رفتار مغناطيسي مواد عمدتاً به ساختار الكتروني آنها بستگي خواهد داشت, كه مي توانند دو قطبيهاي مغناطيسي را ارائه دهند. تأثيرات متقابل بين اين دو قطبيها نوع رفتار مغناطيسي را مشخص مي كند.

دو قطبيها- و گشتاورهاي مغناطيسي

رفتار مغناطيسي موارد ناشي از حركت الكترونهاست .هر الكترون در اتم دو گشتاور مغناطيسي دارد. يك گشتاور مغناطيسي از چرخش (اسپين) الكترون حول محور خود و ديگري ازحركت اوربيتالي الكترون حول هسته اتم ايجاد مي شود. درشكل زير هر چرخش الكترون حول محور خودش به عنوان يك دو قطبي مغناطيسي عمل كرده و داراي گشتاور دو قطبي است كه مغناطيس بر ناميده مي شود.

آرايش الكتروني هر سطح انرژي معين مي تواند حداكثر شامل دو الكترون (يك جفت الكترون ) با چرخش (اسپين) مخالف باشد. بنابراين ازآنجا كه گشتاورهاي مغناطيسي هر جفت الكترون درهر سطح انرژي برابر و خلاف جهت يكديگر بوده ودر اغلب موارد آرايش الكترونها در اتمها به صورت جفت هستند. لذا دراين عناصر رفتار مغناطيسي مشاهده نمي شود.

تذكر:

براساس اين استدلال, انتظار مي رود كه هر اتم از عنصر با عدد اتمي فرد يك گشتاور مغناطيسي ناشي از الكترون منفرد داشته باشد, اما اين حالت هميشه برقرار نيست, در اغلب اين گونه عناصر تك الكترون مدار خارجي يك الكترون ظرفيت بوده و به دليل تأثير متقابل الكترونهاي ظرفيت هر اتم به طور متوسط گشتاورهاي مغناطيسي يكديگر را خنثي كرده و ماده در كل , رفتار مغناطيسي نخواهد داشت. اما عناصر معيني, مانند فلزات واسط, داراي سطح انرژي داخلي هستند كهبه طور كامل با جفت الكترون پر نشده است. ساختار الكتروني عناصر اسكانديم (Sc) تا مس(Cu) كه در جدول پايين نشان داده شده است. از اين نوع است.

به استثناي كرم و مس, كه در آنها الكترونهاي ظرفيت در سطح 4s با جفت الكترون پر شده است. تك الكترونها در كرم و مس درنتيجه تأثيرات متقابل باديگر اتمها, اثر خود را از دست مي دهند بنابراين اوربيتالهاي 3d درمس به طور كامل پر است و مس رفتار مغناطيسي از خود نشان نمي دهد. وجود تك الكترونها در لايه هاي الكتروني داخلي مي تواند گشتاورهاي دو قطبي مثبت كوچكي داشته باشد. مانند الكترونهاي اوربيتالهاي 3d در Fe , Co و Ni .

رفتار ديا مغناطيسي در مواد

با تاثير ميدان مغناطيسي خارجي در اتمهاي ماده اي كه در اين ميدان قرار مي گيرد. تعادل الكترونهاي آنها كمي برهم مي خورد و دو قطبيهاي مغناطيسي كوچكي در داخل اتمها ايجاد مي شود. اين دو قطبيها با ميدان مغناطيسي خارجي مخالفت مي كنند. اين كنش يك اثر مغناطيسي منفي ايجاد مي كند كه رفتار  ديا مغناطيسي ناميده مي شود. نتيجه رفتار ديا مغناطيسي يك ضريب حساسيت مغناطيسي منفي بسيار كوچك است. رفتار ديا مغناطيسي در بسياري از مواد مانند كادميم, مس, نقره, قلع و روي دردماي معمولي محيط ايجاد مي شود.

