برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۸/۰۹/۱۶ تا ۱۳۹۸/۰۹/۲۲

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۴,۶۴۹
  • بازدید این ماه ۵۰۴
  • بازدید امروز ۵
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۵۳۱
  • قبول شدگان ۴۳۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۷۲
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۵
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

پیشرفته 1

طرح درس

منابع دومین مرحله نهمین مسابقه ملی فناوری نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

خواص مغناطیسی مواد

پیشرفت علم مغناطیس باعث ایجاد تحولات عظیم در حوزه­‌های مختلف علم شده است. تولید موتورهای الکتریکی با کارآیی بهتر و ابعاد کوچک‌تر، حسگرها، حافظه‌های مغناطیسی و کاربردهای پزشکی (تشخیص و درمان) از کاربرد­هایی هستند که پیشرفت آن‌ها تا حد زیادی مرهون پیشرفت علم مغناطیس است. علم مغناطیس مانند بسیاری از علوم دیگر ارتباط تنگاتنگی با فناوری نانو دارد؛ به‌طوری‌که امکان بهینه‌سازی خواص مغناطیسی برای کاربردهای اشاره شده بدون استفاده از فناوری نانو وجود ندارد. برای درک عمیق نحوه تأثیر فناوری نانو بر خواص مغناطیسی باید ابتدا علت خواص مغناطیسی مواد و پارامترهای تعیین‌کننده این خواص مشخص شده و سپس با کمک آن، تأثیر فناوری نانو بر خواص را تعیین کرد. در این مقاله، به‌طور اجمالی به معرفی خواص مغناطیسی پرداخته می‌شود و عوامل مؤثر بر آن مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. سپس منبع میکروسکوپی خواص مغناطیسی، و همچنین منحنی‌های هیسترزیس، مواد سخت و نرم مغناطیس و فلزات و آلیاژهای مغناطیسی به‌طور مفصل مورد مطالعه قرار خواهند گرفت.


1- معرفی خواص مغناطیسی
عامل ایجاد میدان مغناطیسی، حرکت شتاب‌دار ذرات باردار است. این حرکت شتاب‌دار، دلیل اصلی ایجاد میدان مغناطیسی در یک سیم‌پیچ حامل جریان است. شکل 1 شمایی از تشابه میدان مغناطیسی ایجاد‌ شده در آهن‌ربا با سیم‌پیچ حامل جریان را نشان می‌دهد.

 

شکل 1- شمایی از تشابه میدان مغناطیسی ایجاد شده در (الف) آهن‌ربا با (ب) سیم‌پیچ حامل جریان.

 

منشأ خواص مغناطیسی ایجاد شده در مواد، حرکت ذرات باردار است. میدان مغناطیسی یک تابع برداری است. مطابق مدل اتمی بور، اتم‌های یک ماده از هسته و الکترون تشکیل شده است؛ به‌طوری‌که الکترون‌ها در مدارهای مشخص به دور هسته می‌چرخند. هر الکترون در حال حرکت، دارای دو نوع حرکت است که عبارتند از: (1) حرکت به دور هسته که باعث ایجاد دوقطبی مغناطیسی مداری (گشتاور مغناطیسی مداری) می‌شود؛ (2) حرکت وضعی به دور خود که که به آن، گشتاور مغناطیسی اسپینی هم اطلاق می‌شود. حرکت اسپینی، یک پدیده کوانتوم مکانیکی است. هر الکترون دارای مقدار مشخصی گشتاور اوربیتالی و اسپینی بوده و طبق تئوری کوانتوم، گشتاور‌های مغناطیسی مضاربی از مگنتون بور (µB) هستند که یک قانون تجربی به‌شمار می‌رود. به‌عنوان مثال، در اوربیتال s، الکترون اول +1 µB و الکترون دوم -1 µB را انتخاب می‌کند. گشتاور‌های مغناطیسی اسپینی فقط مقادیر 1+ و 1- مگنتون بور را اختیار می‌کنند. خواص مغناطیسی مواد، از هر دو نوع حرکت اسپینی و مداری الکترون‌های سازنده اتم‌ها سرچشمه می‌گیرد. البته، تأثیر حرکت اسپینی روی ایجاد خواص مغناطیسی بسیار بیشتر از حرکت مداری است. بنابراین، می‌توان هر الکترون را به‌صورت یک آهن‌ربای میله‌ای با دو قطب N و S در نظر گرفت. در جامدات امکان چرخش الکترون‌ها در برخی مسیرها وجود ندارد که در این حالت گفته می‌شود که گشتاور‌های اوربیتالی کونچ شده‌اند. در این شرایط، گشتاور‌های اوربیتالی از صحنه خارج شده و گشتاور اسپینی تعیین‌کننده خواص مغناطیسی خواهد بود. شکل 2 شمایی از حرکت‌های مداری، اسپینی و گشتاور مغناطیسی یک آهن‌ربا را نشان می‌دهد.

