خانه » ♦ مقالات ، تحقیقات و پروژه رایگان دانشجویی » ♦ فیزیک » مواد پارامغناطیس و فرومغناطیس

مواد پارامغناطیس و فرومغناطیس

مواد پارامغناطیس

مواد پارامغناطیس گروهی از مواد هستند که موجب تقویت جزئی میدان مغناطیسی می‌شوند، یعنی اگر در داخل سیم پیچی، ماده‌ای از جنس پارامغناطیسی قرار دهیم، در این صورت میدان مغناطیسی تقویت می‌شود، 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 می‌شود که نمادی از تقویت یا تضعیف میدان مغناطیسی است.

پارامغناطیس

پارامغناطیس

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 اندازه‌ای تقویت می‌کنند. ماده پارامغناطیس در میدان مغناطیسی غیریکنواخت، به طرف ناحیه قویتر کشیده می‌شود.

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 به‌وسیلهٔ یک مغناطیس را گویند. تمام فلزات دارای یک اثر پارامغناطیس ضعیف می‌باشند که به دما وابسته نیست و با توجه به نظریه الکترون ‌آزاد و گشتاور مغناطیسی اسپین ذاتی الکترونهای آزاد توجیه می‌شود. محدوده حرکت الکترونهای آزاد در نوارهای انرژی است، در مرز این نواحی، امواج الکترون بوسیله بلور بازتاب براگ می‌کند که سبب بوجود آمدن گاف انرژی می‌شود. این گافهای انرژی در تعیین عایق یا رسانا بودن جسم اهمیت زیادی می‌دارند. 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 ماده‌ای تضعیف می‌شود، اما در مورد مواد پارامغناطیس، تراوایی مغناطیسی، مقداری مثبت است. بنابراین در حضور این ماده، میدان تقویت می‌شود، 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 نمونه‌ای از ماده شامل N اتم، را که گشتاور دو قطبی مغناطیسی هر کدام M است، در یک میدان مغناطیسی قرار دهیم، دو قطبی‌های اولیه اتم می‌کوشند با میدان مغناطیسی همسو شوند. این تمایل به همسو شدن را خاصیت پارامغناطیسی می‌گویند.

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 می‌کنند، ولی به علت تماس گرمایی با محیط اطراف خود می‌توانند 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 ۱۸۹۵ 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 قطبی‌های اولیه در نمونه می‌شود و M (مغناطش) را افزایش می‌دهد، در حالی که افزایش T این همسویی را به هم می‌زند و M را کاهش می‌دهد. 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 پاؤلی. 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 ۱۹۲۸ 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 قطبی‌ها 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 می‌باشند.

روش آهنربا کردن مواد فرومغناطیس

هنگامی که مواد فرومغناطیس را در یک میدان مغناطیسی قرار می‌دهیم، آهنربا می‌شوند. چون میدان مغناطیسی بر حوزه‌های مغناطیسی اثر می‌گذارد و سبب می‌شود که دو قطبی مغناطیسی هر حوزه تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار گیرد. علاوه بر این حوزه‌هایی که نسبت به میدان در وضعیت مناسبی قرار دارند، با وجود میدان رشد می‌کنند و حجم آنها افزایش پیدا می‌کند و در نتیجه حوزه‌هایی که سمت‌گیری مناسب نداشتند، حجمشان کوچکتر می‌شود و مرز بین حوزه‌ها جابجا می‌شود و ماده خاصیت آهنربایی پیدا می‌کند.

مواد فرومغناطیس

مواد فرو مغناطیس دسته‌ای از مواد مغناطیسی هستند که دارای دوقطبیهای مغناطیسی همسو شده می‌باشند. این مواد در مجاورت میدان مغناطیسی خارجی تبدیل به آهنربا می‌شوند.

