مقاله شماره 78: نانو پودرهای مغناطیسی

[m4material]

هوالعليم

نانو پودرهای مغناطیسی - بخش اول

خاصيت مغناطيسی چيست و چرا بوجود می آيد؟

​

ميدان مغناطيسي :ميدان مغناطيسي‌ يك ميدان نيروست، مثل ميدان جاذبة زمين. درست همان‌طور كه يك جسم در محدودة ميدان جاذبة زمين، جذب زمين مي‌شود، يك قطعة مغناطيسي نيز در ميدان مغناطيسيِ يك آهن‌ربا، جذب آهن‌ربا مي‌شود.
اين خاصيت مغناطيسي در آهن‌ربا به علت وجود دوقطبي‌هاي مغناطيسي است (يعني يك آهن‌ربا متشكل از آهن‌رباهاي ريز است). علت به وجود آمدن دوقطبي‌هاي مغناطيسي، حركت الكترون‌هاست. براي درك بهتر انواع حركت‌هاي الكترون، بهتر است قدري راجع به ساختمان اتم صحبت كنيم.
ساختمان اتم
همان‌طور كه مي‌دانيم، اتم شامل مجموعه‌اي از ذرات باردار مثبت (پروتون‌ها) در هسته و مجموعه‌اي از ذرات باردار منفي (الكترون‌ها) در پوسته است. (نوترون در ايجاد خاصيت مغناطيسي تأثيري ندارد). الكترون‌ها در مدارهايي حلقوي به نام اُربيتال دور هسته مي‌چرخند. با نگاه به نمودار زير (كه براي Fe[SUB]26[/SUB] رسم شده است) قطعاً اين مجموعه را به خاطر خواهيد آورد:

fe[SUB]26[/SUB]:1s[SUP]2[/SUP],2s[SUP]2[/SUP],2P[SUP]6[/SUP],3s[SUP]3[/SUP],3P[SUP]6[/SUP],3d[SUP]4[/SUP],4s[SUP]2[/SUP]​

اُربيتال‌ها به ترتيب با نام‌هاي K و L وM وN و... شناخته مي‌شوند و در هر اُربيتال اتم‌ها در لايه‌هاي s و p و d و f به دور هسته مي‌چرخند. جهت چرخش الكترون به دور هسته را «اسپين» مي‌گوييم. در تمام اين مقاله،‌ مي‌خواهيم اين موضوع را تفهيم کنيم كه چرخش الكترون به دور هسته بُرداري به نام «گشتاور» ايجاد مي‌كند. حتماً قانون دست راست را به خاطر مي‌آوريد: اگر چهار انگشت در جهت چرخش الكترون‌ها خم بشوند، انگشت شصت دست راست، جهت نيرويي را نشان مي‌دهد که در اثر تغيير بردار حرکت الکترون توليد مي‌شود. مجموعة خطوط اين بردارهاي گشتاور، يك ميدان مغناطيسي را به وجود مي‌آورد. يعني وقتي يك جسم در فاصله‌اي نزديك چنين قطعه‌اي قرار بگيرد، اين مجموعه از نيروها بر آن وارد مي‌شوند و به اصطلاح آن را يا به طرف خود جسم مي‌كشند (جاذبه) و يا هُل مي‌دهند (دافعه).