 


شکل 2- شمایی از تشابه گشتاور مغناطیسی یک آهن‌ربا با گشتاور مغناطیسی ناشی از حرکت اسپینی و مداری: (الف) نحوه حرکت اسپینی و گشتاور مغناطیسی ناشی از آن، (ب) حرکت مداری و گشتاور مغناطیسی ناشی از آن و (ج) گشتاور مغناطیسی یک آهن‌ربا.

 

2- منبع میکروسکوپی خواص مغناطیسی
نحوه پُر‌شدن اوربیتال‌ها در هر اتم یا یون به این صورت است که ابتدا الکترون­‌ها نیمی از اوربیتال را با یک جهت اسپینی خاص پر می‌کنند (نیمی از اروبیتال با الکترون‌هایی با اسپین موازی پر می‌شود). سپس، در هر اوربیتال نیمه‌پر، یک الکترون با اسپین مخالف در کنار الکترون‌های موجود قرار گرفته و اوربیتال پر می‌شود. برای مطالعه بیشتر در مورد اوربیتال به پیوست 1 مراجعه کنید. شکل 3 نحوه پر شدن اوربیتال‌ P در تعدادی از عناصر جدول تناوبی را نشان می‌دهد.

 


شکل 3- نحوه پر شدن اوربیتال‌ P در تعدادی از عناصر جدول تناوبی؛ تعداد الکترون‌ها به‌ترتیب از بالا به پایین افزایش می‌یابد.


درصورتی‌که هر اسپین به‌عنوان یک آهن‌ربای میله‌ای در نظر گرفته شود، دو جهت اسپینی مختلف، متناظر با دو آهن‌ربا با جهات مختلف خواهند بود که اثر مغناطیسی یک‌دیگر را خنثی می­‌کنند. بنابراین، اوربیتال­‌های پر شده خاصیت مغناطیسی ندارند. در نتیجه، اوربیتال­‎های نیمه‌پر، اساس خواص مغناطیسی مواد هستند. البته، تمامی عناصری که دارای اوبیتال­‌های نیمه‌پر هستند، خواص مغناطیسی از خود نشان نمی‌دهند. دلیل این موضوع، تشکیل پیوندهای کووالانسی است. پیوند­های کووالانسی از اشتراک اوربیتال­‌های نیمه‌پر با دو جهت اسپینی مختلف تشکیل می‌­شود؛ بنابراین، هنگامی‌که این عناصر با اتم دیگری از نوع خود، پیوند کووالانسی تشکیل می‌دهند، به‌دلیل آن‌که دارای اوربیتال نیمه‌پر نیستند، نمی‌توان آن‌ها را به‌عنوان مواد مغناطیسی در نظر گرفت. از طرفی، در فلزاتی با اوربیتال­‌های نیمه‌پر d مانند آهن، کبالت، نیکل و غیره، خاصیت مغناطیسی وجود دارد. به این دسته از جامدات فلزی، مواد فرومغناطیس گفته می‌شود. شکل 4 شمایی از اوربیتال‌های نیمه‌پر که عامل ایجاد خاصیت مغناطیسی در عنصر آهن هستند را نشان می‌دهد.   

 

شکل 4- شمایی از اوربیتال‌های نیمه‌پر که عامل ایجاد خاصیت مغناطیسی در عنصر آهن هستند.

 

یکی دیگر از دسته‌های مشهور مواد مغناطیسی، اکسیدهایی مانند مگنتیت (Fe3O4) هستند. این دسته از مواد مغناطیسی، از چندین یون تشکیل می‌شوند که جهت گشتاور مغناطیسی این یون‌ها در جهات مختلف، متفاوت است. با این ‌وجود، به‌دلیل غلبه گشتاور مغناطیسی در یک جهت خاص، این مواد دارای خاصیت مغناطیسی هستند. شکل 5 شمایی از گشتاور مغناطیسی در یون‌های سازنده مگنتیت را نشان می‌دهد.

 

filereader.php?p1=main_8e7ceabbba8b1a503cce555650fa2381.png&p2=edu_article&p3=1&p4=1
شکل 5- شمایی از گشتاور مغناطیسی در یون‌های سازنده مگنتیت؛ برآیند گشتاور مغناطیسی یون‌ها صفر نیست.

