خواص مغناطیسی مواد

۱-مقدمه

با رسیدن ابعاد مواد به مقیاس نانو تغییرات گسترده‌ای در خواص فیزیکی و شیمیایی مواد مشاهده می‌شود. از جمله تغییرات خواص فیزیکی در نانومواد می‌توان به تغییر خواص نوری، مغناطیسی، مکانیکی و الکتریکی اشاره کرد. برای فهم تغییر در هر یک از این خواص ابتدا باید آن خاصیت و پدیده‌های مربوط به آن را بررسی نمود و سپس تاثیر رسیدن ابعاد مواد به مقیاس نانو در تغییر آن خاصیت را مطالعه کرد. در این قسمت ابتدا خاصیت مغناطیسی و انواع مواد طبق خواص مغناطیسی بررسی شده و سپس نانومواد مغناطیسی تعریف و توضیح داده می‌شود.

۲- منشاء خاصیت مغناطیسی در مواد

مطابق شکل۱ منشاء خاصیت مغناطیسی به اسپین الکترون‌ها به دور خود و همین‌طور به دور هسته برمی‌گردد (که سهم اولی بیشتر است). در واقع اسپین‌های جفت نشده الکترون‌هاست که باعث پدید آمدن خاصیت مغناطیسی در ماده می‌شود (در اثر ایجاد ممان مغناطیسی^[۱]). اما بروز یا عدم بروز خاصیت مغناطیسی طبق جفت‌شدگی اسپین‌ها را صرفا بر اساس یک تک اتم نمی‌توان مشخص نمود. در رابطه با خاصیت مغناطیسی همچون خاصیت الکتریکی، نحوه برهمکنش اتم‌ها یا مولکول‌ها در کنار هم است که خاصیت مغناطیسی آن را مشخص می‌کند. یعنی باید بررسی کرد که در اثر کنار هم قرار گرفتن اتم‌ها یا مولکول‌ها در ماده، جفت شدگی اسپین الکترون‌ها اتفاق می‌افتد یا خیر.

در عناصری همچون آهن، نیکل و کبالت و همین‌طور در ترکیباتی همچون مگنتیت^[۲] (Fe₃O₄)، مگهمیت^[۳] (Fe₂O₃) (دقت شود که تمام فازهای کریستالی Fe₂O₃ از خود خاصیت مغناطیسی نشان نمی‌دهند) و MFe₂O₄ (که در آن M می‌تواند کاتیون فلزات دو ظرفیتی همچون منیزیم، کبالت، نیکل یا روی باشد).

برای بررسی این امر باید به بررسی ماده طبق پر بودن اوربیتال‌های آن پرداخت. در صورتیکه اوربیتال‌ها پر باشند خاصیت مغناطیسی مشاهده نمی‌شود. در صورتی‍که اوربیتال‌ها نیمه‌پر باشند ولی در آن ترکیب اتم‌ها یا مولکول‌ها با یکدیگر پیوند کووالانسی داده باشند نیز مجددا خاصیت مغناطیسی مشاهده نمی‌شود چراکه الکترون‌ها با اسپین مختلف با یکدیگر برهمکنش می‌کنند و اسپین‌ها با یکدیگر جفت می‌شوند. در نتیجه باید بررسی نمود که در اثر قرارگرفتن اتم‌ها یا مولکول‌ها در کنار یکدیگر آیا جفت شدگی اسپین‌ها اتفاق می‌افتد یا خیر. در صورتیکه جفت‌شدگی اسپین‌ها اتفاق نیفتد ممان مغناطیسی ایجاد می‌شود و با هم‌افزایی آنها حوزه مغناطیسی^[۴] شکل می‌گیرد [۱].

شکل۱- اسپین الکترون‌ها به دور خود و به دور هسته و ایجاد ممان مغناطیسی در اثر آن[۱]

۳- حوزه مغناطیسی

پس از کنار هم قرار گرفتن اتم‌ها، هر ناحیه‌ای که در آن اسپین اتم‌ها با یکدیگر یکسان باشد یک حوزه (یا سامان) نامیده می‌شود. ایجاد حوزه در یک ماده بالک نشان‌دهنده تمایل ذاتی آن ماده برای کاهش انرژی است. یعنی ماده بالک تمایل دارد برای کاهش انرژی‌اش، اولا تعدادی از اتم‌های کنار هم اسپین‌های یکسان بگیرند و یا حوزه مغناطیسی تشکیل بدهند و دوما تمایل دارد تا در ماده تعدادی حوزه غیر هم‌جهت شکل بگیرد. این اتفاق در شکل۲ نمایش داده شده است.

