[روش های شناسایی نانوساختارها] - اندازه گیری خواص مغناطیسی

[P O U R I A]

روش های شناسایی نانوساختارها » اندازه گیری خواص مغناطیسی
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------



1- منشا مغناطیس مواد و برهم کنش بین الکترون ها
2- آشنایی با دستگاه اندازه گیری خواص مغناطیسی VSM

 

[P O U R I A]

منشا مغناطیس مواد و برهم کنش بین الکترون ها

منشا مغناطیس مواد و برهم کنش بین الکترون ها

برای فعالیت در حوزه مواد مغناطیسی آشنایی هر چند مختصر با منشا مغناطیس، انواع مواد مغناطیسی و ویژگی های هر یک لازم به نظر می رسد. منشا وجود مغناطیس در اتم ها اندازه حرکت زاویه ای مداری و اندازه حرکت زاویه ای اسپینی الکترون ها است ولی تعیین جهت گیری مغناطیسی نسبی الکترونهای واقع در یک یون که در یک شبکه بلوری قرارگرفته به برهمکنش بین الکترون ها بستگی دارد. طبیعی ترین روش برای دسته بندی خواص مغناطیسی مواد توجه به پاسخگویی آنها به یک میدان مغناطیسی خارجی است. بر این اساس مواد مغناطیسی به فازهای دیامغناطیس، پارامغناطیس، فرومغناطیس، پاد‌فرومغناطیس و فری‌مغناطیس تقسیم‌بندی می‌شوند. در این مقاله ابتدا به منشا وجود مغناطیس دراتم ها و سپس به برهمکنش های بین اتمهای واقع در یک بلور و منشا این برهمکنش ها نظری اجمالی خواهیم داشت. در ادامه به توصیف این فازهای مغناطیسی پرداخته می شود

 

[P O U R I A]

1- مقدمه
مغناطیس پدیده‌ای است که توسط آن مواد از خود، یک نیروی جاذبه یا دافعه را نشان می‌دهند یا بر روی مواد دیگر تاثیر می‌گذارند؛ این پدیده هزاران سال است که شناخته شده است. با این وجود قوانین اصلی و مکانیزم‌هایی که پدیده مغناطیسی را توضیح می‌دهد پیچیده و دقیق می‌باشند و باعث شده که دانشمندان تا زمان‌های نسبتاً اخیر از درک آن‌ها، دوری جویند. بسیاری از وسایل فناوری مدرن، به مغناطیس و مواد مغناطیسی تکیه دارند؛ این وسایل شامل ژنراتورهای الکتریکی، ترانسفورماتورها، موتورهای الکتریکی، کامپیوترها، رادیو، تلویزیون و اجزاء سیستم‌های تولید صدا و تصویر می‌باشند.

2- منشا مغناطیسی مواد
همان طور که می‌دانیم نیروهای مغناطیسی توسط حرکت ذرات باردار الکتریکی ایجاد می‌گردند؛ میدان مغناطیسی یک میدان مرکزی نیست یعنی تک قطبی مغناطیسی وجود ندارد.

شکل 1- میدان مغناطیسی یک میدان مرکزی نیست (عدم وجود تک قطبی مغناطیسی)

​

شکل 2- میدان مغناطیسی یک میدان مرکزی نیست (عدم وجود تک قطبی مغناطیسی)

جریان بار الکتریکی یک سیم حلقه‌ای باعث ایجاد میدان مغناطیسی در راستای محور حلقه می‌شود. بنابراین اصلی ترین حامل خاصیت مغناطیسی در جامدها همان الکترون ها هستند. این الکترون ها [SUP]21-[/SUP]10×3/9 واحد مغناطیسی، (e.m.u =electromagnetic units) گشتاور مغناطیسی (Magnetic moment) دارند‍[ 1]. در جامدهای مغناطیسی مثل آهن و کبالت، برهمکنشی بین الکترون ها وجود دارد که جهت الکترون ها را یک سو می کند. یک سپادمتر مکعب از این جامدها حدود 10[SUP]23[/SUP] الکترون دارند، بنابراین گشتاور مغناطیسی کل، 10[SUP]3[/SUP] واحد مغناطیسی می شود. جهت این گشتاور مغناطیسی کل، محور آسان نا همسانگردی نامیده می شود و با ناهمسانگردی مغناطیسی تعریف می شود. به طورکلی می توان منشاء خاصیت مغناطیسی را الکترون های متحرک دانست. گرچه بعضی از هسته های اتمی دارای گشتاور دوقطبی مغناطیسی دایمی هستند ولی اثر آنها چنان ضعیف است که نمی تواند آثار قابل ملاحظه ای داشته باشد مگر تحت شرایط خاص زیر دمای یک درجه کلوین یا وقتی که نمونه تحت میدان الکترومغناطیس با فرکانسی قرارگیرد که حرکت تقدیمی هسته ها را تشدید نماید. بنابراین نظریه های مغناطیس در درجه اول نظریه ساختارهای الکترونی است. در بلورهای یونی الکترون ها کمابیش به عنوان الکترون های مقید به هسته های خاص مورد توجه قرار می گیرند. در بدو ظهور نظریه های مغناطیس، آزمایش های زیادی نشان داد که اندازه حرکت زاویه ای کل یک الکترون و گشتاور مغناطیسی وابسته به آن بزرگتر از مقداری است که به حرکت انتقالی آن نسبت داده می شد. بنابرین یک سهم اضافی که از خصوصیت ذاتی بایک درجه آزادی داخلی ناشی می شد، به الکترون نسبت داده شد و چون این خصوصیت دارای اثر مشابه چرخش الکترون حول محورش بود، اسپین نامیده شد. دیراک نشان داد که اگر معادلات مکانیک کوانتمی بخواهد به طور نسبیتی ناوردا باشد یک اندازه حرکت زاویه ای اضافی برای الکترون وجود خواهدداشت[ 2].
برای فهم بیشتر کره زمین را در نظر بگیرید. کره زمین دارای دو نوع حرکت وضعی و انتقالی است. حرکت آن به دور خورشید را حرکت انتقالی و چرخش زمین به دور خودش را حرکت وضعی می‌ گویند. هر یک از این دو نوع حرکت، دارای اندازه حرکت زاویه‌ای مخصوص به خود است.