 

بر اساس ویژگی‌‌­های مغناطیسی، مواد مغناطیسی به دسته‌های مختلفی مانند مواد دیامغناطیس، آنتی فرومغناطیس و غیره تقسیم‌بندی می‌شوند. مواد دیامغناطیس موادی هستند که پوسته الکترونی پر دارند. در این مواد، گشتاور مغناطیسی مداری و گشتاور مغناطیسی اسپینی یک‌دیگر را خنثی می‌کنند؛ بنابراین، گشتاور مغناطیسی خالص (net magnetic moment) آن‌ها صفر است. در مواد فرومغناطیس، تک‌تک اتم‌ها دارای گشتاور هستند. هم‌چنین، گشتاور برخی قسمت‌ها هم‌راستا است که به آن‌ها حوزه (domain) گفته می‌شود. جهات این حوزه‌ها به‌صورت تصادفی بوده و اثر یک‌دیگر را خنثی می‌کنند. البته، امکان دست‌یابی به حوزه‌های هم‌راستا با اعمال میدان مغناطیسی وجود دارد. شکل 6 شمایی از حوزه‌های تصادفی و هم‌راستا را نشان می‌دهد.

 

شکل 6- شمایی از حوزه‌های تصادفی و هم‌راستا.

 

همان‌طور که در حالت عادی در آهن‌رباها مشاهده می‌شود، جهت‌گیری دو آهن‌ربا نسبت به یک‌دیگر به‌گونه‌ای است که قطب‌های ناهم‌نام در یک سمت قرار بگیرند. این موضوع باعث کاهش انرژی مغناطیسی می‌شود. در محدوده اتمی (حالت میکروسکوپی)، شرایط کاملاً متفاوت است، بدین صورت که در مواد فرومغناطیس و فری‌مغناطیس، به‌دلیل وجود انرژی تبادلی (Exchange Energy)، گشتاور­های مغناطیسی اتم‌ها در یک جهت قرار می‌گیرند. این انرژی در ابعاد میکروسکوپی وجود داشته و یک انرژی کوتاه‌برد است. این پدیده باعث مشاهده خاصیت مغناطیسی در بالک ماده می‌شود. شکل 7 شمایی از جهت‌گیری‌های متفاوت دو آهن‌ربا نسبت به هم در حالات بالک و میکروسکوپی را نشان می‌دهد.

 

شکل 7- شمایی از تفاوت رفتار دوقطبی مغناطیسی در حالت توده‌ای (بالک) در شکل (الف) با رفتار دوقطبی مغناطیسی در حالت میکروسکوپی در شکل (ب)؛ در حالت توده‌ای دوقطبی‌ها در جهت مخالف یک‌دیگر، و در حالت میکروسکوپی در یک جهت قرار می‌گیرند.

 

از لحاظ انرژی تبادلی، تمایل به قرارگیری گشتاور مغناطیسی اتم‌­ها در یک جهت وجود دارد. هنگامی‌که انرژی تبادلی، تمام گشتاور­ها در یک ماده بالک را در یک جهت قرار می‌دهد، انرژی مغناطیسی ماده تا حد بسیار زیادی افزایش پیدا می‌کند. از دیدگاه ترمودینامیکی، تمام مواد تمایل به کاهش انرژی خود و رسیدن به یک حالت پایدار دارند؛ بنابراین، امکان قرارگیری تمام گشتاور­های مغناطیسی اتم‌ها در یک جهت وجود ندارد. هم‌چنین، هم‌جهت‌شدن گشتاور­های مغناطیسی باعث افزایش انرژی مگنتواستاتیک (Magnetostatic energy) می‌شود. انرژی مگنتواستاتیک، به انرژی پتانسیل مغناطیسی تولید شده هنگام قرار گرفتن جسم مغناطیس در میدان مغناطیسی گفته می‌شود. شکل 8 شمایی از شرایط مختلف قرارگیری گشتاورهای مغناطیسی را نشان می‌دهد. طبق قسمت (الف) شکل 8، اگر تمام گشتاورهای مغناطیسی اتم‌­ها در یک جهت قرار بگیرند، باعث ایجاد میدان مغناطیسی بزرگی می‌شوند. در قسمت (ب) شکل 8، با تقسیم ناحیه هم‌جهت به دو ناحیه، بزرگی میدان تا حد قابل ملاحظه‌ای کاهش می­‌یابد. قسمت (ج) نشان دهنده تشکیل چند ناحیه با جهت‌گیری‌های مختلف است که در این شرایط میدان مغناطیسی خارجی صفر شده و سیستم به پایین‌ترین مقدار انرژی می‌رسد.    

 


شکل 8- شمایی از شرایط مختلف قرارگیری گشتاورهای مغناطیسی؛ میدان و انرژی مغناطیسی از حالت (الف) تا (ج) به‌طور پیوسته کاهش می‌یابد.