دید کلی

در برخی از مواد مغناطیسی دو قطبی‌های مغناطیسی کوچک بطور خودبه‌خود با دو قطبی‌های مجاور هم‌خط می‌شوند، اینگونه مواد ، پارا مغناطیس نامیده می‌شوند. همه بخشهای مغناطیسی در یک ماده فرو مغناطیس در یک راستا قرار ندارند، بلکه این مواد از بخشهای بسیار کوچکی با ابعاد کوچکتر از میلیمتر تشکیل شده‌اند، طوریکه دو قطبی‌های مغناطیس هر بخش هم‌خط هستند، ولی سمت‌گیری دو قطبی‌های مغناطیسی هر بخش با بخش مجاور متفاوت است. این بخشهای کوچک حوزه مغناطیسی نامیده می‌شوند.

 روش آهنربا کردن مواد فرو مغناطیس

هنگامی که مواد فرو مغناطیس را در یک میدان مغناطیسی قرار می‌دهیم، آهنربا می‌شوند. چون میدان مغناطیسی بر حوزه‌های مغناطیسی اثر می‌گذارد و سبب می‌شود که دو قطبی مغناطیسی هر حوزه تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار گیرد. علاوه بر این حوزه‌هایی که نسبت به میدان در وضعیت مناسبی قرار دارند، با وجود میدان رشد می‌کنند و حجم آنها افزایش پیدا می‌کند و در نتیجه حوزه‌هایی که سمت‌گیری مناسب نداشتند، حجمشان کوچکتر می‌شود و مرز بین حوزه‌ها جابجا می‌شود و ماده خاصیت آهنربایی پیدا می‌کند.

انواع مواد فرو مغناطیس

مواد فرو مغناطیس نرم

در موادی مثل آهن ، کبالت و نیکل در صورتی که خالص باشند، حجم حوزه‌ها به آسانی تغییر می‌کند، در نتیجه به آسانی آهنربا می‌شوند، ولی به آسانی هم خاصیت آهنربایی خود را از دست می‌دهند. این مواد را فرو مغناطیس نرم می‌نامند. اینگونه مواد در هسته سیملوله‌ها بکار می‌روند و چون به راحتی خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهند، در ساخت آهنرباهای غیر دائم کاربرد دارند.

مواد فرو مغناطیس سخت

موادی مثل فولاد ، به سختی آهنربا می‌شوند و به سختی هم این خاصیت را از دست می‌دهند، یعنی حجم حوزه‌ها به سختی تغییر می‌کند. اینگونه مواد ، فرو مغناطیس سخت نامیده می‌شوند. در اینگونه مواد برای افزایش حجم حوزه‌هایی که سمت‌گیری مناسب دارند، به میدان مغناطیسی خارجی قویتر نیاز است. پس از برداشتن میدان مغناطیسی خارجی ماده فرو مغناطیس سخت ، خاصیت آهنربایی خود را حفظ می‌کند. به همین دلیل برای ساختن آهنرباهای دائمی مناسب هستند.

 

مواد  مغناطیسی به دو دسته تقسیم می ‌شوند:

الف)مواد فرومغناطیس نرم: به راحتی خاصیت آهن‌ربایی خود را از دست می‌دهند .  مانند آهن

درمواد فرومغناطیس نرم ؛ حوزه‌هایی که در جهت میدان هستند به راحتی حجم شان زیاد می‌شود و حوزه‌هایی که در خلاف جهت  میدان هستند حجم آنها کم می‌شود.این مواد در  هسته سیملوله ها  استفاده می‌شوند.

ب) مواد فرومغناطیس سخت: به سختی خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهند.  مانند فولاد

در مواد فرومغناطیس سخت  مرز حوزه‌ ها به سختی جابه جا می‌شود . این مواد  در آهن‌ربای دائمی استفاده می شوند.

درک ویژگی‌های مواد فرومغناطیس در مقیاس نانو (۸۶/۰۴/۰۵ )

مواد فرومغناطیس در زندگی روزمره بسیاری از مردم وجود دارند؛ این مواد در ساعت‌ها، کارت‌های هوشمند، کنترل‌های تلویزیون و ابزارهای فراصوت پزشکی حضوردارند.