شکل 3- راست: حرکت زمین دور خورشید چپ: حرکت الکترون حول هسته

حرکت انتقالی به دور خورشید، دارای اندازه حرکت زاویه‌ای مداری (L) و حرکت وضعی دارای اندازه حرکت زاویه‌ای اسپینی (یا بطور اختصار اسپین S) است. بدیهی است که اندازه حرکت زاویه‌ای کل برابر با مجموع این دو اندازه حرکت است.
​

​

​

 

[P O U R I A]

3- برهمکنش بین الکترون ها و قواعد هوند
تاکنون منشاء اصلی ظهور مغناطیس که اندازه حرکت زاویه ای مداری و اندازه حرکت زاویه ای اسپینی است، مورد توجه واقع گردید ولی تعیین جهت گیری مغناطیسی نسبی الکترون¬های واقع در یک یون، که در یک شبکه بلوری قرار گرفته به برهمکنش بین الکترون ها بستگی دارد. در حالت کلی برهمکنش های میان الکترون ها را به سه دسته تقسیم می کنند:
1) برهمکنش کولنی
2) برهمکنش اسپین مداری
3) اثر میدان بلوری

1-3- بر همکنش کولنی قواعد اول و دوم هوند:
الف: بر همکنش کولنی که باعث می شود که اندازه حرکت های زاویه ای مداری با همدیگر جفت شوند و همچنین اندازه حرکت های زاویه ای اسپینی به طو ر غیرمستقیم از طریق اصل طرد پائولی با همدیگر جفت شوند. برای بیشتر یون هایی که از لحاظ مغناطیسی مورد توجه هستند تمایل به داشتن کمترین انرژی کولنی تعیین می کند که کدامیک از حالات تک الکترونی باید اشغال شود و در نتیجه اندازه حرکت زاویه¬ای مداری و اسپینی تعیین خواهد شد. این بر همکنش بیانگر قاعده اول و دوم هوند در مورد تثبیت L و S است.

شکل 4- اصل طرد پائولی

​

قاعده اول هوند: اشغال دوتائی فضای الکترون (دو الکترون با اسپین مخالف در یک اوربیتال) بایستی به دلیل نزدیکی دو الکترون شامل دافعه الکتروستاتیکی الکترون- الکترون زیادی باشد. اگر اشغال دوگانه کمینه باشد آنگاه انرژی کمینه خواهد بود. یا به عبارت دیگر زمانی که بیشترین اسپین های یکسان وجود داشته باشد انرژی کمینه خواهد شد.
قاعده دوم هوند: با ارضاء شرط اول، اگر الکترون ها در جهت های یکسان بچرخند، الکترون ها، بیشترین زمان را دور از هم خواهند بود؛ در نتیجه دافعه الکتروستاتیکی الکترون- الکترون کمینه می‌گردد.

شکل 5- اشکال چند جمله ای های لاژور

به عبارت دیگر هر چه مقدار L بیشتر باشد تعداد حباب‌های تابع موج (شکل1-2) بیشتر است در نتیجه الکترون ها دور از هم می‌مانند و اثر رانش کولنی را کاهش می‌دهند. از نظر انرژی، انرژی ارضاء شده شرط اول بزرگتر از انرژی‌های مرتبط با ارضاء شرط دوم هستند. برهمکنش کولنی همچنین نشان می‌دهد که پوسته‌های الکترونی پر، به علت صفر شدن L و S مربوط به آنها نمی‌توانند از خود خاصیت مغناطیسی بروز دهند.​

​

​

​

​

​

 

[P O U R I A]

2-3- جفت شدگی اسپین مداری
جفت شدگی اسپین مداری که طبق آن اندازه حرکت های زاویه ای مداری و اسپینی به طور مغناطیسی با یکدیگر جفت می¬شوند از این حقیقت ناشی می شود که حرکت الکترون در مدارش، میدان مغناطیسی ایجاد می کند که این میدان مغناطیسی بر روی اندازه حرکت زاویه ای اسپینی اعمال می شود.
در نظریه نسبیت نشان داده می‌شود که هامیلتونی مربوط به الکترون واقع در یک مدار اتمی جمله‌ای به صورت زیر خواهد داشت:
​

(1)

که در اثر چارچوب مرجع به دلیل حرکت نسبی الکترون و پروتون ساخته شده است. با توجه به اینکه

می باشد:

​

​

​

​

​

(2)

​

​

​

​

هنگامی که در جمله وابسته به اسپین معادله پائولی

وارد کنیم برهمکنش اسپین – مدار

را می دهد. با استفاده از تعریف مکانیک کوانتومی تکانه زاویه¬ایی مدار و تعریف پتانسیل الکتروستاتیکی

، داریم:

(3)

چون

منفی است، بنابراین

مثبت است. مقدار انتظاری آن را

(4)

​

​

پارامتر اسپین– مدار یا ثابت جفت شدگی می گویند[3].
قاعده سوم هوند از جفت شدگی اسپین– مدار نتیجه می شود(شکل 1-4). از آنجا که

مثبت است اختلال ناشی از جفت شدگی اسپین – مدار حالت های J تبهگن را می شکافد و از رابطه زیر

(5)

نتیجه می شود که کمترین مقدار J متناظر با کمینه مقدار انرژی خواهد شد.