قانون دست راست​

امّا حتماً توجه داريد که دو نيرو در يك راستا، ولي در خلاف جهت هم، همديگر را خنثي مي‌كنند. بنابراين،‌ اگر در يك لايه مانند s ــ كه در آن دو الكترون در خلاف جهت هم دور هسته مي‌چرخند ــ هر دو الكترون وجود داشته باشند، دوبردار نيرو در خلاف جهت توليد مي‌شوند كه همديگر را خنثي مي‌كنند. از اين رو، اگر جسمي در نزديكي آنها قرار بگيرد، يك نيرو آن را مي‌كشد و يك نيرو آن را هُل مي‌دهد و در کل هيچ نيرويي بر آن وارد نمي‌شود. پس مادة مورد نظر ما، با يك اربيتال پُر (داراي تعداد الكترون‌هاي زوج در لاية آخر كه براي Fe[SUB]26[/SUB]،‌ اربيتال d لاية آخر است) داراي خاصيت مغناطيسي نخواهد بود.
اما يك راه ديگر هم براي ايجاد خاصيت مغناطيسي در ماده وجود دارد. در اين روش، خاصيت مغناطيسي ناشي از نوع ديگري از حركت الكترون در اتم است. چون الكترون‌ها به جز حركت اُربيتالي (چرخش به دور هسته كه در بالا توضيح داده شد) مي‌توانند مثل كرة زمين به دور خود نيز بچرخند. در اين حالت نيز همان بردار گشتاور ايجاد مي‌شود و اگر تعداد الكترون‌ها در لاية آخر زوج باشد دوباره نيروهاي به‌وجودآمده همديگر را خنثي مي‌كنند.
جامداتي كه در آنها لاية d در حال پر شدن است، داراي خاصيت مغناطيسي خواهند بود، اما اين خاصيت مغناطيسي فقط ناشي از چرخش الكترون‌هاي لاية آخر (

: Fe[SUB]26[/SUB]) است. زيرا لاية d به هسته نزديك است و جاذبة هسته به الكترون‌هاي اين لايه اجازه نمي‌دهد که به دور خود بچرخند. اما در جامداتي كه لاية f در حال پُر شدن است، چون فاصلة لايه از هسته زياد است، الكترون‌ها هم مي‌توانند به دور خودشان و هم به دور هسته بچرخند. پس دو بردار نيرو ناشي از دو نوع حركت به وجود مي‌آيد و واضح است كه خاصيت مغناطيسي بسيار بيشتر از حالت قبل خواهد شد. البته به اين موضوع هم بايد توجه كرد كه جهت چرخش به دور هسته (حركت اُربيتالي) و چرخش به دور خود (حركت وضعي)‌ براي يك الكترون در خلاف هم هستند. حوزه‌هاي مغناطيسي
يك مادة مغناطيسي مجموعه‌اي از حوزه‌هاي مغناطيسي است. حوزة مغناطيسي،‌ ناحيه‌اي است كه درون آن همة الكترون‌هاي لايه‌هاي منفرد در يك جهت به دور هسته و به دور خود مي‌چرخند. يعني يك مادة چندحوزه‌اي مجموعه‌اي از حوزه‌هاست كه در هر حوزه الكترون‌ها در جهتي خاص به دور هسته مي‌چرخند و مشخص است كه هر چرخش الكترون، بردار نيرو در راستاي خاص خود را به وجود مي‌آورد و مجموعة بردارهاي نيروي توليدشده، در جهات مختلف، به نوعي همديگر را خنثي مي‌كنند. يعني ميدان نيروي ما، مجموعه‌اي از نيروهاي پراكنده است. پس قدرت آن ضعيف‌تر خواهد شد.

حوزه‌هاي مغناطيسي​

براي درك اين موضوع به مثال زير توجه كنيد.
دو اتاق كنار هم را در نظر بگيريد. در اتاق اول 10 نفر وجود دارند. از اين 10 نفر، 1 نفر از جنوب به شمال،‌ 2 نفر از غرب به شرق، 1 نفر از شرق به غرب و 4 نفر از شمال به جنوب در حركت‌اند. (اين اتاق دقيقاً همان مادة چندحوزه‌اي است كه در بالا به آنها اشاره شد و فلش‌ها جهت حركت آدم‌ها هستند.)
در اتاق دوم 4 نفر وجود دارند كه همگي از شمال اتاق

