فرومغناطیس

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
الکترومغناطیس
VFPt Solenoid correct2.svg
برق · مغناطیس

فرومغناطیس (به انگلیسی: Ferromagnetism) به پدیدهٔ ایجاد گشتاور مغناطیسی موازی در اثر برهم‌کنش تبادلی[۱] و در نتیجه مغناطیس خودبخودی و تشکیل آهنربای دائم در مواد، در دماهای پایین‌تر از نقطهٔ بحرانی (دمای کوری Tc) گفته می‌شود.

موادی که این خاصیت را داشته باشند، فرومگنت نامیده می‌شوند. این مواد در عدم وجود میدان خارجی مغناطش خودبخودی (Ms) مخالف صفر دارند. این مقدار در دمای صفر مطلق به بیشترین میزان خود رسیده و در دمای کوری به صفر می‌رسد.

فرومغناطیسی مکانیزمی اساسی است که توسط آن مواد خاص (مانند آهن) فرم آهنربای دائم پیدا می‌کنند و یا به آهن ربا جذب می شوند. در فیزیک، چندین نوع مختلف از خاصیت مغناطیسی وجود دارد. فرومغناطیسی قویترین نوع است، تنها نوعی است که به اندازهٔ کافی قوی است تا احساس شود و باعث پدیده‌های مغناطیسی در زندگی روزمره شود. یکی از نمونه‌ها آهنربای یخچال است.

همهٔ آهنرباهای دائم (موادی که می توانند توسط یک میدان مغناطیسی خارجی مغناطیسی شوند و بعد از حذف میدان مغناطیسی خارجی آهنربا باقی بمانند) فرومغناطیس هستند، به طوری که مواد دیگر به آنها جذب می شوند.

از لحاظ تاریخی، واژهٔ فرومغناطیس برای هر ماده‌ای که بتواند خود به خود مغناطیسی شود به کار می رود: موادی که گشتاور مغناطیسی در غیاب میدان مغناطیسی خارجی در آنها ایجاد می‌شود.این تعریف اجمالی هنوز در حالت کلی برقرار است. اخیراً گونه‌های مختلف مغناطش خود به خودی شناسایی شده‌اند [نیازمند منبع] زمانی که بیش از یک یون مغناطیسی در هر سلول ابتدایی از مواد وجود دارد، منجر به تعریف سختگیرانه تری از "فرو مغناطیسی " می‌شود که وجه تمایز با فری مغناطیس را باعث می شود. مواد "فرومغناطیسی" در این معنا.در هر یک از واحدهای مغناطیسی وجود دارد. اگر بعضی از یون‌های مغناطیسی از تفریق خالص مغناطیسی (اگر آنها تا حدی ضد تراز باشند)، ماده فری مغناطیس است. اگر این نیروها ی تراز و ناتراز با هم در تعادل قرار بگیرند به طوری که خاصیت مغناطیسی نداشته باشند این ماده ضد فری مغناطیس است. تمامی تاثیر تراز شدن تنها در دمای زیر دمای بحرانی معینی به نام دمای کوری (برای فرو مغناطیس و فری مغناطیس ها) و یا درجه حرارت Néel (برای ضد فرومغناطیس ها) رخ می دهد.

Ferromagnetic ordering of microscopic magnets (the گشتاور مغناطیسیs of individual particles).

در میان تحقیقات اولیه بر روی فرو مغناطیس‌ها می‌شود به تلاش‌های پیشگامانهٔ الکساندر استولتف برای اندازه گیری تراوایی مغناطیسی فرو مغناطیس‌ها که با منحنی استولتف شناخته می شود اشاره کرد.

مواد فرو مغناطیسی[ویرایش]

دمای کوری چند فرومگنت کریستالی (* = مواد فرومگنت)
ماده دمای کوری (کلوین)
Co 1388
Fe 1043
FeOFe2O3* 858
NiOFe2O3* 858
CuOFe2O3* 728
MgOFe2O3* 713
MnBi 630
Ni 627
MnSb 587
MnOFe2O3* 573
Y3Fe5O12* 560
CrO2 386
MnAs 318
Gd 292
Dy 88
EuO 69