شکل۲- طرحی از ایجاد حوزه مغناطیسی در یک ماده بالک

با توجه به وجود یا عدم وجود حوزه‌های مغناطیسی در مواد و نحوه برهمکنش حوزه‌ها با میدان مغناطیسی، مواد مغناطیسی به دسته‌های مختلفی تقسیم‌بندی می‌شوند. از جمله این دسته‌ها می‌توان به مواد فرومغناطیس^[۵]، پارا‌مغناطیس^[۶]، دیا‌مغناطیس^[۷]، فری‌مغناطیس^[۸] و آنتی‌فرو‌مغناطیس^[۹] اشاره کرد که در بخش بعد توضیح داده می‌شود [۲].

۴- دسته‌بندی مواد مغناطیسی

همانطور که گفته شد باتوجه به حوزه‌های مغناطیسی و همین‌طور برهمکنش آنها با میدان مغناطیسی مواد به دسته‌های مختلفی تقسیم‌بندی می‌شوند که در این بین سه دسته فرومغناطیس، پارامغناطیس و دیامغناطیس مهم‌تر بوده و در شکل۳ نمایش داده شده است.

شکل۳- مشاهده مواد فرو، پارا و دیامغناطیس در حضور و عدم حضور میدان مغناطیسی[۲]

مطابق شکل۳ مشاهده می‌شود که مواد فرومغناطیس به صورت خودبه‌خودی دارای حوزه‌های مغناطیسی هستند و همواره گشتاور مغناطیسی دائمی دارند. با اعمال میدان مغناطیسی به این مواد، حوزه‌های مغناطیسی در جهت میدان مغناطیسی یکسو می‌شوند و در صورت حذف میدان مغناطیسی نیز همچنان یکسو باقی می‌مانند. این خاصیت در تعدادی از فلزات انتقالی، سرامیک‌ها و معدودی از پلیمرها دیده می‌شود (مثل آهن، نیکل، کبالت و مگنتیت).

در مواد پارامغناطیس ساختار الکترونی ناقص مشاهده می‌شود و تمام اوربیتال‌های آن ماده پر نیست و بنابراین حوزه‌های مغناطیسی در آنها مشاهده می‌شود. با اعمال میدان مغناطیسی به این مواد نیز یکسوشدگی حوزه‌های مغناطیسی در جهت میدان اعمالی اتفاق می‌افتد ولی با برداشته شدن میدان مغناطیسی، جهت حوزه‌های مغناطیسی تصادفی می‌شود و خاصیت مغناطیسی قابل توجهی در عدم حضور میدان مغناطیسی از خود نشان نمی‌دهند. این خاصیت در بخشی از پلیمرها، سرامیک‌ها و بخشی از فلزات انتقالی دیده می‌شود (مثل آلومینیوم، کروم، مولیبدن، تیتانیوم و زیرکونیم).

دیامغناطیس‌ها دارای ساختار الکترونی کامل هستند و تمام اوربیتال‌های آنها پر است و بنابراین دارای حوزه مغناطیسی نیستند. اما با اعمال میدان مغناطیسی در آنها به صورت جزئی حوزه‌های مغناطیسی‌ای در خلاف جهت میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود. در صورت قطع میدان مغناطیسی مجددا حوزه‌های مغناطیسی از بین می‌روند. باتوجه به خاصیت مشاهده شده از این مواد می‌توان در حفاظ‌های مغناطیسی مثل کنترل‌کننده‌های موشک استفاده نمود تا میدان مغناطیسی برخوردی به خود را تضعیف کنند. این خاصیت در بخش کمی از پلیمرها، گروه خاصی از سرامیک‌ها و بخشی از فلزات انتقالی دیده می‌شود (مثل مس، طلا، سیلیسیوم، نقره، روی و آلومینا) [۲و۱].

هم‌چنین در درجه بعدی دسته‌های دیگری از مواد مغناطیسی همچون فری‌مغناطیس‌ها و آنتی فرومغناطیس‌ها وجود دارند که در شکل۴ نمایش داده شده است.

شکل۴- مشاهده حوزه‌ها در مواد فرومغناطیس، آنتی فرومغناطیس و فری مغناطیس[۲]

همانطور که در شکل۴ مشاهده می‌شود در مواد فرومغناطیس حوزه‌های مغناطیسی خلاف جهت هم و هم‌اندازه هم وجود دارد و در مواد فری‌مغناطیس حوزه‌های مغناطیسی غیرهم‌اندازه ولی در خلاف جهت هم وجود دارد. در مواد فرومغناطیس منبع ایجاد ممان‌های مغناطیسی از یک عنصر است ولی در مواد آنتی‌فرو‌مغناطیس و فری‌مغناطیس عمدتا منبع خاصیت مغناطیسی از دو نوع عنصر است. به همین دلیل است که آنتی‌فرو‌مغناطیس‌ها و فری‌مغناطیس‌ها عمدتا سرامیکی هستند (از چندین عنصر تشکیل شده‌اند).