رفتار پارامغناطيسي درمواد

بعضي از عناصر واسط و عناصر قليايي خاكي , شامل لايه هاي داخلي با الكترونهاي منفرد هستند.

موقعي كه اين الكترونها با ديگر الكترونهاي ظرفيت ماده به حالت تعادل در نيايند, يك گشتارو مغناطيسي در نتيجه چرخش اين الكترونها باهر اتم همراه مي شود. وقتي اين گونه مواد در اين ميدان مغناطيسي قرار گيرند. با هم رديف شدن گشتاورهاي دو قطبيهاي مغناطيسي اتمها يا مولكولها يك ضريب حساسيت مغناطيسي مثبت كوچكي به دست مي آيد اين اثر رفتار پارا مغناطيسي ناميده مي شود.

رفتار فرو مغناطيسي در فلزات

رفتار ديا مغناطيسي و پارا مغناطيسي با به كارگيري ميدان مغناطيسي خارجي ايجاد مي شود و فقط در مدت زماني كه ميدان مغناطيسي حفظ مي شود خاصيت مغناطيسي باقي مي ماند. اما رفتار فرو مغناطيسي بدون اعمال ميدان مغناطيسي خارجي در بعضي از مواد ظاهر مي شود و اهميت صنعتي زيادي دارد .

رفتار فرو مغناطيسي ناشي از وجود الكترونهاي منفرد درسطوح انرژي 3d فلزات واسط آهن, كبالت و نيكل است چنين رفتاري در فلزات قليايي خاكي كمياب بااوربيتهاي الكتروني منفرد (نيمه پر) 4f  و 5d مانند عناصر sm,Eu و Gd كه براي مواد مغناطيسي دائمي وجود دارد. در نمونه هايي از Fe, Co يا Ni باتاثير متقابل اوربيتالهاي الكتروني اتمهاي مجاور اسپين الكترونهاي خارجي پر نشده 3d درامتدادي موازي با يكديگر جهت گيري مي كنند.

اين جهت گيري اسپينهاي اوربيتالهاي با الكترون منفرد باآرايش خاص فقط در دماهاي پايي پايدار است در دماهاي بالاي به دليل ارتعاشات حرارتي و به هم خوردگي پايين پايدار است در دماهاي بالا به دليل ارتعاشات حرارتي و به هم خوردگي شبكه جهت گيري اسپينها خاصيت مغناطيسي محو مي شود. درجه حرارتي كه در آن رفتار فرو مغناطيسي كاملا ناپديد مي شود دماي كوري (Tc) ناميده مي شود براي مثال دماي كوري آهن 7690c  , نيكل 3850c و كبالت 11310c است

در پايينتر از دماي كوري جهت گيري دو قطبيهاي مغناطيسي اتمي مواد مغناطيسي در محدوده هاي كوچكي كه حوزه هاي مغناطيسي ناميده مي شود. در رديفهاي خاص و منظمي خواهد بود. اگر حوزه هاي مغناطيسي به صورت اتفاقي و بي نظم جهت گيري يافته باشند. دراين صورت رفتار مغناطيسي در كل نمونه وجود نخواهد داشت. دردماهاي بالاتر ازدماي كوري ماده پارا مغناطيسي است و ديگر به عنوان ماده فرو مغناطيسي هيچ گونه اهميتي ندارد. البته چنانچه اين ماده فرو مغناطيسي به آرامي از درجه حرارت بالاي دماي كوري سردشود. حوزه هاي مغناطيسي شكل مي گيرد و بدين ترتيب رفتار فرو مغناطيسي مجددا پديدار مي شود.

مواد فرو مغناطيسي عمدتا شامل فلزات واسط, آهن, كبالت و نيكل هستند. اما مخلوطي از اكسيد آهن با ديگر اكسيدها به نام مواد مغناطيسي سراميكي نيز وجود دارند. مواد فرو مغناطيسي سراميكي از پختن (زينتر كردن) تحت فشار, در دماي بالا , توليد مي شوند. البته خاصيت مغناطيسي اين گونه مواد مانند مواد فرو مغناطيسي فلزي نيست. عنصر MnO درشكل نمايش داده شده است. اين مواد رفتار ضد مغناطيسي يا غير مغناطيسي دارند.