به سمت جنوب اتاق در حركت‌اند. مشخص است كه در اتاق اول آدم‌ها با هم برخورد مي‌كنند. بنابراين، برآيند حركت آنها از شمال اتاق به جنوب اتاق خيلي كم‌تر از حركت دو نفر از شمال اتاق به جنوب آن است. اما در اتاق دوم، چهار نفر به‌راحتي حركت مي‌كنند و هيچ برخوردي بين آنها وجود ندارد. بنابراين، برآيند حركتيِ آنها معادل حركت 4 نفر است. القاي مغناطيسي
القاي مغناطيسي يعني اينكه بخواهيم ماده‌اي را كه براي مغناطيسي شدن مناسب است، مغناطيس كنيم. واضح است كه براي اين كار بايد حوزه‌هاي مغناطيسي غير هم‌جهت را هم‌جهت كنيم تا نيروهاي حاصل همديگر را خنثي نكنند. براي اين كار بايد قطعه را با يك آهن‌ربا مالش دهيم، يا آن را در جهت ميدان مغناطيسيِ زمين گداخته كنيم يا در اين جهت چكش‌كاري كنيم. اين كارها باعث چرخيدن فلش‌ها در هر حوزه ‌مي‌شوند تا در نهايت تمام فلش‌ها هم‌جهت شوند، يعني جهت چرخش الكترون‌ها در هر حوزه عوض شود. با اين كار مرز بين حوزه‌ها حركت مي‌كند و حوزه‌هاي كوچك‌تر در حوزه‌هاي بزرگ ادغام (هضم) مي‌شوند.

تأثير ميدان بر حوزه‌هاي مغناطيسي
​

​

 

[m4material]

نانوپودرهای مغناطیسی، بخش دوم(از آهنربا تا نانوپودرهای مغناطیسی)

نانوپودرهای مغناطیسی، بخش دوم(از آهنربا تا نانوپودرهای مغناطیسی)

نانوپودرهای مغناطیسی، بخش دوم

از آهنربا تا نانوپودرهای مغناطیسی

​

مقدمه
ساده‌ترين مواد مغناطيسي که مي‌شناسيم، آهنرباها هستند. آهن‌رباها نقش تعيين‌كننده‌اي در زندگي بشر دارند. در اين فصل نشان مي‌دهيم كه براي استفاده از برخي خواص مغناطيس، از جمله در كارت‌هاي اعتباري، بايد از پودرهاي مغناطيسي استفاده كرد. همچنين نشان مي‌دهيم كه اندازة پودرها تأثير زيادي در خاصيت مغناطيسي آنها دارد. سرگذشت آهنربا
بزرگترين مادة مغناطيسيِ زمين، خودِ زمين است. زمين آهنربايي دوقطبي است كه ميدان مغناطيسي آن در جهت شمال به جنوب قرار دارد. يعني اگر آهنربايي را در فضا معلق نگاه داريم، در اين جهت قرار مي‌گيرد.
اولين مادة مغناطيسي كه بشر شناخت، اكسيدآهن بود. اين ماده داراي خاصيت آهنربايي غيردائمي است. يعني خاصيت مغناطيسي آن از بين مي‌رود. مواد مغناطيسي در سه دستة فلزات، سراميک‌ها، و پليمرها مي‌گنجند. عمدة مواد مغناطيسي جزء دستة سراميك‌ها هستند. سراميك‌ها از طريق پيوند يونيِ يك فلز يا غيرفلز با كوچك‌ترين اتم‌هاي طبيعت، يعني اكسيژن،‌ نيتروژن، بور و كربن به وجود مي‌آيند. (البته هيدروژن كه كوچك‌تر از همه است در اين بين نيست.)
خواص مغناطيسي اكسيد آهن توسط «تالس» شناخته شد.