به دلیل ویژگی‌های بسیار مهم این مواد، محققان دوست دارند از آنها در مقیاس نانو استفاده کنند، اما چیزهای بسیار کمی درباره نحوه عملکرد آنها می‌دانند.

دو فیزیکدان دانشگاه آرکانزاس برای درک بهتر ویژگی‌های بالقوه این نیروگاه‌های بسیار کوچک، شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای از نانونقاط فرومغناطیس انجام داده‌اند. یافته‌های آنها که در مجله Physical Review Letters منتشر شده است، شامل کشف فازهای ناشناخته این مواد می‌شود.

نانونقاط فرومغناطیس منفرد می‌توانند درون خود یک گرداب تشکیل دهند؛ درون این نانونقاط بارها به شکل تقریباً دایره‌ای در حرکت می‌باشند.

مطالعه اخیر نشان می‌دهد که میدان‌های الکتریکی مخالف هم می‌توانند کایرالیته چنین گرداب‌هایی را عوض کنند؛ این امر می‌تواند در کاربردهای فناورانه مهم باشد.

غشای فرومغناطیس دیسک

دیسک مغناطیسی رسانه ایست با امکانات دستیابی مستقیم به داده های ذخیره شده و به آن اصطلاحآ DASD می گویند.

در اساس صفحه ای مدور است ، مغناطیس شونده و گردان حول محوری عمودی.

یک یا هر دو رو یه صفحه از غشای فرومغناطیس به ضخامت چند هزارم میلی متر پوشیده شده است.

بر این غشاء شیارهایی به صورت دوائر متحد المرکز و یا به صورت حلزون وار وجود دارد که از بیرون به درون و معمولآ با شروع از صفر ، شماره گذاری می شوند.

فاصله هر دو شیار حدود ۰٫۰۲۱ اینچ است و داده ها به صورت رشته بیتی روی شیار ها ضبط می شوند و تکنیکهای مختلفی برای ضبط وجود دارد.

پس تمام دیسک ها از جمله هارد دیسک و سی دی ها و حتی فلاپی و نوار یا Tape از این غشاء فرومغناطیسی بی بهره نیستند.

 

منابع:

دانشنامه فیزیک – مرکز تحصیلات تکمیلی علوم پایه – زنجان ISBN 964-5515-35-1

نقش الکترونهای آزاد در تعیین خواص مغناطیسی مواد نوشته نیره مطلبی

فیزیک ۳ و ازمایشگاه نظری ISBN 964-05-0991-4

انجمن فیزیکدانان جوان ایران http://www.hupaa.com

http://www.knowclub.com

http://www.irandoc.ac.ir

http://www.roshd.ir

http://www.academist.ir

http://amega-ir.com

نقش الکترونهای آزاد در تعیین خواص مغناطیسی مواد نوشته نیره مطلبی

دانشنامه ازاد ویکی پدیا

فیزیک ۳ و ازمایشگاه نظری ISBN 961-05-0991-4

انجمن فیزیکدانان جوان ایران

جوابی بنویسید

ایمیل شما نشر نخواهد شدخانه های ضروری نشانه گذاری شده است. *

*

بالا
تمامی حقوق این سایت متعلق به دانلود های می باشد.
کپی برداری از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است.
CopyRight © 2013-2018 DownloadHi.ir این سایت هیچگونه مسئولیتی در مورد محتوای مطالب منتشر شده اش ندارد و در مورد انتشار برنامه ها،
کلیه مطالب و برنامه های موجود در این سایت از سایتهای معتبر تهیه شده اند و در رابطه با برنامه های ایرانی ثبت شده، در صورتی که
صاحب اثر رضایت نداشته باشد می تواند در قسمت نظرات پیام بگذارد تا ضمن هماهنگی برای ارسال اسناد و مدارک
مربوطه در مورد ثبت برنامه مورد نظر، نسبت به حذف آن اثر طی 72 ساعت اقدامات لازم انجام گیرد.