 

با توجه به مطالب گفته شده، در مواد مغناطیسی به‌دلیل وجود انرژی‌های تبادلی و مگنتواستاتیک، نواحی خاصی وجود دارند که جهت اسپین اتم­‌ها در آن‌ها، یکسان است. به این نواحی حوزه (Domain) مغناطیسی گفته می­‌شود. عامل ایجاد میدان مغناطیسی در هر حوزه، مغناطش اتم‌ها است. مغناطش (magnetization) به مقدار گشتاور‌های مغناطیسی موجود در حجم ماده که هم‌راستا شده‌اند، گفته می‌شود. اگر همه گشتاور‌های ماده با میدان خارجی هم‌راستا شوند، مغناطش به‌حد اشباع (Ms) می‌رسد. جهت میدان مغناطیسی درون هر حوزه، ثابت و مشخص است؛ اما جهات میدان‌های مغناطیسی در حوزه‌های متفاوت، مختلف بوده و این میدان‌ها به‌گونه‌ای جهت‌گیری می‌کنند تا جمع برداری مغناطش ناشی از آن‌ها صفر شود. در این شرایط، ماده خاصیت مغناطیسی نشان نمی­‌دهد. شکل 9 شمایی از حوزه‌های موجود در یک ماده مغناطیسی را نشان می‌دهد.

 

 
شکل 9- شمایی از حوزه‌های موجود در یک ماده مغناطیسی: (الف) گشتاور مغناطیسی ناشی از اتم‌ها؛ درون هر حوزه، به تعداد اتم‌ها، گشتاور مغناطیسی وجود دارد. (ب) جهات ثابت گشتاور در هر حوزه. هر حوزه توسط مرزهایی از حوزه‌های دیگر جدا می‌شود.

 

دلیل ایجاد مواد زیادی با خاصیت مغناطیسی (یعنی دارای مغناطش)، اعمال میدان مغناطیسی خارجی است. با اعمال میدان خارجی، حوزه‌های هم‌راستا با هم، یا هم‌راستا با میدان اعمالی در ازای کاهش حوزه‌های غیرهم‌راستا با میدان مغناطیسی، رشد کرده و باعث ایجاد خاصیت مغناطیسی در ماده می‌شوند. دو مکانیزم اصلی در هم‌راستایی گشتاور‌ها با اعمال میدان خارجی وجود دارد که عبارتنداز:

(1) چرخش گشتاور‌ها: همواره یک سد انرژی در برابر حرکت گشتاور‌ها در حوزه‌ها وجود دارد که با رفع آن‌، گشتاور‌ها به‌طور ناگهانی تغییر جهت داده و هم‌راستای میدان اعمالی می‌شوند.

(2) حرکت دیواره‌ها: دیواره‌ها حرکت کرده و باعث رشد حوزه‌هایی می‌شوند که در آن‌ها جهت گشتاور‌ها نزدیک به جهت میدان خارجی است. حوزه‌هایی که تفاوت جهت آن‌ها با میدان زیاد است، رفته‌رفته کوچک‌تر می‌شوند.   

شکل 10 شمایی از تفاوت حوزه‌های تحت میدان مغناطیسی و بدون میدان مغناطیسی خارجی را نشان می‌دهد.    

 


شکل 10- شمایی از تفاوت حوزه‌های تحت میدان مغناطیسی و بدون میدان مغناطیسی خارجی: طبق تصاویر، حوزه‌های هم‌راستا با جهت میدان اعمالی، در ازای کوچک‌تر شدن حوزه‌های غیرعم‌راستا با میدان، رشد می‌کنند.

 

3- منحنی‌های هیسترزیس
منحنی هیسترزیس، یک منحنی برای نشان دادن نحوه مغناطیسی شدن ماده برحسب میدان مغناطیسی اعمالی است. امکان استخراج پارامتر­های مختلف مغناطیسی از این منحنی وجود دارد. شکل 11 قسمتی از منحنی‌ هیسترزیس را نشان می‌­دهد. با درنظر گرفتن یک ماده مغناطیسی که در ابتدا هیچ‌گونه مغناطشی ندارد، می‌توان مشاهد کرد که با اعمال میدان مغناطیسی (H)، ابتدا حوزه‌های هم‌راستاتر با میدان خارجی، در ازای کاهش حجم حوزه‌های ناهمسوتر رشد می­‌کنند تا یک ماده تک‌حوزه (Single domain) حاصل شود. در ادامه، تنها حوزه موجود در ماده تک‌حوزه به‌طور کامل می‌‌چرخد تا در جهت میدان مغناطیسی قرار بگیرد. در این حالت، بیشینه مقدار مغناطیس در ماده مغناطیسی ایجاد ‌می‌­شود که به آن، مغناطش اشباع (Bs) گفته می‌شود.