تالس​

در قرن هفتم ميلادي از اين ماده آهنربا ساخته شد و در قطب‌نما به کار رفت.
آهنربا و دانش ساخت آن، پس از پانصد سال از چين به اروپا رسيد. در اروپا‌ دانشمندي فرانسوي به نام گيلبرت، كتاب «قطعات آهنرباشده و آهنرباي بزرگ زميني» را نوشت. در اين كتاب قديمي‌ترين و ساده‌ترين روش‌هاي آهنربا كردن يك قطعة مغناطيسي به شرح زير بيان شده‌اند:

گيلبرت​

1. مالش دادن يك قطعة آهني (قطعه‌اي که مي‌خواهيم مغناطيسي شود) با يك آهنربا (داراي ميدان مغناطيسي)؛
2. گداخته كردن يك قطعة آهني (تا سرخ شود)‌ و سپس سرد كردن آن در جهت ميدان مغناطيسي زمين؛
3. چكش‌كاري يا كشش يك قطعة آهني در جهت ميدان مغناطيسي زمين.
نانوپودرهاي مغناطيسي
مي‌دانيم که اندازة مواد و پديده‌ها در مغناطيس در مقياس بسيار ريز قرار دارد. از سوي ديگر، مي‌دانيم كه يك ماده هر چه حوزه‌هاي کم‌تعدادتري داشته باشد، نيروي كمتري براي همجهت کردن حوزه‌هاي آن لازم است. اگر ماده تنها داراي يك حوزه باشد، در اين صورت ديگر نيازي به همجهت كردن آن با ديگر حوزه‌ها نيست. از آنجا‌كه قطر اين حوزه‌ها در محدودة يک تا چند هزار نانومتر قرار دارد، اگر هر ذره فقط داراي يک حوزه باشد، مي‌تواند نانوپودر به شمار رود. به اين ترتيب، ذرات نانوپودر داراي تعداد حوزه‌هاي كمي هستند و مغناطيس كردن آنها كار ساده‌اي است. از طرف ديگر، بر اساس قانون دوم ترموديناميک، مي‌دانيم که موادي که از حالت طبيعي خارج شده‌اند، تمايل دارند که به حال طبيعي خود بازگردند و مغناطيس كردن يك ماده، ماده را از حالت طبيعي خود خارج مي‌کند. اما چون نانوپوردها احتياج به نيروي زيادي براي مغناطيس شدن ندارند و از حالت طبيعي خود خيلي فاصله نمي‌گيرند، پس از مغناطيس شدن، تمايل زيادي براي از دست دادن اين خاصيت و بازگشت به حالت طبيعي ندارند.

قانون دوم ترموديناميک: بي نظمي در يک سيستم منزوي، در يک فرايند خودبه‌خودي، افزايش مي‌يابد.

اما به طور كلي با گرم كردن يك مادة مغناطيس‌شده تا دماي كوري، حوزه‌ها به جهت‌هاي اوليه خود برمي‌گردند و خاصيت خود را از دست مي‌دهند.

دماي کوري دمايي است که در آن ماده کاملاً خاصيت مغناطيسي خود را از دست مي‌دهد.

كاربردهاي نانوپودرهاي مغناطيسي
1. ساخت آهنربا
براي ساخت آهنربا مي‌توان به روشي که در ساخت قطعات از نانوپودرها توضيح داده شده است عمل كرد. يعني پودرها را تحت فشار در دماي بالا قرار داد تا به هم بچسبند و يك قطعه درست شود. چنين قطعات آهنربايي در بلندگوها، هدفون‌ها و... استفاده مي‌شوند. جالب است بدانيد خودروهاي جديد 70 آهنرباي دائمي دارند. حركت موتورهاي DC، حركت سقف، شيشه‌هاي پنجره و... با استفاده از آهنرباها كنترل مي‌شوند.
قطارهايي هم كه روي هوا حركت مي‌كنند، بر مبناي نيروي دافعة بين آهنرباها در ريل و كف قطار، روي هوا مي‌ايستند. يكسو و غيرهمسو كردن جريان الكتريكي اين آهنرباها را به وجود مي‌آورد و موجب حرکت يا ترمز قطار مي‌شود.