​

(6)

​

شکل 6- مقادیرS,L,Jبرای یونهای4f و 3d
​

​

​

​

​

 

[P O U R I A]

هرگاه پوسته بیش از نیمه پر باشد، واضح تر خواهد بود که اتم را متشکل از پوسته پری بدانیم که تعدادی حفره دارد. این حفره ها طوری رفتار می کنند که گویی بار مثبت دارند و در مورد برهمکنش اسپین– مدار حفره-ها، علامت معکوس می شود. بنابراین بیشترین مقدار J متناظر با حالتی خواهد بود که کمترین انرژی را دارد[5 ].

(7)

3-3- اثر میدان بلوری
هنگامی‌که یک اتم در درون یک بلور قرار می‌گیرد توابع موج (یا مدار‌های اتمی) اتم تغییر می‌کنند. زیرایون-های همسایه یک میدان الکتریکی بر الکترون های اتمی اعمال می‌کند که اثر آن تغییر شکل اوربیتال ها و شکافتگی ترازهای انرژی است. به این پدیده "اثر میدان بلوری" گویند[6]. در ساده ترین برخورد با آثار ناشی از حضور همسایگان همه آثار برهمکنش بوسیله یک میدان الکترواستاتیک معادل نشان داده می شود. این میدان باید دارای تقارن شبکه بلوری باشد و می توان آن را توسط کمترین تعداد پارامترها که مقادیرآنها به وسیله طیف های مشاهده شده بدست می آید تعیین کرد. این مدل در تعیین طرح ترازهای انرژی و اندازه حرکت یون ها در بلور موفقیت آمیز بوده است و چون میدان تا حد زیادی با شرایط تقارنی تعیین می‌شود نیاز چندانی به محاسبه ندارد (شکل 1-4). باید توجه داشت که در هیچ یک از حالاتی که تاکنون بررسی شده این امکان وجود ندارد که برای مقادیر پارامترهای میدان بلوری یک میدان الکتریکی واقعی مورد انتظار در بلور را به طور مستدل توجیه کرد. چون آثاری مانند همپوشانی کووالانسی جزیی که در گروه آهن سهم دارند و نیز بعضی از آثار مهم (مانند برهمکنش ابر تبادلی) به جزییات توابع موج بستگی دارد، برای توجیه این پدیده‌ها به روش های پیچیده تر از مدل میدان بلوری نیاز است.

4-3- قدرت سه نوع برهمکنش
حال که برهمکنش های مختلف بین الکترون ها روشن شد، برای توضیح سمتگیری مغناطیسی یک یون باید ببینیم که کدامیک از برهمکنش های فوق قوی‌تر و کدامیک ضعیف‌تراست. براساس این موضوع عناصر واسطه که از لحاظ مغناطیسی مورد توجه هستند به سه دسته تقسیم می شوند. درشکل 4، قدرت سه نوع برهمکنش فوق الذکر برای دسته‌های مورد نظرآورده شده است[2]. در یون های 3d اثرمیدان بلوری بر جفت شدگی اسپین-مداری غلبه می کند؛ زیرا الکترون¬های 3d در پیوندها شرکت می‌کنند و در نتیجه تکانه زاویه‌ایی مداری توسط میدان بلوری شکسته می‌شود. در این گروه برهمکنش کولنی هم چنان حکم فرماست و اندازه حرکت های زاویه‌ای مداری و اسپینی تک الکترون با یکدیگر جفت شده و L و S کل بوجود می آید ولی جهت آنها بیشتر تحت تاثیر میدان بلور قرار دارد که همین موضوع باعث به وجود آمدن ناهمسانگردی نسبت به خواص مغناطیسی در این مواد می شود.
گروه یون‌های عناصر کمیاب خاکی اکثراً دارای میدان بلوری نسبتاً کوچکی هستند ولی برهمکنش کولنی در بین الکترون های داخل یون حکم فرماست .در این گروه از عناصر جفت شدگی اسپین مداری نسبت به اثر میدان بلوری کنترل بیشتری بر جهات Sو L اعمال می‌کند. در بقیه مواد اثر میدان بلوری و اثر جفتشدگی اسپین مداری با برهمکنش کولنی رقابت می‌کنند که این امر باعث به وجود آمدن رفتار پیچیده تری میشود.

​

​

​

شکل 7- قدرت سه نوع برهمکنش[2]

4- فازهای مغناطیسی
مواد در میدان مغناطیسی اعمالی رفتارهای مغناطیسی متفاوتی از خود بروز می‌دهند و بر اساس رفتارهای مغناطیسی به دیامغناطیس (Diamagnetism)، پارامغناطیس (Paramanetism)، فرومغناطیس (Ferromagnetism)، پاد‌فرومغناطیس (Antiferromagnetism) و فری‌مغناطیس (ferrimagnetism) دسته‌بندی می‌شوند. البته در بعضی کتب پاد‌فرومغناطیس و فری‌مغناطیس را زیر گروه مواد فرومغناطیس به شمار می‌آورند.