 

filereader.php?p1=main_1beba380ee4c1d4c4ed313f3c6345fb5.png&p2=edu_article&p3=1&p4=1
شکل 11- منحنی هیسترزیس که میدان اعمالی در آن با (H) و میدان القایی با (B) نمایش داده می‌شود. پیکان‌ها نشان‌دهنده جهت گشتاور مغناطیسی در حوزه‌ها هستند.

 

با کاهش میدان مغناطیسی پس از رسیدن مقدار مغناطیس ماده به مقدار مغناطش اشباع، مقدار مغناطیس به حالت اولیه بازنگشته و مسیر برگشت هم مشابه مسیر ابتدایی (مسیر رفت) نخواهد بود. در این شرایط، حتی با صفر شدن میدان مغناطیسی اعمالی، مقداری مغناطش درون ماده باقی خواهد ماند که به آن مغناطش پسماند (BR) گفته می‌شود. مغناطش پسماند توجیه‌کننده دلیل دارا بودن مغناطش در برخی مواد، با حذف میدان مغناطیسی خارجی است. شکل 12 شمایی از باقی‌ماندن بخشی از حوزه‌های هم‌راستا با میدان مغناطیسی اعمالی را نشان می‌دهد.

 

filereader.php?p1=main_7e3c61eceadfc75e0ee1ba68cd03b9d9.png&p2=edu_article&p3=1&p4=1

شکل 12- شمایی از باقی‌ماندن بخشی از حوزه‌های هم‌راستا با میدان مغناطیسی اعمالی، پس از حذف میدان. باقی‌ماندن این حوزه‌ها باعث ایجاد مغناطش پسماند در ماده می‌شود.


درصورتی‌که جهت میدان خارجی اعمالی برعکس شود، مغناطش پسماند کاهش می‌یابد و با افزایش میدان خارجی، مغناطش داخلی پسماند به صفر می‌رسد. به میدان خارجی اعمالی که توانایی صفر کردن مقدار مغناطش موجود در ماده را داشته باشد، کوئرسیویتی (coercivity) اطلاق می‌شود. پس از صفر شدن مغناطش داخلی، با ادامه اعمال میدان، مغناطش معکوس در ماده ایجاد شده که در نهایت منجر به وقوع مغناطش اشباع معکوس می‌شود. مقدار این مغناطش اشباع معکوس دقیقاً برابر با مغناطش اشباع مستقیم بوده و تنها تفاوت‌ بین آن‌ها، جهات مختلف آن‌ها است. شکل 13 منحنی هیسترزیس و پارامترهای مهم آن را نشان می‌دهد. طبق این شکل، تغییر جهت میدان (برگشت به جهت اولیه)، باعث تشکیل حلقه هیسترزیس آبی‌رنگ می‌شود. منحنی خط‌چین نشان داده شده در شکل 13، فقط در اولین مرحله اعمال میدان مغناطیسی ایجاد شده و مسیر طی شده در مراحل بعد، یک حلقه هیسترزیس پیوسته را تشکیل می‌دهد.

 


شکل 13- منحنی هیسترزیس و پارامترهای مهم آن؛ امکان وقوع منحنی خط‌چین فقط در اولین مغناطش وجود دارد.

 

در مبحث مغناطیس، علائم و مفاهیم مختلفی وجود دارد که در برخی موارد، زیاد شدن این علائم باعث سردرگمی و اشتباه در تحلیل درست خواص مغناطیسی می‌شود. میدان مغناطیسی اعمالی با H نشان داده می‌شود و واحد آن، آمپر بر ثانیه است. نکته قابل توجه این‌که واحد میدان مغناطیسی از جنس مغناطیس (یعنی مشابه مغناطیس) نیست. در محور عمودی از B یا M استفاده می‌شود. این علائم با یک‌دیگر تفاوت‌­هایی دارند؛ به‌طوری‌که واحد M مشابه با H بوده، درحالی‌که واحد B مشابه مغناطیس است. حلقه (Loop) هیسترزیس نشان‌دهنده مشخصات ماده بوده و از این منحنی‌های هیسترزیس برای مطالعه رفتار مغناطیسی مواد استفاده می‌شود. پارامترهای مغناطش اشباع، مغناطش پسماند و کئورسیویتی به ترتیب با Ms، Mr  و Hc نشان داده می‌شوند. شکل 14 پارامترهای مغناطش اشباع، مغناطش پسماند و کئورسیویتی را روی منحنی هیسترزیس نشان می‌دهد. هم‌چنین، شیب ابتدای منحنی مغناطش که در شکل 14 با رنگ سبز نشان داده شده است، معرف پارامتری به نام نفوذپذیری (permeability) است.

