مقاله در مورد مواد پارامغناطیس فرومغناطیس

مواد پارامغناطیس
مواد پارامغناطیس گروهی از مواد هستند که موجب تقویت جزئی میدان مغناطیسی می شوند، یعنی اگر در داخل سیم پیچی، ماده ای از جنس پارامغناطیسی قرار دهیم، در این صورت میدان مغناطیسی تقویت می شود، هر چند این تقویت به اندازه مواد [فقط کاربران عضو میتوانند این لینک را مشاهده نمایند . ] نیست، اما قابل توجه است. به بیان دیگر، در مباحث مغناطیسی کمیتی به نام پذیرفتاری مغناطیسی تعریف می شود که نمادی از تقویت یا تضعیف میدان مغناطیسی است.

پارامغناطیس شکل ضعیفی از خاصیت مغناطیسی است. اتمهای مواد پارامغناطیس گشتاور دو قطبی مغناطیسی دائمی دارند که در میدان مغناطیسی خارجی دو قطبیها را با یکدیگر همسو کرده و میدان را تا اندازه ای تقویت می کنند. ماده پارامغناطیس در میدان مغناطیسی غیریکنواخت، به طرف ناحیه قویتر کشیده می شود.

در این مواد حرکت و جنبش دوقطبی ها راحت‎تر و آسانتر است. هنگامی که این مواد را در میدان مغناطیسی قرار می‎دهیم، بر دوقطبی های آن نیرو وارد می‎شود و تعداد زیادی از آنها در خطوط میدان به طوری که قطب‎های شمال در جهت خطوط قرار می گیرند. این امر سبب می شود که این مواد به آهنربایی قوی تبدیل شود؛ اما چون حرکت و جنبش این دو قطبی ها سریع است، با برداشتن این مواد از میدان مغناطیسی، این دوقطبی ها به سرعت از مسیر خطوط خارج می‎شود و به حالت کاتوره ای و سمت گیری های غیر مشخص و غیر منظم قبلی برمی‎گردد و در خارج از خطوط میدان به سرعت خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‎دهد؛ به عبارتی خاصیت پارامغناطیس خاصیت جذب شدن به وسیلهٔ یک مغناطیس را گویند.

تمام فلزات دارای یک اثر پارامغناطیس ضعیف می باشند که به دما وابسته نیست و با توجه به نظریه الکترون آزاد و گشتاور مغناطیسی اسپین ذاتی الکترونهای آزاد توجیه می شود. محدوده حرکت الکترونهای آزاد در نوارهای انرژی است، در مرز این نواحی، امواج الکترون بوسیله بلور بازتاب براگ می کند که سبب بوجود آمدن گاف انرژی می شود. این گافهای انرژی در تعیین عایق یا رسانا بودن جسم اهمیت زیادی می دارند. مواد پارامغناطیس: آلومینیوم، پلاتین، منگنز، نیکل، دی اکسیدکربن، فلزهای قلیایی و قلیایی خاکی، اکسیژن و اکسید ازت.

در مواد[فقط کاربران عضو میتوانند این لینک را مشاهده نمایند . ] پذیرفتاری مغناطیسی، کمیتی منفی است و میدان مغناطیسی در اثر حضور چنین ماده ای تضعیف می شود، اما در مورد مواد پارامغناطیس، تراوایی مغناطیسی، مقداری مثبت است. بنابراین در حضور این ماده، میدان تقویت می شود، هر چند این تقویت به اندازه مواد [فقط کاربران عضو میتوانند این لینک را مشاهده نمایند . ] نخواهد بود.

مواد پارامغناطیس (paramagnetic) تاحدی بین مواد [فقط کاربران عضو میتوانند این لینک را مشاهده نمایند . ] و مواد [فقط کاربران عضو میتوانند این لینک را مشاهده نمایند . ] قرار میگیرند. این مواد به طور اندکی جذب میدان مغناطیسی می گردند و در اثر قطع میدان مغناطیسی خارجی ، خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهند. مواد حاجبی (contrast agent) که در MRI استفاده میگردد پارامغناطیس هستند.