رفتار فري مغناطيسي در سراميكها

در مواد سراميكي , يونهاي مختلف, گشتاورهاي مغناطيسي متفاوتي دارند دو قطبيهاي يون B در خلاف جهت ميدان صف مي كشند، اما به دليل اينكه قدرت تحمل دو قطبيها برابر نيستند، نتيجه، ظاهر شدن رفتار مغناطيسي و مغناطيس شدن ماده است.مواد فري مغناطيسي مي توانند كاربرد ميدان اعمالي را بهبود بخشند. فريتها داراي هدايت الكتريكي كمي بوده و بدين دليل براي بسياري از كاربردهاي الكترونيكي سودمندند.

چگونگي تشكيل مغناطيسي نرم و سخت

اثر حذف ميدان: تمام مواد فرو مغناطيسي درميدان مغناطيسي خارجي، مغناطيس مي شوند، اما نوع رفتار مغناطيسي بعد از حذف ميدان در آنها بسيار متفاوت است. بسياري از مواد به آساني مغناطيس مي شوند و بعد از حذف ميدان، خاصيت مغناطيسي خود را نيز به آساني از دست مي دهند. اين گونه مواد، مواد مغناطيسي نرم ناميده ميشوند. در مقابل اين مواد، موادي كه به سختي مغناطيس مي شوند و پس از حذف ميدان مغناطيسي خارجي رفتار مغناطيسي خود را هنوز درحد بسيار بالايي حفظ مي كنند، مواد مغناطيسي سخت ناميده مي شوند. مواد مغناطيسي سخت براي ساخت مغناطيسهاي دائمي به كار مي روند.

مواد مغناطيسي

فلزات مغناطيسي : آهن خالص، نيكل و كبالت معمولاً براي كاربردهاي الكتريكي به كار نمي‌روند، زيرا كه آنها الكتريكي و حلقه هيسترزيس نسبتاً بزرگي دارند كه به اتلاف بيش ازحد توان منجر مي‌شود. علاوه بر آن، آنها مغناطيسهاي دائمي ضعيفي هستند و حوزه‌ها در آنها به راحتي جهت گيري مجدد مي‌يابند و مغناطيس باقيمانده و حاصلضرب BH درمقايسه با آلياژهاي پيچيده كمتر است، در نتيجه وجود بعضي عيوب درشبكه كريستالي، تغييراتي در خواص مغناطيسي رخ مي‌دهد. نابجاييها، مرزدانه‌ها، مرزهاي بين فازهاي چند گانه و عيوب نقطه‌اي به قفل شن مرزهاي حوزه‌ها كمك مي‌كنند. دراين صورت موقعي كه ميدان مغناطيسي حذف شود، جهت‌گيري حوزه‌ها حفظ مي‌شود.

انواع مواد مغناطيسي

1-آلياژهاي آهن – نيكل

بعضي از آلياژهاي آهن- نيكل، مانند پرم آلوي (%55Fe-% 45Ni)، نفوذ پذيري بالايي دارند، كه اين خاصيت آنها را به عنوان مغناطيسهاي نرم مفيد ساخته است. به عنوان مثال مي‌توان از هد نام برد، كه اطلاعات را بر ديسكت كامپيوتر ذخيره مي‌كند يا مي‌خواند، هنگامي كه ديسكت مي‌چرخد، در زيرهد ، جريان، يك ميدان مغناطيسي درهد ايجاد مي‌كند . ميدان مغناطيسي در هد، به نوبه خود، بخشي از ديسكت را مغناطيسي مي‌كند جهت اين ميدان در هد جهت ذرات مغناطيسي موجود در ديسكت را تعيين كرده و نيتجتا اطلاعات را ذخيره مي كند. اطلاعات مي‌تواند با چرخيدن مجدد ديسكت در زير هد مجددا كسب شود. محدوده مغناطيس شده در ديسكت جرياني در هد ايجاد مي‌كند. جهت اين جريان به جهت ميدان مغناطيسي در ديسكت بستگي دارد.