تعدادی از موادکریستالی وجود دارد که خاصیت فرومغناطیسی یا فری مغناطیسی از خود نشان می دهند. جدول زیر لیست ازبعضی از آنها، همراه با دمای کوری خود، درجه حرارتی که بالاتر از آن خاصیت مغناطیسی خود به خودی را دارند، نشان می دهد. فرومغناطیسی تنها یک خاصیت ترکیب شیمیایی مواد نیست بلکه به ساختار بلوری و سازماندهی میکروسکوپی نیز بستگی دارد. آلیاژهای فلزی فرومغناطیسی ای وجود دارد که اجزای آنها خود فرومغناطیسی نیستند.، که به آنها آلیاژهای فریتس هاسلر می گویند. همچنین می توان مواد آمورف (غیر بلوری)را نیز توسط سرد کردن بسیار سریع (کوینچ کردن) از آلیاژ مایع فرومغناطیسی کرد. این مزیت را که خواص آنها در حدود ایزوتروپیک (در امتداد محور کریستال تراز نیست) می توان ایجاد کرد؛ این نتایج در ضد پسماند پایین، از دست دادن پسماند کم، نفوذپذیری بالا، مقاومت الکتریکی. بالا بدست می آید. از این مواد می توان به آلیاژهای انتقالی و آلیاژهای ضد فلزی (معمولاً آهن، کبالت یا نیکل) ویا ترکیبات شبه فلزی (بور، کربن، سیلیسیم، فسفر یا آلومنیوم)با نقطه ذوب پایین اشاره نمود.

فرومغناطیس‌های آکتنیدی[ویرایش]

تعدادی از ترکیبات آکتینیدی در دمای اتاق فرومغناطیسی هستند ویا زیر دمای کوری به فرومغناطیس تبدیل میشوند. TC)PuP) یک ماده اکتنیدی است که در دمای اتاق پارامغناطیس است و تقارن مکعبی دارد، اما پس از خنک شدن، زمانی که تا زیر دمای کوری سرد شود دستخوش اعوجاج شبکه چهاروجهی می شود. Tc = 125 K و دارای محور کیریستالی <100> خواهد بود، پس: (c – a)/a = –(31 ± 1) × 10−4 برای NpFe2 که دارای محور کریستالی <111> است بالای 500درجه کلوین مکعبی و پارامغناطیس خواهد بود و داریم: (c – a)/a = –(120 ± 5) × 10−4 که بیشترین تنش را در ترکیبات آکتنیدی داراست.

گاز لیتیم[ویرایش]

در سال 2009، گروهی از فیزیکدانان MIT نشان دادند که گاز لیتیم که به کمتر از 1 کلوین سرد شده است می تواند خاصیت فرومغناطیسی از خود نشان دهد. [5] این گروه لیتیوم – 6 را به کمتر از 150 میلیاردم 1 کلوین بالای صفر مطلق با استفاده از خنک کننده لیزر مادون قرمز رساندند. این برای اولین بار بود که خاصیت فرو مغناطیسی در گازها نشان داده می شد.

توضیحات[ویرایش]

خاصیت فرومغناطیسی به دلیل نفوذ مستقیم دو اثر از مکانیک کوانتومی : چرخش و اصل طرد پائولی ایجاد می شود.

علت مغناطیسی شدن[ویرایش]

یکی از ویژگی های اساسی یک الکترون (بر اساس این که حامل بار است) این است که می تواند یک گشتاور دوقطبی داشته باشد. (الکترون خودش همانند یک آهنربای کوچک عمل می کند.) این گشتاور دوقطبی از ویژگی های اساسی تر که اسپین مکانیک کوانتومی دارد ناشی می شود. طبیعت مکانیک کوانتومی موجب می شود اسپین ذاتی الکترون در یک میدان مغناطیسی تنها در دو حالت قرار بگیرد: به طرف بالا یا پایین. اسپین الکترون ها در اتم ها منشا اصلی خاصیت فرومغناطیسی است اگرچه در آن اندازه حرکت زاویه ای اوربیتالی الکترون نسبت به هسته نیز تاثیر گذار است. زمانی که این دوقطبی های کوچک در یک جهت به خط می شوند، میدان مغناطیسی آنها با هم جمع شده و سبب ایجاد یک میدان ماکروسکوپی قابل اندازه گیری می شود. با این حال در موادی با لایه ی الکترون پرشده، گشتاور دوقطبی کل الکترون ها صفر است چرا که اسپین جفت الکترون ها بالا و پایین است بنابراین تنها موادی با لایه الکترونی نیمه پر شده (اسپین جفت نشده) می توانند یک گشتاور مغناطیسی خالص داشته باشند و دارای خاصیت فرومغناطیسی باشند. بنابر قانون هوند، اولین الکترون ها تمایل دارند اسپین یکسانی داشته باشند بنابراین گشتاور دوقطبی کل افزایش می یابد. این دوقطبی های جفت نشده تمایل دارند به موازات یک میدان مغناطیسی خارجی به خط شوند، اثزی که پارامغناطیس نامیده می شود. این در حالی است مه فورمغناطیس یک پدیده اضافی را در بر می گیرد: دوقطبی ها تمایل دارند (حتی زمانی که هیچ میدان مغناطیسی اعمال نمی‌شود) بصورت خودبخودی بخط شوند ، که این امر آهنربایی شدن خودبخودی را افزایش می دهد.[۲]