 

filereader.php?p1=main_fa8b547a57dbc75e3a62398ef010fe07.png&p2=edu_article&p3=1&p4=1
شکل 14- نمایش پارامترهای مهم در منحنی‌های هیسترزیس: مغناطش اشباع، مغناطش پسماند و کئورسیویتی. امکان توجیه بسیاری از خواص مواد مغناطیسی با این پارامترها وجود دارد.

 

تغییرات دما باعث ایجاد تغییراتی در حلقه پسماند می‌شود؛ به‌طوری‌که با افزایش دما سطح محصور در این حلقه کاهش یافته و با کاهش دما مساحت آن افزایش می‌یابد.

میزان قدرت یک مغناطیس دائمی، به اندازه حلقه پسماند آن بستگی دارد. دو مشخصه مهم در تعیین کاربرد مواد مغناطیسی عبارتند از: کئورسیویتی و بزرگی انرژی (قدرت مگنت) که با BH)max) نشان داده می‌­شود. قدرت مگنت متناظر است با مساحت بزرگترین مستطیل تشکیل شده بین محورهای B و H که در داخل ربع دوم منحنی پسماند قرار می‌گیرد. هرچه مساحت این ناحیه بزرگ‌تر باشد، ماده از لحاظ مشخصه­‌های مغناطیسی سخت­‌تر خواهد بود (مغناطیس سخت). شکل 15 نشان‌دهنده نحوه محاسبه مساحت مستطیل تشکیل شده بین محورهای B و H است که در داخل ربع دوم منحنی پسماند قرار می‌گیرد.

 

شکل 15- نحوه محاسبه مساحت مستطیل تشکیل شده بین محورهای B و H که در داخل ربع دوم منحنی پسماند قرار می‌گیرد.

 

4- مواد نرم و سخت مغناطیس
مواد فرومغناطیس و فری‌مغناطیس به دو دسته مواد سخت و نرم تقسیم می‌­شوند. مواد سخت مغناطیس، به موادی گفته می‌شود که به سختی مغناطیسی می‌شوند؛ یعنی برای ایجاد مغناطش در آن‌ها نیاز به اعمال میدان مغناطیسی قوی است. این مواد، همان‌گونه که به‌سختی مغناطیسی می‌شوند، خاصیت مغناطیسی خود را هم به‌سختی از دست می‌دهند. هم‌چنین، برای تغییر جهت میدان مغناطش در مواد سخت، نیاز به اعمال میدان مغناطیسی بسیار قوی وجود دارد. از این مواد به‌طور گسترده‌ای برای کاربرد­هایی استفاده می‌شود که نیاز به یک مغناطیسی دائمی وجود دارد. به‌عنوان مثال، مواد مغناطیسی سخت برای ساخت آهن‌رباهای دائمی مورد استفاده قرار می­‌گیرند که کاربرد عمده آن‌ها در ساخت بلندگوها، موتور­های الکتریکی، حسگرها و غیره است. پارامتر کئورسیویتی (میدان پسماندزدا) در مواد مغناطیسی سخت، بیشترین مقدار را دارد. به‌طور کلی، هرچه مقدار این پارامتر بیشتر باشد، ماده مغناطیس سخت‌تر خواهد بود. در مواد مغناطیس سخت، حلقه هیسترزیس پهن‌تر بوده و پارامترهای MR و Hc در آن‌ها زیاد است. برای دست‌یابی به ماده سخت مغناطیس، باید کئورسیویتی افزایش یابد. برای افزایش کئورسیویتی، باید مکانیزم چرخش غالب شود. به‌این منظور، باید ذرات سازنده ماده را به‌قدری ریز کرد که ذرات به‌صورت تک‌دامنه درآمده و دیواره نداشته باشند. البته، ابعاد تک‌دامنه شدن ماده، بستگی به نوع ماده دارد. درصورتی‌که ریز کردن ذرات ادامه یابد، کئورسیویتی مجدداً کاهش می‌یابد که در این حالت ماده خاصیت پارامگنت پیدا می‌کند. به این پدیده سوپرپارامغناطیس (Superparamagnetism) هم گفته می‌شود.