​

​

2. قطعات آهنرباييِ کامپوزيت‌شده با پليمرها
به جاي روش حرارت تحت فشارِ پودرها که خاصيت مغناطيسي را کم مي‌کند، مي‌توان از پليمرها كه در دماي نه چندان بالا ذوب مي‌شوند استفاده كرد. به اين شکل که پودرهاي مغناطيسيِ مذاب را در آنها بريزيم و سرد كنيم تا جامد شوند. البته پليمرها خاصيت مغناطيسي ندارند و بنابراين خاصيت مغناطيسي آهنرباي توليدشده كم مي‌شود، ولي مي‌توان از اين نوع آهنربا در جايي كه آهنربا بايد تحت ضربه كار كند، مثل درِ يخچال، استفاده كرد. (توجه کنيد که ضربه خاصيت مغناطيسي را كم مي‌كند.) 3. در محيط‌هاي ذخيره اطلاعات
يکي از مهمترين كاربردهاي پودر مغناطيسي، ذخيرة اطلاعات در كارت‌هاي اعتباري است. در اين محيط‌ها، پودر مغناطيسي به صورت ذرات ريزي که به‌سختي آهنربا مي‌شوند و به‌سختي هم خاصيت آهنربايي خود را از دست مي‌دهند، مورد استفاده قرار مي‌گيرد. حفظ و ماندگاري اطلاعات در چنين محيط‌هايي بسيار مهم است و پايداري خاصيت مغناطيسي در پودرها باعث مي‌شود اطلاعات حکاکي‌شده‌اي که در قالب حوزه‌هاي مغناطيسي ثبت شده‌اند از بين نروند.

​

​

 

[m4material]

نانوپودرهای مغناطیسی، بخش سوم(چگونه يک آهنربا بسازيم؟)

نانوپودرهای مغناطیسی، بخش سوم(چگونه يک آهنربا بسازيم؟)