تبادل متقابل[ویرایش]

با توجه به الکترومغناطیس کلاسیک، دو، دو قطبی مغناطیسی تمایل دارند در جهت مخالف تراز شوند، بنابراین میدان مغناطیسی خود را از یک دیگر دور یا حذف می کنند. با این حال در بعضی مواد فرومغناطیسی، آنها تمایل دارند در جهت اثر کوانتوم مکانیکی به نام تبادل متقابل تراز شوند. اصل طرد پائولی می گوید که دو الکترون با اسپین یکسان نمی‌تواند "موقعیت" یکسانی داشته باشند.بنابراین، تحت شرایط خاصی، هنگامی که اوربیتال الکترونهای ظرفیتی بیرونی جفت نشده باشند از اتمهای مجاور همپوشانی شده و توزیع بار الکتریکی خود را متوازن می سازند. این کاهش انرژی الکترواستاتیک از چرخش الکترون هااست. پس اسپین موازی با ثبات تر است. به عبارت ساده، الکترون‌ها که یکدیگر را دفع می کنند، می تواند "با فاصله بیشتری" با تراز کردن اسپین خود، حرکت کنند، پس این چرخش الکترون‌ها تمایل به ردیف شدن دارند. این تفاوت در انرژی تبادل انرﮋی نامیده می شود. تبادل متقابل همچنین باعث انواع دیگر قرارگیری خود بخودی در مواد جامد مغناطیسی، فرومغناطیسی و فری مغناطیسی می شود. در اغلب فرو مغناطیس‌ها تبادل متقابل بسیار قوی تر از رقابت دو قطبی است. به عنوان مثال، در آهن (Fe) آن در حدود 1000 برابر قوی تر از تعامل دو قطبی است .بنابراین در زیر دمای کوری عملاً تمامی دو قطبی‌ها در مواد فرومغناطیسی در تراز وسط قرار دارند.

دامنه مغناطیسی[ویرایش]

موارد بالا به نظر می رسد نشان می دهد که هر قطعه از مواد فرومغناطیسی باید میدان مغناطیسی قوی داشته باشد، ولی آهن و دیگر فرومغناطیسی‌ها در بعضی از مواقع در جایگاه نامغناطیسی یافت می شود. دلیل این امر این است که یک قطعه فرومغناطیسی به بسیاری از حوزه‌های کوچک مغناطیسی (که به نام حوزه‌های Weiss شناخته می شوند) تقسیم می شود. در هر دامنه، اسپین‌ها هم ردیف هستند اما، اگر اسپین حوزه‌های متمایز، متفاوت باشد جسم میدان مغناطیسی قوی ای نخواهد داشت. ساختار میکروسکوپی حوزه‌های Weiss