در سویی دیگر، مواد مغناطیسی نرم، موادی هستند که به‌راحتی مغناطیسی شده و به‌ همان راحتی خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. ویژگی دیگر این مواد، امکان تغییر آسان جهت مغناطش در آن‌ها است. از این مواد برای کاربر­های غیردائمی یا کاربردهایی که نیاز به تغییر مداوم جهت میدان وجود دارد، استفاده می‌شود. البته، امکان بهبود مشخصه‌­های پسماند مواد مغناطیسی نرم با انجام عملیات حرارتی مناسب در حضور میدان خارجی وجود دارد. مقاومت ویژه الکتریکی، یکی از مهم‌ترین پارامتر­هایی است که باید در مواد مغناطیسی نرم مورد توجه قرار گیرد. علاوه بر انرژی اتلاف پسماند، امکان اتلاف انرژی از طریق جریان­‌های الکتریکی القا شده در ماده مغناطیسی بر اثر میدان مغناطیسی متغیر با زمان وجود دارد. اتلاف انرژی ناشی از این جریان­‌ها، به‌صورت گرمای ژول ظاهر شده و در فرکانس­‌های بالا مقدار بسیار قابل‌توجهی دارند. بیشینه‌سازی مقدار مقاومت ویژه، یک راهکار برای کاهش اتلاف انرژی در مغناطیس­‌های نرم، به‌شمار می‌رود. کاربردهای مغناطیس‌های نرم عبارتند از: ژنراتورها، موتورها، مبدل‌ها، آهن‌رباهای الکتریکی و جرثقیل‌ها. برای تولید یک ماده مغناطیسی نرم، باید نفوذپذیری بیشترین و کئورسیویتی کمترین مقدار را داشته باشند. به‌طور کلی، در کاربردهای مختلف مواد مغناطیس نرم و سخت، نیاز به بیشینه مقدار مغناطش اشباع وجود دارد. شکل 16 تفاوت بین منحنی‌های هیسترزیس مغناطیس‌های نرم و سخت را نشان می‌دهد.

 

filereader.php?p1=main_4ced3182a94e444bd0180bd4e578c4bb.png&p2=edu_article&p3=1&p4=1
شکل 16- تفاوت بین منحنی‌های هیسترزیس مغناطیس‌های نرم و سخت.

 

5- فلزات و آلیاژهای مغناطیسی
از فلزاتی مانند آهن، کبالت و نیکل خالص برای کاربرد­های مغناطیسی استفاده می‌شود. این فلزات دارای رسانایی الکتریکی زیاد و حلقه‌­های پسماند نسبتاً بزرگ هستند که باعث اتلاف­ زیاد در آن‌ها می­‌شود. این مواد از دسته مغناطیس‌­های دائمی نسبتاً ضعیف به‌شمار می‌روند که حاصل‌ضرب B.H آن‌ها نسبت به آلیاژ­ها کوچک‌تر است. امکان بهبود خواص مغناطیسی این فلزات، با وارد کردن عیوب به آن‌ها وجود دارد. نابه‌جایی‌ها، مرزدانه‌­ها، مرز­های فرعی و عیوب نقطه‌­ای مانند تهی‌جایی‌ها از جمله عیوبی هستند که به قفل شدن مرز­های دامنه‌ها (حوزه‌ها) کمک کرده و باعث بهبود خواص مغناطیسی می‌شوند. هم‌چنین، با ترکیب این فلزات با مواد مختلف می‌توان به آلیاژهایی با خواص مغناطیسی متنوع و بهتر دست‌یافت. به‌عنوان مثال، افزودن سیلیس به آهن باعث ایجاد ناهمسان‌گردی مغناطیسی می‌شود.

 

