مواد پارامغناطيس و فرومغناطیس

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 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 حركت و جنبش دوقطبي ها راحت‎تر و آسانتر است. هنگامي كه اين مواد را در ميدان مغناطيسي قرار مي‎دهيم، بر دوقطبي هاي آن نيرو وارد مي‎شود و تعداد زيادي از آنها در خطوط ميدان به طوري كه قطب‎هاي شمال در جهت خطوط قرار مي گيرند. اين امر سبب مي شود كه اين مواد به آهنربايي قوي تبديل شود؛ اما چون حركت و جنبش اين دو قطبي ها سريع است، با برداشتن اين

مواد از ميدان مغناطيسي، اين دوقطبي ها به سرعت از مسير خطوط خارج مي‎شود و به حالت كاتوره اي و سمت گیری های غیر مشخص و غیر منظم قبلي برمي‎گردد و در خارج از خطوط ميدان به سرعت خاصيت مغناطيسي خود را از دست مي‎دهد؛ به عبارتی خاصیت پارامغناطیس خاصیت جذب شدن به‌وسیلهٔ یک مغناطیس را گویند. تمام فلزات داراي يك اثر پارامغناطيس ضعيف مي‌باشند كه به دما وابسته نيست و با توجه به نظرية الكترون ‌آزاد و گشتاور مغناطيسي اسپين ذاتي الكترونهاي آزاد توجيه مي‌شود. محدودة حركت الكترونهاي آزاد در نوارهاي انرژي است، در مرز اين نواحي، امواج الكترون بوسيلة بلور بازتاب براگ مي‌كند كه سبب بوجود آمدن گاف انرژي مي‌شود. اين گافهاي انرژي در تعيين عايق يا رسانا بودن جسم اهميت زيادي مي‌دارند. مواد پارامغناطیس: آلومينيوم،

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 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 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 قطبي‌ها گشتاورهاي مساوي و در جهت خلاف هم دارند، و معمولاً الكترون 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 دوقطبي هاي مغناطيسي كه در يك 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 مغناطيسي به دو دسته تقسيم مي ‌شوند:
الف)مواد فرومغناطيس نرم: به راحتي خاصيت آهن‌ربايي خود را از دست مي‌دهند . مانند آهن
درمواد فرومغناطيس نرم ؛ حوزه‌هايي كه در جهت ميدان هستند به راحتي حجم شان زياد مي‌شود و حوزه‌هايي كه در خلاف جهت ميدان هستند حجم آنها كم مي‌شود.اين مواد در هسته سيملوله ها استفاده مي‌شوند.
ب) مواد فرومغناطيس سخت: به سختي خاصيت مغناطيسي خود را از دست مي دهند. مانند فولاد
در مواد فرومغناطيس سخت مرز حوزه‌ ها به سختي جابه جا مي‌شود . اين مواد در آهن‌رباي دائمي استفاده مي شوند.
درك ويژگي‌هاي مواد فرومغناطيس در مقياس نانو (۸۶/۰۴/۰۵ )
مواد فرومغناطيس در زندگي روزمره بسياري از مردم وجود دارند؛ اين مواد در ساعت‌ها، کارت‌هاي هوشمند، کنترل‌هاي تلويزيون و ابزارهاي فراصوت پزشکي حضوردارند.
به دليل ويژگي‌هاي بسيار مهم اين مواد، محققان دوست دارند از آنها در مقياس نانو استفاده کنند، اما چيزهاي بسيار کمي درباره نحوه عملکرد آنها مي‌دانند.

دو فيزيکدان دانشگاه آرکانزاس براي درک بهتر ويژگي‌هاي بالقوه اين نيروگاه‌هاي بسيار کوچک، شبيه‌سازي‌هاي رايانه‌اي از نانونقاط فرومغناطيس انجام داده‌اند. يافته‌هاي آنها که در مجله Physical Review Letters منتشر شده است، شامل کشف فازهاي ناشناخته اين مواد مي‌شود.
نانونقاط فرومغناطيس منفرد مي‌توانند درون خود يک گرداب تشکيل دهند؛ درون اين نانونقاط بارها به شکل تقريباً دايره‌اي در حرکت مي‌باشند.
مطالعه اخير نشان مي‌دهد که ميدان‌هاي الکتريکي مخالف هم مي‌توانند کايراليته چنين گرداب‌هايي را عوض کنند؛ اين امر مي‌تواند در کاربردهاي فناورانه مهم باشد.