نانوپودرهای مغناطیسی، بخش سوم

چگونه يک آهنربا بسازيم؟

مي‌خواهيم چه کار کنيم؟ مي‌خواهيم با موادّ مختلف چند نوع آهنربا بسازيم و خواصّ مغناطيسيِ آنها را با هم مقايسه کنيم. براي اين کار، آنها را گرم مي‌کنيم تا ببينيم چقدر خاصيت مغناطيسيِ آنها در برابر حرارت پايدار است (زيرا حرارت خاصيت مغناطيسي را از بين مي‌برد). چه چيزهايي لازم داريم؟ 1. يك آهنرباي بزرگ و قوي 2. چهار نوع مادة آهنيِ مناسب براي درست کردنِ آهنربا (به شرحي که خواهد آمد) 3. يك چراغ حرارتي. ​ چهار نوع قطعة آهنيِ مناسب کدام‌اند؟ اندازه قطعات مغناطيسي، نشان‌دهنده تعداد حوزه‌هاي مغناطيسيِ آنهاست. بنابراين، چهار نوع قطعة آهني را که شکلِ پراکندگي بُردارهاي مغناطيسي در آنها با هم فرق دارد، به اين شرح انتخاب مي‌کنيم: 1. يك تكه آهن.‌ تكة آهن، يک قطعة سه‌بُعدي است، يعني در هر سه بُعد از فضا حوزه‌هاي مغناطيسي دارد. شكل 1: تصوری از یک تکه‌آهن که ماده‌ای است سه‌بُعدي​ 2. يك ورق آهني.‌ اين لايه را مي‌شود يک مادة دوبُعدي در نظر گرفت. حوزه‌هاي مغناطيسي در سطح صفحه وجود دارند. در واقع، طول و عرض اين صفحه در مقايسه با ضخامت آن بسيار زيادند و بنابراين از ضخامت، در مقايسه با طول و عرض، صرف نظر مي‌شود و در عمل مي‌توان آن را يك مادة دوبُعدي يا صفحه در نظر گرفت. شكل 2: تصوری از یک ورق آهن که در عمل ماده‌ای است دوبُعدي​ 3. يك تکه سيم از جنس آهن. اين سيم مثل يك خط است و چون طول و عرضِ سطح مقطع آن در مقايسه با ارتفاع آن بسيار ناچيز است، مي‌توان آن را ماده‌اي يك‌بُعدي به شمار آورد. در چنين ماده‌اي حوزه‌هاي مغناطيسي تنها در يك بُعد كه همان ارتفاع است وجود دارند. شكل 3: تصوری از یک تکه سیم که می‌شود آن را ماده‌ای يك‌بُعدي به شمار آورد​ 4. يك مُشت پودر آهن. در پودر آهن، هر سه بُعدِ طول و عرض و ضخامت بسيار کم‌اند. بنابراين، مي‌توان ذراتِ آن را يك نقطه به شمار آورد که ماده‌اي است صفربُعدي. در واقع، حوزه‌هاي مغناطيسي در چنين ماده‌اي در هيچ‌يک از ابعاد توزيع نشده‌اند. شكل 4: تصوری از یک ذره پودر آهن که ماده‌ای صفربُعدی تصور می‌شود​ آزمايش را چگونه انجام دهيم؟ چهار نوع قطعه آهني را با يكي از سه روشِ پيشنهاديِ گيلبرت آهنربا مي‌كنيم. اين سه روش از اين قرارند: 1. مالش دادن قطعه با آهنربا؛ 2. گداختن و قرار دادن قطعه در راستاي ميدان مغناطيسي زمين؛ 3. چكش‌كاري يا كشيدن قطعه در راستاي ميدان مغناطيسي زمين. ​ قطعاتِ آهنربا را در فاصله‌اي مشخص از يک مشت بُراده آهن قرار مي‌دهيم تا ببينيم کدام‌يک براده بيشتري جذب مي‌کنند. در مورد پودرها، ابتدا از آنها يک قطعه آهنربا درست مي‌کنيم. يعني آنها را به هم مي‌فشاريم و دما را بالا مي‌بريم. افزايش دما از خاصيت مغناطيسي مي‌کاهد و حتي افزايش بيش از حدّ دما، خاصيتِ مغناطيسي را کاملاً از بين مي‌برد، اما چون مقداري از بردارهاي نيرو در آن باقي مي‌مانند، اگر قطعة ساخته‌شده را دوباره در ميدان مغناطيسي قرار دهيم، خاصيت آهنربايي بسيار بيشتر از قبل خواهد شد. از آنجا که سطحِ قطعات ساخته‌شده از پودر زبر هستند، مي‌توان به‌راحتي آنها را با چشم تشخيص داد. فيلمي را که از پايينِ اين متن مي‌توانيد برداريد و ببينيد، نشان مي‌دهد که چگونه با حرارت دادن پودر تحت فشار مي‌توان يک آهنرباي قوي درست کرد. در اينجا مقداري پودر آهن را در يک قوطي کبريت (به عنوان قالب) ريخته و در دماي بالا حرارت داده‌ايم تا يک قطعه متشکل از پودرِ آهن توليد شود. سطح تماس قطعات هم در ميزان برادة جذب‌شده ‌تأثير دارند و بنابراين، بايد ميزان براده جذب‌شده را نسبت به سطح قطعه در نظر بگيريم. همان‌طور که در فيلم مي‌بينيد، آهنرباهايي که بُعدِ کمتري دارند، براده‌ بيشتري نسبت به سطحشان جذب مي‌کنند. ​ کیفیت پایین کیفیت بالا براي مقايسة ماندگاريِ خاصيت آهنربايي، قطعات آهنربا را به درجات مختلف حرارت مي‌دهيم و سپس آزمايش‌هاي گفته‌شده را تكرار مي‌كنيم. پيش‌بينيِ ما اين است که پودرها زودتر مغناطيس مي‌شوند و خاصيت آهنربايي بيشتري پيدا مي‌كنند و از آن طرف، ديرتر خاصيت آهنربايي خود را از دست مي‌دهند. آزمايش‌ها را انجام دهيد تا ببينيد چقدر پيش‌بينيِ ما درست از آب درمي‌آيد! ​ کیفیت پایین کیفیت بالا

​

​