خاصیت پارامغناطیسی
اگر نمونه ای از ماده شامل N اتم، را که گشتاور دو قطبی مغناطیسی هر کدام M است، در یک میدان مغناطیسی قرار دهیم، دو قطبی های اولیه اتم می کوشند با میدان مغناطیسی همسو شوند. این تمایل به همسو شدن را خاصیت پارامغناطیسی می گویند.

شرط پارامغناطیسی بودن
برای آنکه دستگاهی خواص پارامغناطیسی از خود بروز دهد، اتمها یا مولکولهای آن دستگاه باید گشتاورهای مغناطیسی دائمی داشته، و این گشتاورها تمایل داشته باشند که با میدان اعمال شده همسو شوند. گشتاورهای مولکولی مختلف واجفت شده هستند، یعنی هر یک حول میدان مغناطیسی بطور انفرادی و نه بطور هماهنگ حرکت تقدیمی می کنند، ولی به علت تماس گرمایی با محیط اطراف خود می توانند مبادله انرژی کنند. جز در دمای نزدیک به صفر مطلق توام با میدانهای بسیار قوی، مغناطش از مقدار مربوط به حالت اشباع آن که در آن حالت تمام گشتاورهای دو قطبی همسو هستند، بسیار کمتر است.

قانون کوری
در سال 1895 پیر کوری بطور تجربی کشف کرد که مغناطش M (گشتاور دو قطبی مغناطیسی در واحد حجم ماده) یک ماده پارامغناطیس با میدان مغناطیسی (B)، یعنی میدان مغناطیسی موثر که نمونه در آن قرار گرفته است، نسبت مستقیم و با دمای کلوین (T) نسبت معکوس دارد. این بیان به عنوان قانون کوری معروف است. این قانون از لحاظ فیزیکی از این جهت قابل قبول است که افزایش B باعث همسو شدن دو قطبی های اولیه در نمونه می شود و M (مغناطش) را افزایش می دهد، در حالی که افزایش T این همسویی را به هم می زند و M را کاهش می دهد. قانون کوری در صورتی که نسبت B/T خیلی بزرگ نباشد، از نظر تجربی تائید شده است.

فرومغناطیس – Ferromagnetic
فرومغناطیس، توانایی موادی خاص برای بروز میدان مغناطیس در غیاب میدان مغناطیسی خارجی است. این میدان، میدان مغناطیس خود به خود نامیده میشود. در بین عناصر جدول تناوبی تنها اهن، کوبالت، نیکل، و گادولنیوم در دماهای عادی فرومغناطیس هستند. اما الیاژها و ترکیبات پرشماری را با خاصیت فرومغناطیسی یافته میشود که برخی به شکل طبیعی وجود دارند و برخی مصنوعی هستند.

کار کرد موتورها، ترانسفورماتور ها، بیشتر وسایط ضبط و بلند گو بر اساس استفاده از مواد فرومغناطیس است. پدیده فرومغناطیس تنها در دماهای پایین تر از دمایی که به دمای کوری Tc معروف است و به جنس ماده بستگی دارد ظاهر میشود. اکسید فرومغناطیس مثل مگنتیت که در پوسته زمین به صورت طبیعی وجود دارند، پس از فعالیت اتش فشانی سرد و فرومغناطیس میشوند و جهت میدان مغناطیسی ان لحظه را در خود حفظ میکند. درست همانطور که موسیقی و یا داده ها روی نوار مغناطیسی ضبط میشوند، سابقه حرکت قاره ها در مواد فرومغناطیس پوسته زمین ثبت شده است.

این نوع فرومغناطیس های طبیعی از زمان باستان شناخته شده بود، و کاربرد ان ها به صورت قطب نما نقش مهمی در جهت یابی و کشف سرزمین های ناشناخته داشته است.

