک میدان مغناطیسی خارجی به پارامغناطیس‌ها، فرومغناطیس‌ها، پاد فرومغناطیس‌ها، دیامغناطیس‌ها و فری مغناطیس تقسیم‌بندی می‌شوند. نظم گشتاورهای مغناطیسی در چهار دسته اصلی مواد مغناظیسی در شکل 4 نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4: انواع مواد مغناطیسی و نظم گشتاوری آنها

الف) فرومغناطیس‌ها: بعضی از مواد فلزی دارای گشتاور مغناطیسی دائمی در غیاب میدان خارجی هستند و مغناطش‌های خیلی بزرگ و دائمی از خود نشان می‌دهند. این مواد فرومغناطیس نامیده می‌شوند. فلزات واسطه مثل آهن با شبکهBCC ،کبالت، نیکل و بعضی ازفلزات خاکی نادر مانند گادولینیم (Gd) دارای این خاصیت هستند. این مواد با اعمال یک میدان مغناطیسی کوچک به شدت مغناطش پیدا کرده و با حذف میدان مغناطیسی مغناطش خود را به طور کامل از دست نمی‌دهند. در این مواد بردارهای گشتاورهای مغناطیسی مجاور از نظر اندازه برابر هستند و تمایل دارند که با یکدیگر هم جهت شوند (دوقطبی‌ها تمایل دارند به صورت موازی هم مرتب شوند).

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 5: هم راستا شدن بردارهای مفناطیسی در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی

ب) پاد فرومغناطیس‌ها: در این مواد بردارهای گشتاورهای مغناطیسی مجاور از نظر اندازه برابر ولی از نظر جهت، عکس یکدیگر هستند. بنابراین یکدیگر را خنثی می‌کنند. درصورتیکه چنین ماده‌ای در میدان مغناطیسی قرار گیرد، گشتاورهای هم جهت با میدان تقویت می‌شوند و ماده خاصیت مغناطیسی ضعیفی از خود نشان می‌دهد.
ج ) فری مغناطیس‌ها: در این مواد جهت بردارهای گشتاورهای مغناطیسی مجاور عکس یکدیگر است ولی اندازه آنها برابر نیست. رفتار این مواد مشابه با مواد فرو مغناطیس است. گروهی از آهنرباهای دائم که به نام فریت شناخته می‌شوند از این دسته هستند.
د) دیا مغناطیس‌ها: موادی هستند که مولکول‌ها، اتم‌ها و یا یون‌های آنها به ‌گونه‌ای رفتار می‌کنند که گشتاور مغناطیسی خالص آنها صفر است. اگر میدان مغناطیسی خارجی به این مواد اعمال شود، اتم‌های آن دارای گشتاور مغناطیسی القایی می‌شوند و جهت این گشتاور مغناطیسی خلاف جهت میدان اعمالی است. این دسته از مواد اگر در میدان مغناطیسی قرارگیرند، مغناطش منفی از خود نشان می‌دهند.
ه) پارا مغناطیس‌ها: دراین مواد، برخلاف مواد دیا مغناطیس در مولکول‌ها، اتم‌ها و یا یون‌ها گشتاور مغناطیسی کوچکی وجود دارد. ولی گشتاورها با جهات اتفاقی توزیع شده و یکدیگر را خنثی می‌کنند و مغناطش خالص برابر صفر می شود. اگر این دسته از مواد در یک میدان مغناطیسی قرار گیرند، تعدادی از گشتاورها درجهت میدان می‌چرخند و هم راستا می‌شوند. البته با حذف میدان مجددا جهت گشتاورها به صورت اولیه برخواهد گشت (شکل 6) بعضی از فلزات قلیایی و یا برخی از فلزات واسطه مانند کروم، تیتانیم، تنگستن و پلاتین دارای خاصیت پارا مغناطیس هستند.

filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل 6: جهات گشتاورهای مغناطیسی در یک ماده پارامغناطیس قبل و بعد از قرار گرفتن آن در یک میدان مغناطیسی خارجی