2-آهن – سيليسيم

با افزودن 3 تا %5Si به آهن آلياژي به دست مي‌آيد  كه بع از فرآيند خاصي (نورد و آنيل كردن) در كاربردهاي الكتريكي ، مانند موتورها و ژنراتورها مفيد است . از رفتار مغناطيسي ناهمسانگرد ورق آهن سيليسيم دار، كه در آن دانه‌ها جهت‌دار شده‌اند، استفاده كرد.

3-مغناطيسهاي كامپوزيتي

كامپوزيت لايه‌اي از ورقهاي نازك آهن- سيليسيم‌دار با ورقهايي از ماده عايق (دي الكتريكي) توليد مي‌شود. لايه‌ها مقاومت ويژه مغناطيسهاي كامپوزيتي را افزايش مي‌دهند و آن را در فركانسهاي پايين و متوسط مناسب مي‌سازند.

فلزهاي شيشه‌اي

فلزي بي‌شكل (غير كريستالي ) اغلب آلياژهاي پيچيده Fe-B با به كارگيري سرعت سرد كردن فوق العاده بالا در حين انجماد ( فرآيند انجماد سريع) توليد مي‌شوند. شيشه‌هاي فلزي به صورت نوارهاي نازك توليد شده و با انباشتن بر روي هم به مواد بزرگتر تبديل مي شوند. رفتار اين مواد همانند مغناطيسهاي نرم با نفوذ پذيري مغناطيسي بالا خواهد بود. عدم وجود مرزدانه‌ها حركت آسان حوزه‌ها را ممكن مي‌سازد.

دو روش براي توليد مواد مغناطيسي وجود دارد:

1- تبديل فاز                   

2- متالورژي پودر

1- آلنيكو ، يكي از متداولترين آلياژهاي فلزي پيچيده ، ساختار تك فازي bcc در دماهاي بالا دارد. اما موقعي كه آلنيكو به آرامي تا زير دماي 8000c سرد شود، فاز دومي با ساختار bcc با رسوبهاي زيادي از آهن ونيكل به دست مي‌آيد. فاز دوم به اندازه‌اي ريزاست كه هر ذره رسوب يك تك حوزه است. بدين ترتيب ماده‌اي مغناطيسي با رفتار مغناطيسي مناسب توليد مي شود. غالبا رديف كردن حوزه‌ها دراين آلياژها بايد با به كارگيري يك ميدان مغناطيسي درحين سرد كردن و تبديل انجام گيرد. آلياژهاي آهن- كرم كبالت ( باحدود %11Co, %28Cr, %61Fe-) از لحاظ ساختار شبيه به آلياژهاي آلنيكو بوده واز جمله آلياژهاي دائمي هستند. اين نوع مغناطيسي بيشتر در گوشيهاي تلفن استفاده مي شوند.

-متالورژي پودر

براي گروهي از آلياژهاي فلزات قليايي خاكي نادر، شامل زاماريم- كبالت به كار مي‌رود. يك تركيب آن Co5SM تركيب بين فلزي است ، كه PH بالايي نسبت به چرخش مغناطيسي الكترونهاي منفرد در الكترونهاي 4f زاماريم دارد. اين تركيب بين فلزي ترد براي توليد پودر ريزي، كه در آن هر ذره يك حوزه باشد، خرد مي‌شود. سپس اين پودر، درحالي كه براي جهت گيري و رديف شدن حوزه‌ها در يك ميدان مغناطيسي قرار مي‌گيرد. متراكم مي‌شود. فرآيند پخت (زينترينگ) بايد با دقت تمام انجام شود. تا از رشد ذرات جلوگيري شود.