فرومغناطیس، ناشی از دو خاصیت بنیادی و مرتبط با هم، الکترون است: گشتاور مغناطیسی دوقطبی الکترون و لزوم تبعیت ان از اصل طرد پاولی. گشتاور دوقطبی مغناطیسی الکترون، مشابه با گشتاور دوقطبی ای است که بر اثر عبور جریان از حلقه ی سیم تولید میشود، اما درست نیست که فکر کنیم این گشتاور در نتیجه ی چرخش بار الکترون پدید می اید. در واقع این گشتاور، خاصیت بنیادی و کوانتومی الکترون است. اندازه ی ان بسیار کوچک است و بر حسب تفاوت انرژی بین دو حالتی بیان میشود که گشتاور با میدان مغناطیسی خارجی هم جهت یا در جهت مخالف ان است. عامل موثر در شکل گیری ساختار اتم و جدول تناوبی، اصل طرد پاولی است.

تبعیت از این اصل معمولا باعث میشود که در پوسته های پرنشده ی اتمی، تا انجا که امکان پذیر است گشتاورهای دوقطبی مغناطیسی الکترون ها با هم موازی باشند. در نتیجه، بسیاری از اتم ها گشتاور مغناطیسی ای دارند که ترکیبی است از گشتاور های مغناطیسی ذاتی الکترون ها و گشتاور حاصل از حرکت ان ها به دور هسته.

در سال 1928 ورنر هایزنبرگ نشان داد اصل طرد پاولی میتواند طوری کار کند که موازی بودن یا پاد موازی بودن گشتاورهای مغناطیسی اتم ها در ماده جامد ترجیح داشته باشد. او توانست چنین اثری را به صورت برهم کنش بین گشتاورهای دوقطبی مغناطیسی اتم های مجاور بیان کند. این برهم کنش ضریب ثابتی دارد که هایزنبرگ انرا با J نمایش داد و امروز به ثابت تبادل هایزنبرگ معروف است. ثابت میدان مولکولی را میتوان مستقیما از ضریب J هایزنبرگ بدست اورد. موادی که ضریب J هایزنبرگ در انها موجب پادموازی بودن گشتاور ها میشود، پادفرومغناطیس (دو قطبی ها گشتاورهای مساوی و در جهت خلاف هم دارند، و معمولاً الکترون آزاد ندارند) نامیده میشوند.

در برخی موارد، گشتاورهای دوقطبی مغناطیسی اتم های مجاور با هم متفاوت است، که در این صورت بعد از پادموازی شدن گشتاورها در مجموع با مغناطیدگی روبرو میشویم. این مواد را که بسیاری از خواص شان با مواد فرومغناطیس یکی است، فری مغناطیس میگویند.

با ان که فرومغناطیس را با وجود میدان مغناطش M در غیاب میدان مغناطیسی خارجی تعریف میکنیم، ماده فرومغناطیس در بیرون از خود ممکن است میدان مغناطیسی القایی کوچکی ایجاد کند. اگرچه برای نمونه ای که مغناطش یکنواخت دارد میدان خارجی باید وجود داشته باشد، چنین وضعیتی برای بیشتر شکل های نمونه ای ممکن است از نظر انرژی مناسب نیست. در حالتی که ماده مغناطیسی به ناحیه هایی کوچک موسوم به حوزه های مغناطیسی (مجموعه از دوقطبی های مغناطیسی که در یک استا قرار دارند) که مغناطش در هر کدام از انها حداکثر مقدار را دارد تقسیم شود و ارایش این حوزه ها هم طوری باشد که میدان مغناطیسی در بیرون از نمونه به حداقل برسد، با حالت انرژی کمتر روبرو میشویم.

اندازه حوزه ها و اسانی شکل گیری ان ها در بین مواد فرومغناطیس متفاوت است. به عبارتی مواد فرومغناطیس دارای خاصیت مغناطیسی دائم می باشند.