​

​

 

[P O U R I A]

1-4- دیامغناطیس
خاصیت دیامغناطیس در همه مواد وجود دارد و ویژگی همه ی مواد است؛ اما اغلب توسط مغناطش های قوی-تر پوشیده می شود. اتم های دیامغناطیس دارای هیچ گشتاور مغناطیسی نمی باشند و مطابق شکل 7، با قرارگرفتن در میدان مغناطیسی خارجی دارای گشتاور مغناطیسی القایی در خلاف جهت میدان خارجی می شوند و آن را تضعیف می کنند. پذیرفتاری مغناطیس، ، این مواد بسیارکوچک، منفی و مستقل از دما می باشد. مواد آلی، عناصر سبک عناصر قلیایی خاک، مس، کوارتز و SiO2 نمونه هایی از مواد دیامغناطیس می باشند.

​

شکل 8- پذیرفتاری χ مواد دیامغناطیس در میدان مغناطیسی[8]



2-4- پارامغناطیس
دلیل اصلی خاصیت پارامغناطیس وجود الکترون های جفت نشده در پوسته های پرنشده می باشد. جامد پارامغناطیس از اتم هایی تشکیل شده است که گشتاور مغناطیسی دائم اتمی دارند اما بصورت مجزا و بدون هیچ برهمکنش متقابلی بر روی یکدیگر عمل می کنند که در نهایت به سبب ارتعاشات حرارتی، جهت گیری تصادفی دارند. اعمال میدان مغناطیسی خارجی، سبب جهت گیری گشتاورهای مغناطیسی القایی در جهت میدان و تقویت آن می شود (شکل 8). با این حال اغتشاشات حرارتی، سبب هم خط شدگی جزئی آنها در جهت میدان خارجی می شود که حاصل آن مغناطش و پذیرفتاری مغناطیسی کوچک می باشد[7 و8 ]. فلزات قلیایی خاکی، فلزات واسطه و لانتانیدها از این دسته هستند.

​

شکل 9- پذیرفتاری مواد پارامغناطیس در میدان مغناطیسی و جهت‌گیری ممان اتم‌ها [8].

3-4- فرومغناطیس
فرومغناطیس به موادی گفته می شود که در غیاب میدان مغناطیسی خارجی دارای مغناطش خود به خودی بوده و برخلاف پارامغناطیس، گشتاور های مغناطیسی آن با هم برهمکنش می کنند. این برهمکنش از نوع تبادلی می باشد که در T=0 سبب همخط شدگی گشتاور های مغناطیسی در غیاب میدان می شود. فرم هامیلتونی مغناطیسی محیط های فرو در میدان خارجی B بصورت زیر می باشد:
​

(5)

که در آن

می باشد. جمله اول برهمکنش تبادلی اسپین‌ها با هم(جمع روی نزدیک ترین همسایه ها) و جمله دوم برهمکنش اسپین‌ها با میدان (جمع روی تمام اتم ها) می باشد. در حالت فرومغناطیس، یون های پارامغناطیس به گونه ای به یکدیگر قفل می شوند که گشتاورهای مغناطیسی همه نقاط هم جهت می شوند اما در دماهای به قدر کافی بالا این قفل شدگی شکسته می شود بگونه ای که فرومغناطیس در دمای کوری TC به پارامغناطیس گذار می کند. پذیرفتاری مغناطیسی این مواد بزرگ و تابع میدان اعمالی می باشد (شکل 9). آهن، نیکل، کبالت و گادولینیوم نمونه هایی از این دسته هستند[9 ] .
​

​

​

​

شکل 10- پذیرفتاری مواد فرومغناطیس در میدان و دماهای مختلف[8].

4-4- فری مغناطیس
فری مغناطیس فقط در ترکیباتی که ساختار بلوری پیچیده تری نسبت به عناصر خالص دارند؛ مشاهده می شود و در عناصر خالص مشاهده نمی شود. این حالت در ترکیبات اکسید های مخلوط نیز مشاهده می شود. هر چند در این مواد، برهمکنش تبادلی سبب صف بندی موازی گشتاورهای مغناطیسی در برخی نواحی و صف بندی پادموازی در نواحی دیگر می شود؛ اما اندازه ی گشتاورهای مغناطیسی آنها در یک جهت بزرگتر از دیگری می باشد و در نتیجه مغناطش خالص ماده صفر نیست (شکل 10) و مغناطیس اشباع این مواد کمتر از فرومغناطیس می باشد. پذیرفتاری مغناطیسی این دسته از مواد بزرگ و مثبت می باشد. فریت ها نمونه هایی بارز از مواد فری مغناطیس هستند.


​

​

​

​

​

​

شکل 11- پذیرفتاری مواد فری‌مغناطیس در میدان [8].

 

[P O U R I A]

5-4- پاد فرومغناطیس
اگر برهمکنش تبادلی J<0 باشد؛ میدان مولکولی به گونه ای عمل می کند که نزدیکترین گشتاورهای مغناطیسی بصورت پادموازی با یکدیگر قرار بگیرند و حالت پاد فرومغناطیس تشکیل شود. در مواد پاد فرومغناطیس، مغناطش حاصل شده در غیاب میدان خارجی حذف می شود و مطابق شکل 11، درحالت کمینه انرژی اسپین خالص آنها صفر می باشد[7و9]. اغلب شبکه بلوری پاد فرومغناطیس را می توان به صورت دو زیرشبکه ی درهم فرورفته ی A و B ، که جهت گشتاورهای مغناطیسی آنها در خلاف جهت یکدیگر بوده و میدان مولکولی روی هر زیرشبکه، متناسب با مغناطش زیرشبکه های دیگر است؛ تصور نمود[10 ].