هم‌چنین فرومغناطیس‌ها (و فری‌مغناطیس‌ها نیز) خود به دو دسته سخت و نرم تقسیم می‌شوند. فرومغناطیس‌های نرم به سادگی مغناطیسی می‌شوند، یعنی با میدان مغناطیسی نسبتا کمی حوزه‌های مغناطیسی‌اش یکسو می‌شوند. ولی به همان سادگی نیز خاصیت مغناطیسی‌اش را از دست می‌دهد. این مواد در کاربردهایی همچون سنسورهای مغناطیسی بیشتر استفاده می‌شود که برای تکرارپذیری در عملکرد آنها نیاز است تا خاصیت مغناطیسی خود را از دست داده و دوباره با کنترل سیستم بدست بیاورند. اما فرومغناطیس‌های سخت، با میدان مغناطیسی بالاتری مغناطیسی می‌شوند (حوزه‌هایش همسو می‌شود) و با حذف میدان مغناطیسی نیز همچنان مغناطیسی باقی می‌ماند و برای از بین بردن خاصیت مغناطیسی آن باید برای مثال میدان مغناطیسی در خلاف جهت اولیه به آن اعمال کرد. مطالب گفته شده در حلقه پسماند مغناطیسی^[۱۰] آنها در شکل۵ نمایش داده شده است. برای فهم بهتر حلقه پسماند در بخش بعدی توضیحاتی آورده شده است [۱][۳].

شکل۵- حلقه پسماند یک فرو مغناطیس نرم (آبی) و یک فرو مغناطیس سخت (صورتی)[۳]

۵- حلقه پسماند

رفتار مغناطیسی مواد مختلف در حلقه پسماند آنها قابل مشاهده است. در این نمودارها، محور افقی میدان مغناطیسی خارجی است که اعمال می‌شود تا ماده موردنظر مغناطیسی شود و با H نمایش داده می‌شود. محور عمودی نیز مغناطش^[۱۱] (M) یا چگالی شار مغناطیسی (B) است که در اثر میدان مغناطیسی خارجی در ماده القا شده است و به صورت ساده آن را می‌توان میزان مغناطیسی بودن ماده فرض کرد.

شکل۶- تغییر مغناطش و اندازه حوزه‌ها با اعمال میدان مغناطیسی خارجی

مطابق شکل۶ دیده می‌شود که با اعمال میدان مغناطیسی خارجی به ماده و افزایش تدریجی آن، حوزه‌های مغناطیسی کوچکتر به مرور کوچکتر و در نهایت حذف شده و حوزه مغناطیسی بزرگتر باقی می‌ماند. این فرآیند در واقع به معنای تغییر اسپین الکترون‌ها در حوزه‌های کوچکتر و چرخش دیواره حوزه برای هم اسپین شدن الکترون‌های حوزه‌ها با یکدیگر است. چرخش دیواره حوزه‌ها (سامان‌ها) برای هم‌جهت شدن حوزه‌ها در شکل۷ نمایش داده شده است [۴و۱].

شکل۷- چرخش ممان مغناطیسی در دیواره سامان‌ها (حوزه) و هم‌جهت شدن دو سامان مجاور به این طریق[۲]

به مرور که ممان‌های مغناطیسی می‌چرخند دیواره حوزه نیز حرکت می‌کند و حوزه کوچکتر، کوچک و کوچکتر می‌شود و در نهایت حذف می‌شود. با حذف حوزه‌های کوچکتر و یکسوشدگی ممان‌های مغناطیسی در ماده، درنهایت میدان مغناطیسی بیشتری نیاز است تا ممان‌ها کاملا در جهت میدان مغناطیسی خارجی قرار گیرند.

در شکل۷ عملا تغییر حوزه‌های مغناطیسی (در اثر چرخش دیواره حوزه‌ها) و در اثر آن مغناطش در ماده با اعمال میدان مغناطیسی نمایش داده شد. اما در خواص مغناطیسی، در یک چرخه کامل خواص ماده را نشان می‌دهد و برای این امر باید میدان مغناطیسی خارجی را در جهت عکس نیز به همان مقدار اعمال نمود تا یک چرخه کامل از ماده بررسی شود. این امر در شکل8 که نمایانگر یک چرخه پسماند است نشان داده شده است.