مواد سراميكي فري مغناطيسي

سراميكهاي مغناطيسي متداول فريتها هستند، كه ساختار كريستالي اشپينل دارند. هر يون فلزي در ساختار كريستالي به عنوان يك دو قطبي عمل مي كند. اگر چه گشتاورهاي دو قطبي هر نوع يون مي‌تواند با ديگري مخالف كند، ولي قدرت تحمل دو قطبيها متفاوتند.

مغناطيسهاي الكتريكي نرم موقعي به دست مي‌آيد كه يون Fe2+ توسط مخلوطهاي گوناگوني از Mn ، Zn، Ni و Cu جايگزين شود. يونهاي نيكل و منگنز گشتاورهاي مغناطيسي دارند.

كاركرد اين گونه مواد را در فركانسهاي بالا ممكن مي سازد. فريتهايي كه در كامپيوترها به كار مي‌روند، گروه ديگر مغناطيسهاي سراميكي نرم بر پايه سنگ لعل Y3Fe5O12 هستند. اين اكسيدهاي پيچيده كه مي‌توانند با آلومينيم يا كرم به جاي آهن و يا لانتانيم به جاي يتريم جايگزين شده وبهبهود يابند، رفتاري بسياري شبيه فريتها دارند. سنگ ديگر بر پايه گادولينيم و گاليم است كه مي تواند به صورت لايه‌هاي نازك توليد شود. حوزه‌هاي مغناطيسي بسيار كوچك مي‌تواند در اين لايه‌ها ايجاد شود. اين حوزه‌ها حافظه خود را در نتيجه قطع ناگهاني از دست نمي‌دهند.

مغناطيسهاي سراميكي سخت، كه به عنوان مغناطيسهاي دائمي انتخاب مي‌شوند شامل اكسيدهاي فلزي پيچيده ديگري هستند ( فريتهاي هگزاگونال ) اين فريتهاي هگزاگونال شامل pbFe12O19, BaFe12o19,SrFe12O19 هستند.

كاربردهاي الكتريكي

مواد فرو مغناطيسي نرم براي بالا بردن ميدان مغناطيسي موقعي كه جريان الكتريكي از ماده عبور مي كند, به كار مي روند كاربرد اين مواد بيشتر به عنوان هسته الكترومعناطيسها، موتورهاي الكتريكي، ترانسفورموتورها، ژنراتورها و ديگر تجيهزات الكتريكي است. ازآنجا كه در اين دستگاهها ميدان مغناطيسي متناوبي به كار مي رود، ماده هسته به طور متناوب و پيوسته داخل حلقه هيسترزيس عمل مي كند.

مواد مغناطيسي براي حافظه‌هاي كامپيوتر

مواد مغناطيسي براي ذخيره سازي اطلاعات كامپيوتر به كار مي روند. حافظه با مغناطيس كردن ماده در جهت معيني پر مي‌شود. براي مثال، اگر قطب شمال بالا باشد واحد اطلاعاتي ذخيره شده 1 است و اگر قطب شمال پايين باشد يك صفر ذخيره شده است .

فريتهاي مغناطيسي شامل منگنز، منيزيم يا كبالت مي تواند اين خواسته را برآورده سازد.

مواد مغناطيسي براي مغناطيسهاي دائمي

آلياژهاي آهن – نيكل

بعضي از آلياژهاي آهن – نيكل ، مانند پرم آلوي (%55Fe-%45Ni) نفوذ پذيري بالايي دارند، كه اين خاصيت آنها را به عنوان مغناطيسهاي نرم مفيد ساخته است. به عنوان مثال، مي‌توان از هد نام برد كه اطلاعات را بر روي ديسكت كامپيوتر ذخيره مي كند.