تقسیم اینگونة یک شبکه پادفرومغناطیس به دو زیر شبکه فرومغناطیس، به ما کمک می کند تا با متفاوت فرض نمودن اتم های هر زیرشبکه، گروه تقارنی مناسب را برای شبکه اصلی تعیین نموده و محاسبات پادفرومغناطیسی را برای شبکه مذکور انجام دهیم. پذیرفتاری مغناطیسی این مواد کوچک اما مثبت می باشد و در دماهای بالاتر از دمای نیلTN ، به فاز پارامغناطیس گذار انجام می دهند. در جدول تناوبی، کروم Cr تنها عنصری است که در دمای اتاق در فاز پاد فرومغناطیس می باشد. پاد فرومغناطیس درترکیباتی شامل عناصر واسطه، نیز یافت می شود. اکسید منگنز، اکسید آهن و اکسید نیکل نمونه هایی از مواد پاد فرومغناطیس هستند.

شکل 12- مغناطش مواد پادفرو‌مغناطیس در میدان

شکل 13- تغییرات معکوس پذیرفتاری مغناطیسی با دما​

​

​

 

[P O U R I A]

آشنایی با دستگاه اندازه گیری خواص مغناطیسی VSM

آشنایی با دستگاه اندازه گیری خواص مغناطیسی VSM

با توجه به پیشرفت تکنولوژی در زمینه مغناطیس و کاربردهای وسیع آن ها در زمینه صنعت، نیاز به ابزاری است که بتوان با استفاده از آن خواص مغناطیسی را بررسی کرد. دستگاه های مغناطیس سنج متفاوتی در این راستا وجود دارد که براساس میزان فرکانس جریان های عبوری به چند دسته تقسیم می شوند. دستگاه های مغناطیس سنج به روش های مختلف و در شرایط متفاوت دمایی، میدان مغناطیسی و جهت گیری نمونه، مغناطش یک نمونه از ماده با ابعاد مختلف را اندازه گیری می کنند. اساس کار دستگاه مغناطیس سنج VSM، قانون القای فارادی می باشد که با ارتعاش نمونه و اعمال میدان مغناطیسی به آن، باعث بوجود آمدن یک جریان القایی در سیم پیچ های تعبیه شده در دستگاه می شود که با مغناطش نمونه متناسب است. با انتقال این جریان القایی به کامپیوتر متصل به دستگاه و نمایش حلقه پسماند، مغناطش نمونه اندازه گیری می شود.

 

[P O U R I A]

1- مقدمه
یکی از مهمترین ویژگی های مواد، خاصیت مغناطیسی آن هاست که از زمان های نسبتا دور مورد توجه بوده و هم اکنون نیز در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی قرار گرفته است. بنابراین برای بررسی خواص مغناطیسی مواد دستگاه هایی برای اندازه گیری خواص مغناطیسی آنها نیاز است که یکی از مهمترین آن ها مغناطیس سنج ها می باشند[1]. با استفاده از دستگاه مغناطیس سنج می توان خواص مغناطیس مواد دیامغناطیس، پارامغناطیس، فرومغناطیس، آنتی فرومغناطیس، فری مغناطیس را بررسی کرد. این دستگاه آزمایشگاهی در سال 1956 توسط سایمون فونر (Simon Foner)، استاد دانشگاه MIT اختراع شد و کمپانی EGG PAR (EGG Princeton Applied Research) در دهه شصت آن را تجاری سازی کرد[2]. دستگاه مغناطیس سنج برای مشخص کردن خواص مغناطیسی مواد مانند ممان مغناطیسی و میدان بازدارنده بصورت تابعی از میدان مغناطیسی، دما و زمان بکار می روند. موادی که با استفاده از دستگاه VSM، می توان خواص مغناطیسی آنها را اندازه گیری کرد عبارتند از: فیلم های نازک، پودرها و مایعات [3 ]. برای درک بیشتر دستگاه مغناطیس سنج ابتدا منشا خاصیت مغناطیسی، فازهای مغناطیسی و حلقه پسماند که به نوعی بیان تصویری مغناطش ماده است، به اختصار بیان می شود.

2- منشا مغناطیس مواد
منشاء خاصیت مغناطیسی در جامدها، الکترون های متحرک می باشند. گرچه بعضی از هسته های اتمی دارای گشتاور دو قطبی مغناطیسی دایمی هستند ولی اثر آنها چنان ضعیف است که نمی تواند آثار قابل ملاحظه ای داشته باشد؛ مگر تحت شرایط خاص مانند اینکه نمونه در زیر دمای یک درجه کلوین قرار گیرد یا وقتی که تحت میدان الکترومغناطیسی با فرکانسی قرار گیرد که حرکت تقدیمی هسته ها را تشدید نماید. در بدو ظهور نظریات مغناطیس آزمایش های زیادی نشان داد که اندازه حرکت زاویه ای کل یک الکترون و گشتاور مغناطیسی وابسته به آن بزرگتر از مقداری است که به حرکت انتقالی آن نسبت داده می شد. بنابرین یک سهم اضافی که از خصوصیت ذاتی با یک درجه آزادی داخلی ناشی می شد، به الکترون نسبت داده شد و چون این خصوصیت دارای اثر مشابه چرخش الکترون حول محورش بود اسپین نامیده گردید[4].