مواد فرومغناطیسی خود به خود به حوزه‌های مغناطیسی تقسیم می شوند زیرا که سطح انرژی پایین تری دارد. در مسافت‌های طولانی (بعد از هزاران یون(، انرژی تبادل شده از دو قطبی کلاسیک نا ترازپیشی می گیرد. مرز بین دو حوزه، که در آن خاصیت مغناطیسی افول می‌کند، دیوارهٔ حوزه نامیده می‌شود (به عنوان مثال، دیوار Néel/Bloch، بسته به اینکه آیا مغناطیسی شدن موازی / عمود بر رابط دامنه است) انتقال تدریجی در مقیاس اتمی خواهد بود.(پوشش فاصله در حدود 300 یون در آهن) این اثر توسط Barkhausen نشان داده شده است : زمانی که میدان مغناطیسی تغییر می کند، تغییرات مغناطیسی در هزاران جهش کوچک ناپیوسته ناگهانی دیواره به عیوب قبلی میچسبد. این مغناطیسی شدن را می توانبه عنوان یک تابع از میدان‌های خارجی توسط منحنی hysteresis توصیف کرد. اگر چه این حالت دامنه تراز است حداقل انرژی پیکربندی بسیار پایداراست و مشاهده شده است که برای میلیون‌ها سال در اهن مغناطیسی seafloor همسو شده توسط میدان مغناطیسی زمین باقی می ماند.

دمای کوری[ویرایش]

وقتی که درجه حرارت افزایش می یابد، حرکت حرارتی، یا آنتروپی با گرایش فرومغناطیسی برای دو قطبی تر شدن رقابت می کند. هنگامی که درجه حرارت بالا می رود فراتر از نقطه خاصی به نام دمای کوری، انتقال فاز دومی وجود دارد که سیستم دیگر نمی‌تواند خاصیت مغناطیسی خودجوش خود را حفظ کند، گرچه آن پاسخ پارامغناطیسی به میدان خارجی است. دمای کوری خود یک نقطهٔ بحرانی است، که در آن حساسیت مغناطیسی بی نهایت است، اگر چه هیچ خاصیت مغناطیسی خالصی وجود ندارد، ولی دامنه‌ها همبستگی نوسان‌ها در تمام مقیاس‌ها را خواستارند. مطالعه انتقال فاز فرومغناطیسی، به ویژه از طریق مدل چرخشی Ising، تاثیر مهمی در توسعه فیزیک آماری داشته است، ابتدا به وضوح نشان داده شد که تئوری موفق به پیش بینی رفتار درست در نقطه بحرانی نیست (که شامل کلاس جهانی که در بر گیرنده بسیاری از سیستم‌های دیگر از قبیل انتقال گاز- مایع است )و باید گروه دیگری از نظریه‌های عادی ساز را جایگزین کرد.

منابع[ویرایش]

  • 1Richard M. Bozorth, Ferromagnetism, first published 1951, reprinted 1993 by IEEE Press New York as a "Classic Reissue." ISBN 0-7803-1032-2.
  • ^ Lander GH, Lam DJ (1976). "Neutron diffraction study of PuP: The electronic ground state". Phys Rev B. 14 (9): 4064–7. doi:10.1103/PhysRevB.14.4064.
  • ^ a b c Mueller MH, Lander GH, Hoff HA, Knott HW, Reddy JF (Apr 1979). "Lattice distortions measured in actinide ferromagnets PuP, NpFe2, and NpNi2". J Phys Colloque C4, supplement 40 (4): C4–68–C4–69. http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/21/88/17/PDF/ajp-jphyscol197940C421.pdf.
  • ^ Aldred AT, Dunlap BD, Lam DJ, Lander GH, Mueller MH, Nowik I (1975). "Magnetic properties of neptunium Laves phases: NpMn2, NpFe2, NpCo2, and NpNi2". Phys Rev B. 11 (1): 530–44. doi:10.1103/PhysRevB.11.530.
  • ^ G-B Jo, Y-R Lee, J-H Choi, C. A. Christensen, T. H. Kim, J. H. Thywissen, D. E. Pritchard, and W. Ketterle (2009). "Itinerant Ferromagnetism in a Fermi Gas of Ultracold Atoms". Science 325: 1521–1524.
  • ^ Feynman, Richard P.; Robert Leighton, Matthew Sands (1963). The Feynman Lectures on Physics, Vol.2. USA: Addison-Wesley. pp. Ch. 37. ISBN 0-201-02011-4H
  • CHARLES P. POOLE JR.(Ed.), Encyclopedic Dictionary of Condensed Matter Physics Vol. 1, Elsevier Inc., United Kingdom, 2004. ISBN 0-12-561465-9

پانویس[ویرایش]

  1. Exchange interaction
  2. ویکی‌پدیای انگلیسی