همان گونه که بیان شد در مواد فرومغناطیس، با حذف میدان مغناطیسی مغناطش خود را بطور کامل از دست نمی‌دهند. به این ویژگی اثر پسماند می‌گویند. به طور کلی، تمایل یک ماده در به خاطر آوردن تاریخچه مغناطیسی آن هیسترزیس نامیده می‌شود و میدان مغناطیسی‌ای که برای جبران این پسماند لازم است، وادارندگی نام دارد. یک نمودار شماتیکی از مغناطیس شدن همراه با نقاط مهم آن در شکل 7 نشان داده شده است.
وقتی به یک ماده‌ مغناطیسی، میدان مغناطیسی اعمال شود، مغناطیش آن سریعا افزایش می‌یابد. با افزایش شدت مغناطیسی اعمالی، شتاب افزایش مغناطیسی کاهش یافته تا به مقدار اشباع خود برسد. تغییرات مغناطیس مواد مغناطیسی در هنگام کاهش میدان، از رفتار قبلی خود تبعیت نمی‌کند بلکه مقداری انرژی در خود ذخیره می‌کند. بنابراین وقتی که میدان اعمالی در محیط صفر شود؛ مغناطش در ماده صفر نشده و دارای مقدار خاصی است که به آن مغناطیس پسماند گفته می‌شود. با کاهش بیش‌تر شدت میدان به سمت مقادیر منفی خاصیت مغناطیسی القا شده به تدریج کاهش می‌یابد و با رسیدن شدت میدان به یک میدان منفی، خواص مغناطیسی ماده کاملا از بین می‌رود، این میدان مغناطیس زدا را با HC نشان می‌دهند و به نیروی ضدپسماند یا همان وادارندگی مغناطیسی معروف است. پسماند یا نیروی وادارنده عبارت است از میدان معکوسی که برای کاهش مغناطیس به صفر نیاز است. با کاهش بیش‌تر شدت میدان، القای مغناطیسی منفی می‌شود و در نهایت به مقادیر اشباع منفی خود می‌تواند برسد. افزایش مجدد شدت میدان به سمت مقادیر مثبت، حلقه‌ پسماند را کامل می‌کند.

filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل 7: شمایی کلی از منحنی هیسترزیس

مواد فرومغناطیسی را همچنین می‌توان از نظر رفتار آنها در میدان مغناطیسی به دو گروه مواد مغناطیسی نرم و سخت تقسیم‌بندی کرد. حلقه پسماند در مواد فرومغناطیسی نرم و سخت در شکل 8 نشان داده شده است.
الف) مواد مغناطیسی نرم: مواد مغناطیسی نرم با اعمال میدان مغناطیسی کوچک به راحتی مغناطیده می‌شود و با قطع میدان سریعا گشتاور مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. به عبارتی این مواد دارای نیروی وادارندگی پایینی هستند. این مواد همچنین دارای اشباع مغناطیسی بالا و پسماند پایین هستند.

filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915
شکل 8: 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.
ب) مواد مغناطیسی سخت: مواد مغناطیسی سخت موادی هستند که براحتیِ مواد مغناطیسی نرم، مغناطیده نمی‌شوند و به میدان مغناطیسی اعمالی بزرگ‌تری، جهت مغناطیده کردن آنها نیاز است. این مواد، گشتاور مغناطیسی را تا مدت‌ها پس از قطع میدان مغناطیسی در خود حفظ می‌کنند. همچنین دارای اشباع مغناطیسی Ms، گشتاور پسماند Mr و نیروی وادارندگی Hc بالایی هستند. کاربرد این مواد در آهن‌ربا‌های دائمی و حافظه‌های مغناطیسی است.

منابـــع و مراجــــع

1. کتاب نانومواد نوشته دیتر ولاث، ترجمه دکتر حمیدرضا رضایی، مهدی مشرف جوادی و میثاق افشار پور، انتشارات دانشگاه علم و صنعت

2. کتاب نانوشیمی، روش‌های ساخت، بررسی خواص و کاربردها تالیف دکتر مسعود صلواتی نیاسری و زینب فرشته، انتشارات سخنوران دانشگاه کاشان

نظرات و سوالات

نظرات

1 -2

سارا کمالی - ‏۱۳۹۶/۰۱/۰۷

با سلام

در تصحیح نظر قبلی باید بیان کرد که اوربیتال های s p d f در زیرلایه ها قرار دارند

3 -1

سارا کمالی - ‏۱۳۹۶/۰۱/۰۷

باسلام

با تشکراز اطلاعات به اشتراک گذاشته شده با توجه به مطالب مطرح شده در کتاب فیزیک هالیدی جلددوم جهت نیروی وارد شده به الکترون عکس جهت تعیین شده توسط دست راست است درواقع میتوان بیان کرد که جهت این نیرو با استفاده از دست چپ تعیین میگردد.از جمله نکات دیگر میتوان به این موضوع اشاره کرد که الکترون ها در اوربیتال های موجود در زیرلایه های s p d fقرار میگیرند