شکل 1-حرکت الکترون حول هسته

تعیین جهت گیری مغناطیسی نسبی الکترون های واقع در یک یون که در یک شبکه بلوری قرارگرفته به برهمکنش بین الکترونها بستگی دارد که در حالت کلی برهمکنش های میان الکترون ها را به سه دسته تقسیم می¬کنند:
1) برهمکنش کولنی
2) برهمکنش اسپین مداری
3) اثر میدان بلوری
3. فازهای مغناطیسی:
مواد در میدان مغناطیسی خارجی رفتار متفاوتی از خود نشان می دهند و با توجه به جهت گیری مغناطش، به چند دسته تقسیم می شوند:
مواد پارا مغناطیس: این مواد از اتم هایی تشکیل شده اند که گشتاور مغناطیسی دائم اتمی دارند اما بصورت مجزا و بدون هیچ برهمکنش متقابلی بر روی یکدیگر عمل می کنند که در نهایت، جهت گیری تصادفی دارند.جهت گیری مغناطش آن مثبت ولی کوچک است و تحت تأثیر یک میدان خارجی، در یک راستای تقریبی قرار می‌گیرند(شکل 2الف).

مواد فرو مغناطیس: موادی هستند که در غیاب میدان مغناطیسی خارجی دارای مغناطش خود به خودی بوده و برخلاف پارامغناطیس، گشتاور های مغناطیسی آن با هم برهمکنش می کنند. این مواد مانند آهن، آهنربایی دائم دارند و یا به آهن ربا جذب می شوند و جهت گیری مغناطش آن کاملا در یک راستا می باشد (شکل 2ب).

مواد آنتی فرو مغناطیس: در مواد آنتی فرومغناطیس، مغناطش حاصل شده، در غیاب میدان خارجی حذف می شود و جهت گیری مغناطش آن به گونه ای است که مغناطش کل صفر می شود(شکل 2ج).

مواد فری مغناطیس: در این مواد، اندازه ی گشتاورهای مغناطیسی در یک جهت بزرگتر از دیگری می باشد و در نتیجه مغناطش خالص ماده صفر نیست و مغناطیس اشباع این مواد کمتر از فرومغناطیس می-باشد(شکل 2د).

مواد دیا مغناطیس: اتم های دیامغناطیس دارای هیچ گشتاور مغناطیسی نمی باشند و با قرارگرفتن در میدان مغناطیسی خارجی دارای گشتاور مغناطیسی القایی در خلاف جهت میدان خارجی می شوند و آن را تضعیف می کنند.

شکل 2- فازهای مغناطیسی(5 )
​

​

 

[P O U R I A]

3- حلقه پسماند
وقتی به یک ماده مغناطیسی، میدان مغناطیسی اعمال شود، مغناطش محیط سریع افزایش می‌یابد؛ با افزایش مقدار میدان اعمالی، شتاب افزایش مغناطش کاهش می‌یابد؛ این کاهش شتاب ادامه می‌یابد تا مغناطش محیط به مقدار اشباع خود MS برسد[ 6].

شکل 3 - حلقه پسماند برای یک ماده فرومغناطیس

تغییرات مغناطش مواد مغناطیسی در هنگام کاهش میدان، از رفتار قبلی خود تبعیت نمی‌کند؛ بلکه بخاطر ناهمسانگردی مغناطیسی در محیط، مقداری انرژی را در خود ذخیره می‌کنند. بنابر‌این وقتی میدان اعمالی در محیط صفر شود؛ مغناطش در ماده صفر نشده و دارای مقدار خاصی است که به آن مغناطش پسماند Mr گفته می‌شود. با کاهش بیشتر شدت میدان به سمت مقادیر منفی، خاصیت مغناطیسی القا شده به‌تدریج کاهش می‌یابد و با رسیدن شدت میدان به یک مقدار منفی خواص مغناطیسی ماده کاملا از بین می‌رود. این میدان مغناطیس زدا را با HC نشان می دهند و به نیروی ضدپسماند (coercive force) و یا وادارندگی مغناطیسی معروف است. با کاهش بیشتر شدت میدان، القای مغناطیسی منفی می شود و در نهایت به مقادیر اشباع منفی خود، می‌تواند برسد. افزایش مجدد شدت میدان به سمت مقادیر مثبت، حلقه پسماند را مطابق شکل(3)کامل می کند. مغناطیس‌های دائمی غالبا در ربع دوم حلقه پسماند خود، مورد استفاده قرار می گیرند[7]. پسماند یا نیروی وادارنده عبارتست از میدان معکوسی که برای کاهش مغناطش به صفر نیازست.

مواد مغناطیسی از نظر رفتار آن‌ها در میدان مغناطیسی به دو گروه مواد مغناطیسی نرم و سخت تقسیم‌بندی می‌شوند.

1-3- مواد مغناطیسی نرم
مواد مغناطیسی نرم با اعمال میدان مغناطیسی کوچک براحتی مغناطیده می‌شود و با قطع میدان سریعاً گشتاور مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. به عبارتی این مواد دارای نیروی وادارندگی پایینی هستند. این مواد همچنین دارای اشباع مغناطیسی بالا MS و گشتاور پسماند Mr پایین‌اند.


​

شکل 4-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.