 نتیجه‌گیری
پیشرفت علم مغناطیس باعث ایجاد تحولات عظیم در حوزه­‌های مختلف علم شده است. علم مغناطیس مانند بسیاری از علوم دیگر ارتباط تنگاتنگی با فناوری نانو دارد. در این مقاله به بررسی خواص مغناطیسی، منبع میکروسکوپی خواص مغناطیسی، منحنی‌های هیسترزیس و هم‌چنین، مواد سخت و نرم مغناطیس و فلزات و آلیاژهای مغناطیسی پرداخته شد. گفته شد که عامل ایجاد میدان مغناطیسی، حرکت شتاب‌دار ذرات باردار است. اشاره شد که خواص مغناطیسی مواد، از هر دو نوع حرکت اسپینی و مداری الکترون‌های سازنده اتم‌ها سرچشمه می‌گیرد. البته، تأثیر حرکت اسپینی روی ایجاد خواص مغناطیسی بسیار بیشتر از حرکت مداری است. گفته شد که اوربیتال­‌های نیمه‌پر، اساس خواص مغناطیسی مواد هستند. تأکید شد که تمامی عناصری که دارای اوبیتال­‌های نیمه‌پر هستند، خواص مغناطیسی از خود نشان نمی‌دهند. اشاره شد که بر اساس ویژگی‌‌­های مغناطیسی، مواد مغناطیسی به دسته‌های مختلفی مانند مواد دیامغناطیس، آنتی فرومغناطیس و غیره تقسیم‌بندی می‌شوند. گفته شد که در مواد مغناطیسی به‌دلیل وجود انرژی‌های تبادلی و مگنتواستاتیک، نواحی خاصی وجود دارند که جهت اسپین اتم­‌ها در آن‌ها، یکسان است؛ به این نواحی حوزه مغناطیسی گفته می­‌شود. عامل ایجاد میدان مغناطیسی در هر حوزه، مغناطش اتم‌ها است. دو مکانیزم اصلی در هم‌راستایی گشتاور‌ها با اعمال میدان خارجی وجود دارد که عبارتند از: چرخش گشتاور‌ها و حرکت دیواره‌ها. گفته شد که منحنی هیسترزیس، یک منحنی برای نشان دادن نحوه مغناطیسی شدن ماده برحسب میدان مغناطیسی اعمالی است. تأکید شد که مغناطش پسماند توجیه‌کننده دلیل دارا بودن مغناطش در برخی مواد، با حذف میدان مغناطیسی خارجی است. در صورتی‌که جهت میدان خارجی اعمالی برعکس شود، مغناطش پسماند کاهش می‌یابد و با افزایش میدان خارجی، مغناطش داخلی پسماند به صفر می‌رسد. به میدان خارجی اعمالی که توانایی صفر کردن مقدار مغناطش موجود در ماده را داشته باشد، کوئرسیویتی اطلاق می‌شود. گفته شد که تغییرات دما باعث ایجاد تغییراتی در حلقه پسماند می‌شود؛ به‌طوری‌که با افزایش دما سطح محصور در این حلقه کاهش یافته و با کاهش دما مساحت آن افزایش می‌یابد. دو مشخصه مهم در تعیین کاربرد مواد مغناطیسی عبارتند از: کئورسیویتی و بزرگی انرژی (قدرت مگنت). اشاره شد که مواد فرومغناطیس و فری‌مغناطیس به دو دسته مواد سخت و نرم تقسیم می‌­شوند. مواد سخت مغناطیس، به موادی گفته می‌شود که به سختی مغناطیسی می‌شوند. مواد مغناطیسی نرم، موادی هستند که به‌راحتی مغناطیسی شده، و به‌ همان راحتی خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. گفته شد که از فلزاتی مانند آهن، کبالت و نیکل خالص برای کاربرد­های مغناطیسی استفاده می‌شود. این فلزات دارای رسانایی الکتریکی زیاد و حلقه‌­های پسماند نسبتاً بزرگ هستند.

 

پیوست‌ها

پیوست 1

اوربیتال یک تابع ریاضی است که رفتار موجی‌مانند یک الکترون یا یک جفت الکترون در اتم را توضیح می‌دهد. از این تابع برای محاسبه احتمال حضور الکترون در یک اتم در مناطق خاصی در اطراف هسته استفاده می‌شود.

 

منابـــع و مراجــــع

Leslie-Pelecky, Diandra L., and Reuben D. Rieke. "Magnetic properties of nanostructured materials." Chemistry of materials 8, no. 8 (1996): 1770-1783.

Obaidat, Ihab, Bashar Issa, and Yousef Haik. "Magnetic properties of magnetic nanoparticles for efficient hyperthermia." Nanomaterials 5, no. 1 (2015): 63-89.

Varykhalov, A., J. Sánchez-Barriga, A. M. Shikin, C. Biswas, E. Vescovo, A. Rybkin, D. Marchenko, and O. Rader. "Electronic and magnetic properties of quasifreestanding graphene on Ni." Physical review letters 101, no. 15 (2008): 157601.

Chowdhury, Suman, and Debnarayan Jana. "A theoretical review on electronic, magnetic and optical properties of silicene." Reports on Progress in Physics 79, no. 12 (2016): 126501.

Karimi, Z., Y. Mohammadifar, H. Shokrollahi, Sh Khameneh Asl, Gh Yousefi, and L. Karimi. "Magnetic and structural properties of nano sized Dy-doped cobalt ferrite synthesized by co-precipitation." Journal of Magnetism and Magnetic Materials 361 (2014): 150-156.

Reddy, V. Annapu, N. P. Pathak, and R. Nath. "Particle size dependent magnetic properties and phase transitions in multiferroic BiFeO3 nano-particles." Journal of Alloys and Compounds 543 (2012): 206-212.

Fei, Chunlong, Yue Zhang, Zhi Yang, Yong Liu, Rui Xiong, Jing Shi, and Xuefeng Ruan. "Synthesis and magnetic properties of hard magnetic (CoFe2O4)–soft magnetic (Fe3O4) nano-composite ceramics by SPS technology." Journal of Magnetism and Magnetic Materials 323, no. 13 (2011): 1811-1816.