شکل۸- حلقه پسماند یک ماده فرومغناطیس[۵]

در واقع در شکل۷ خط‌‌‌ چین نشان داده شده در شکل۸ بررسی شده است. حال با قطع میدان مغناطیسی خارجی از نقطه a به نقطه b حرکت می‌کنیم. مشاهده می‌شود که در این حالت حتی با نبود میدان مغناطیسی خارجی همچنان مغناطشی در ماده وجود دارد. به این نقطه و به این میزان مغناطش در ماده، مغناطش پسماند^[۱۲] گفته می‌شود. مشاهده می‌شود که برای صفر کردن مغناطش در ماده یا عملا همان تصادفی کردن حوزه‌های مغناطیسی در ماده، نیاز به اعمال میدان مغناطیسی در خلاف جهت اولیه است. با اعمال این میدان مغناطیسی به نقطه c که نقطه وادارندگی مغناطیسی^[۱۳] نام دارد می‌رسیم. قابل ذکر است که علاوه بر اعمال میدان مغناطیسی برای صفر کردن مغناطش ماده می‌توان از اعمال دماهای بالا نیز استفاده نمود. با افزایش میدان مغناطیسی که عکس جهت اولیه است به نقطه d می‌رسیم. در واقع در این حالت حوزه‌ها همسو شده‌اند ولی جهت همسوشدگی آنها در جهت عکس حالت اولیه است. در این حالت نیز اگر میدان قطع شود همچنان مغناطش پسماندی در ماده وجود دارد (نقطه e).

چرخه گفته شده حلقه پسماند ماده است که باتوجه به آن می‌توان نوع ماده مغناطیسی و رفتار آن را مشخص و بررسی نمود. برای مثال در شکل۵ دیده شد که چرخه پسماند فرومغناطیس نرم باریک است و با اعمال H کمی در جهت عکس حالت اول (یا دمای نسبتا کم) مغناطش آن صفر می‌شود و حوزه‌های مغناطیسی آن به صورت تصادفی قرار می‌گیرند. اما چرخه پسماند فرومغناطیس سخت پهن بوده و نیاز به اعمال میدان‌ مغناطیسی بیشتری در جهت عکس جهت رخ دادن این امر است. برای مثال در شکل۹ چرخه پسماند (البته برای بعضی از مواد منحنی آن) مواد مغناطیسی مختلف نمایش داده شده است.

شکل۹- چرخه (یا منحنی) پسماند فرومغناطیس، پارامغناطیس و سوپرپارامغناطیس

مطابق شکل۹ دیده می‌شود که مواد پارامغناطیس همان‌طور که توضیح داده شد برخلاف مواد فرومغناطیس حتی در میدان مغناطیسی خارجی قوی دارای مغناطش پایینی هستند و همین‌طور مغناطش پسماند آنها صفر است. اما دسته‌ای از مواد به نام سوپرپارامغناطیس‌ها وجود دارند که درحالیکه مغناطش پسماند آنها مشابه پارامغناطیس‌ها صفر است ولی در صورت اعمال میدان مغناطیسی خارجی مغناطش بالایی در حد فرومغناطیس‌ها دارند. این دسته از مواد خواص بسیار جالبی دارند چراکه هم می‌توانند خاصیت مغناطیسی قوی از خود نشان دهند و هم به سادگی خاصیت مغناطیسی خود را در دمای محیط از دست دهند و مغناطش پسماندی نداشته باشند [۴و۱]. کاربرد دنیای نانو در خواص مغناطیسی نیز مربوط به همین مواد است که در مقاله بعدی توضیح داده می‌شود.

۶- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

مشاهده شد که باتوجه به جفت‌شدگی اسپین الکترون‌ها در مواد مختلف شاهد خواص مغناطیسی مختلفی در مواد هستیم. باتوجه به پر بودن اوربیتال‌های الکترونی در مواد مختلف و وجود یا عدم وجود گشتاور دائمی مغناطیسی می‌تواندسته‌های مختلفی از مواد همچون فرومغناطیس‌ها، پارامغناطیس‌ها و دیامغناطیس‌ها را داشت که هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارا می‌باشند. این موارد را می‌توان با توجه به حلقه یا منحنی پسماند در هریک از مواد نشان داد و مشخصه‌های مغناطیسی آنها را مشخص و بررسی نمود.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۷- مراجع

[1].Callister, William D., and David G. Rethwisch. Materials science and engineering: an introduction. Vol. 7. New York: John wiley& sons, 2007.

[۲]. دکتر رضا نعمتی، علم و مهندسی سرامیک‌­ها، انتشارات دانشگاه صنعتی شریف، سال۱۳۹۴

[3]. Chikazumi, Soshin, and C.D. Graham. Physics of Ferromagnetism. Oxford: Claredon, 1997.

[4]. Della Torre, Edward. Magnetic hysteresis. Wiley, 2000.

[5]. https://www.nde-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/MagParticle/Physics/HysteresisLoop

۸- پاورقی‌ها

[1]Magnetic Moment

[2]Magnetite

[3]Maghemite

[4]Magnetic domain

[5]Ferromagnetism

[6]Paramagnetism

[7]Diamagnetism

[8]Ferrimagnetism

[9]antiferromagnetic

[10]Magnetic Hysteresis loop

[11]Magnetization

[12]Residual magnetization

[13]Magnetic coercivity