2-3- مواد مغناطیسی سخت
مواد مغناطیسی سخت موادی‌اند 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. ساخت یا پخت این مواد در میدان مغناطیسی، ناهمسانگردی مغناطیسی را در این مواد افزایش می‌دهد؛ که حرکت دیواره‌ حوزه‌ها را سخت‌تر می‌کند و نیروی وادارندگی‌ را افزایش می‌دهد. این امر می‌تواند تولید ماده سخت مغناطیسی بهتری را تضمین کند.کاربرد این مواد در آهنربا‌های دائمی و حافظه‌های مغناطیسی است.​

​

​

​

 

[P O U R I A]

4- دستگاه مغناطیس‌سنج نمونه ارتعاشی
دستگاه مغناطیس‌سنج نمونه ارتعاشی( VSM=Vibrating Sample Manetometer)، جهت اندازه‌گیری خواص مغناطیسی ماده مغناطیسی به کار می رود. رفتار مغناطیسی مواد مختلف دیامغناطیس، پارامغناطیس، فرومغناطیس و غیره، در شکل‌های مختلف پودر، جامد، فیلم نازک، تک بلور، مایع و غیره، به کمک VSM با رسمِ منحنی پسماند، قابل اندازه‌گیری است[6].

کمیت های قابل اندازه گیری بوسیله VSM عبارتند از(8):
Hm : ماکزیمم میدان اعمالی
Bm : ماکزیمم چگالی شار (القای مغناطیسی) یا Bmi (القای درونی)
Br : خاصیت نگهداری مغناطیس (retentivity)
Hc : وادارندگی یا Hci (وادارندگی درونی)
Br/Bm : نسبت مربعیت
µ : نفوذ پذیری

1-5- اجزای تشکیل دهنده VSM

بطور کلی مغناطیس سنج VSM از سه بخش تشکیل می شود: الف-آهن ربای الکتریکی ب- قسمت مکانیکی ج-مدارها و اجزای الکتریکی. تصویر کلی مغناطیس سنج در شکل(5) نشان داده شده است.

شکل 5- طرح واره ای از دستگاه مغناطیس‌سنج نمونه ارتعاشی(6)

 

[P O U R I A]

1-1-5- آهن ربای الکتریکی
دارای ابعاد خارجی حدود یک متر است و می تواند میدان مغناطیسی در ناحیه ای بین دو قطب به پهنای mm ٥٥ و قطر ایجاد نماید. به منظور خنک نمودن آهن ربا از جریان آب مقطر در لوله های داخل سیستم، استفاده می شود. منبع تغذیه آن جریان DC تا حد ١٤٠ آمپر تولید می نماید و صفحه کنترل کنندة آن در شکل(6) نشان داده شده است[ 8].

​

شکل 6-منبع تغذیه [8]
​

2-1-5- قسمت مکانیکی
این قسمت برای نگهداری نمونه در محل مناسب، چرخش آن و تولید نوسانات مکانیکی مناسب، طراحی شده است. قسمت مکانیکی، روی آهن ربای الکتریکی قرار می گیرد و از سه بخش تولید کنندة نوسانِ جابجا کننده، نگهدارندة نمونه، و وسیلة ایزوله کنندة نوسانات تشکیل شده است.
از بوبین میانی (بوبین بطور ساده از پیچه ای سیمی تشکیل شده است)، جریان ac با فرکانس ٨٢ هرتز جهت تولید نوسان، می گذرد. قسمت میانی صفحات فنری، تحت تأثیر نیروی میدانِ نوسانی قرار گرفته و به نوسان در می آیند و همراه با خود، میلة نمونه و در نتیجه نمونة مغناطیسی را در امتداد قائم به نوسان در می آورند. بخش نوسان کننده به صفحات متحرک خازن هایی وصل می شود. نیروی عکسل العمل حاصل از نوسانات که به بوبین و آهن ربا وارد می¬شود، باعث نوسان متقابل آنها می گردد. برای حذف این نوسانات و جلوگیری از انتقال آن به پایه و تشکیل یک میدان استاتیک توسط آهن ربای اصلی، از ایزوله کننده نوسانات استفاده می شود که به عنوان یک تشدید کننده مکانیکی، انرژی نوسانات حاصل از نیروی عکس العمل را جذب می نماید. نمونه که در انتهای یک میلة غیر مغناطیسی نصب می شود، باید دقیقاً در مرکز تقارن سیستم سیم پیچ های مغناطیس سنج( واقع در بین قطب های آهنربای اصلی) قرار بگیرد. محل دقیق نمونه با سه پیچ ویژه که قابلیت حرکت نمونه را در راستاهای مختلف دارد، تنظیم می شود(8).

3-1-5- قسمت الکتریکی
همانطور که قبلا گفته شد نمونه در راستای قائم به نوسان در می آید. سیگنال القا شده در سیم پیچ ها متناسب با مغناطش نمونه و مشخصات نوسانات است که به منظور اندازه گیری مغناطش نمونه، عامل دوم باید حذف گردد. سیگنالی ناشی از خازن متغیر (که به آن اشاره شد) حاصل می شود که تنها به مشخصات نوسانات مکانیکی (عامل دوم)، بستگی دارد. از آنجایی که سیگنال اصلی متناسب با هر دو عامل است، از تفاضل سیگنال اصلی و سیگنال ناشی از خازن و تقویت آن توسط یک تقویت کنندة تفاضلی، مغناطش نمونه اندازه گیری می شود. به این ترتیب، تغییرات احتمالی در عوامل نوسانی روی اندازة بدست آمده برای مغناطش نمونه، اثری نخواهد داشت[8].

