فرومغناطیس

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

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



فرو مغناطیسی مکانیزم اساسی است که توسط آن مواد خاص (مانند آهن) فرم آهنربایی دائم پیدا می کنند و یا به آهن ربا جذب می شوند. در فیزیک، چندین نوع مختلف از خاصیت مغناطیسی وجود دارد. فرو مغناطیسی قویترین نوع است، تنها نوعی است که به اندازه کافی قوی است تا احساس شود، و باعث پدیده‌های مغناطیسی در زندگی روزمره است. یکی از نمونه‌ها آهنربای یخچال می باشد. جاذبه بین آهنربا و مواد فرومغناطیسی " چه در گذشته و چه برای ما امروز قابل تشخیص است ،" با توجه به متن‌های کلاسیک در مورد فرومغناطیسی [1].

همه آهنرباهای دائم (موادی که می تواند توسط یک میدان مغناطیسی خارجی مغناطیسی شوند و بعد از، از بین رفتن میدان مغناطیسی خارجی، باقی بمانند) فرومغناطیس و یا فری مغناطیس هستند، به طوری که مواد دیگر به آنها جذب می شوند.

از لحاظ تاریخی، فرو مغناطیس‌ها برای هر ماده ای که می تواند خود به خود مغناطیسی شوند به کار می رود: لحظه خالص مغناطیسی در غیاب میدان مغناطیسی خارجی ایجاد می شود.این تعریف کلی هنوز در حالت کلی برقرار است. اخیرا، گونه‌های مختلف مغناطیسی خود به خودی شناسایی شده اند [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 magnetic moments of individual particles).

در میان تحقیقات اولیه بر روی فرو مغناطیس‌ها هستند آثار پیشرو از الکساندر استولتفAleksandr) Stoletov )در اندازه گیری نفوذ پذیری مغناطیسی فرو مغناطیس‌ها به نام منحنی Stoletov.شناخته می شوند. منظم شدن فرو مغناطیسی آهنرباهای میکروسکوپی (مغناطیس لحظه ای ذرات انفرادی)

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.

<
Curie temperatures for some crystalline ferromagnetic (* = ferrimagnetic) materials (Kittel, p. 449.)|-Material Curie
temp. (K)
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


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 (معمولا آهن، کبالت یا نیکل) ویا ترکیبات شبه فلزی (بور، کربن، سیلیسیم، فسفر یا آلومنیوم)با نقطه ذوب پایین اشاره نمود.
[ویرایش]
فرومغناطیس‌های آکتنیدی

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

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.

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

علت مغناطیسی شدن

چرخش یک الکترون، همراه با شار الکتریکی آن، منجر به دو قطبی مغناطیسی لحظه ای و ایجاد میدان مغناطیسی می شود. هر چند الکترون را می توان به عنوان توپ در حال چرخشی مجسم نمود، ولی در واقع چرخش مکانیکی کوانتوم با تصویرکلاسیک آن متفاوت است. چرخش الکترون‌ها در اتم‌ها منبع اصلی فرومغناطیس است، هر چند برخی از ترکیبات تکانه زاویه ای مداری الکترون در پیرامون هسته، که یک مقایسه کلاسیک است، نیز معتبر هستند. با این حال در بسیاری از مواد (مخصوصا موادی با لایه الکترونی پر)، کل دو قطبی لحظه همه الکترون‌ها صفر است چون چرخش در بالا / پایین جفت هستند. فقط اتمهای با بخشی از پوسته پر (به عنوان مثال، چرخش جفت نشده) می توانند مغناطیس لحظه ای خالص داشته باشند، پس فرومغناطیس‌ها فقط در موادی با پوسته تا حدی پر اتفاق می افتد. هنگامی که این دو قطبی‌های کوچک مغناطیسی در جهت یکسان تراز وسط قرار دارند، میدان مغناطیسی فردی آنها با یکدیگر جمع می شوند تا یک میدان ماکروسکوپی قابل اندازه گیری ایجاد شود.

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 نمی تواند "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.

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.

وقتی که درجه حرارت را افزایش می یابد، حرکت حرارتی، یا آنتروپی با گرایش فرومغناطیسی برای دو قطبی تراز 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 نمی تواند خاصیت مغناطیسی خودجوش خود را حفظ کنند، 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.