2-5- عملکرد دستگاه VSM
دستگاه های مغناطیس سنج، مغناطش یک نمونه از ماده با ابعاد مختلف را به روش های مختلف و در شرایط گوناگون از لحاظ دما، میدان مغناطیسی و جهت گیری نمونه، اندازه گیری می کنند و نمودارهای متنوعی که نشان دهنده ویژگی های متفاوت ماده است را نمایش می دهند. مغناطیس سنج ها براساس میزان فرکانس جریان های عبوری از آنها شامل سیستم های مغناطیس سنج مختلف می باشندکه اساس اندازه گیری آنها مشابه است. برخی از سیستم های مغناطیس سنج عبارتتند از: مغناطیس سنج نمونه مرتعش (VSM)، مغناطیس سنج نمونه چرخان (RSM) و مغناطیس سنج گرادیان نیروی متناوب (AGFM) و [1].

دستگاه VSM بر اساس قانون القای فارادی کار می‌کند. این قانون می‌گوید که تغییر در میدان مغناطیسی، باعث ایجاد میدان الکتریکی می شود. با اندازه‌گیری میدان الکتریکی القا شده، می‌توان اطلاعاتی در مورد تغییرات میدان مغناطیسی بدست آورد. ابتدا نمونه در میدان مغناطیسی ثابت قرار می‌گیرد. اگر نمونه مغناطیسی باشد، میدان مغناطیسی ثابت، نمونه را با هم جهت کردن حوزه‌های مغناطیسی یا اسپین‌های مغناطیسی اتم‌ها در جهت میدان، مغناطیسی می‌کند. میدان مغناطیسی بزرگتر، نمونه را بیشتر مغناطیسی می‌کند. ممان مغناطیسی نمونه، میدان مغناطیسی را در اطراف نمونه القا می‌کند. حال اگر نمونه به بالا و پایین ارتعاش کند، میدان مغناطیسی القایی با زمان تغییر می‌کند و تغییرات آن را می‌توان با جریان القا شده در یک مجموعه سیم‌پیچ مشاهده کرد. این جریان القایی با مغناطش در نمونه متناسب است. مغناطش قوی‌تر جریان القایی بزرگتری را ایجاد می‌کند. جریان القایی تقویت می‌شود و به کامپیوتری که به مجموعه متصل است، برای نمایش منتقل می‌شود. با کمک نرم‌افزار می‌توان نتایج را کنترل کرد و نمایش داد. این سامانه مقدار و نحوه مغناطش نمونه را به صورت تابعی از شدت تغییرات میدان مغناطیسی ثابت اعمالی، مشخص می کند. نمونه‌ای که در میدان مغناطیسی ثابتی قرار گرفته و به طور مکانیکی و با حرکت سینوسی در حال ارتعاش است با تغییر شار مغناطیسی، نیرو محرکه‌ای را در مجموعه سیم‌پیچ‌ها القا می‌کند. شار مغناطیسی از رابطه زیر بدست می آید:

​

​

​

که در آن A و B فاکتورهای هندسی‌اند که به مجموعه سیم‌پیچ‌ها مرتبط می‌شوند، D و MS به ترتیب ضریب مغناطش زدایی و مغناطش ذره‌اند، و ω فرکانس ارتعاش می باشد. بنابراین نیروی محرکه به صورت زیر بدست می آید:

‌که C یک ثابت است و مقدار آن را می‌توان با توجه به مغناطش نیکل استاندارد، که مقدار آن شناخته شده است، تعیین کرد(6).
در این سیستم مبنای اندازه گیری مغناطش، سیگنال حاصل از نوسانات مکانیکی نمونه است که در یک سری سیم پیچ حساس القا می شود. این سیگنال با ممان مغناطیسی نمونه رابطة خطی دارد . نمونه ها به صورت نسبی مقایسه می شوند. به این منظور، یک استاندارد کالیبره شده از ممان مغناطیسی مثلاً کره کوچک استاندارد شده¬ای از نیکل خالص، تهیه می شود[8].

نتیجه گیری:
برای بررسی خواص مغناطیسی مواد، دستگاه هایی برای اندازه گیری خواص مغناطیسی نیاز است که یکی از اصلی ترین آن ها مغناطیس سنج ها هستند. با استفاده از دستگاه مغناطیس سنج می توان خواص مغناطیسی مواد دیامغناطیس، پارامغناطیس، فرومغناطیس، آنتی فرومغناطیس، فری مغناطیس را بررسی کرد. دستگاه های مغناطیس سنج مغناطش یک نمونه از ماده با ابعاد مختلف را به روشهای مختلف و در شرایط گوناگون از لحاظ دما، میدان مغناطیسی و جهت گیری نمونه، اندازه گیری می کنند و نمودارهای متنوعی که نشان دهنده ویژگی های متفاوت است را نمایش می دهند.

 

[phdsoil]

سوال در مورد پذيرفتاري مغناطيسي

سوال در مورد پذيرفتاري مغناطيسي

سلام. ممنون از اطلاعات خوبتون در مورد خواص مغناطيسي . يه سوال داشتم. تو ايران از چه دستگاهي براي اندازه گيري پذيرفتاري مغناطيسي خاك ، سنگ يا رسوب استفاده ميكنن؟ منظورم مدل دستگاه هست. چه موسساتي اين دستگاه رو دارند؟ ممنون ميشم اگه به سوالم پاسخ بديد.