مشخصه‌یابی نانومواد؛

مغناطیس‌سنج با نمونه ارتعاشی (VSM)

توصیه‌ی می‌شود قبل از خواندن این مقاله‌، حتماً مقاله‌ی "آشنایی با مفاهیم مغناطیسی" را مطالعه بفرمایید.

1. مغناطیس‌سنجی

هدف از مغناطیس‌سنجی، اندازه‌گیری میزان مغناطش نانومواد است که با روش‌های گوناگون و با استفاده از پدیده‌های مغناطیسی مختلف می‌تواند انجام شود.

یکی از روش‌هایی که به ویژه در ایران مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ روش مغناطیس‌سنج با نمونه ارتعاشی¹  (VSM) می‌باشد. در این روش، نمونه پس از مراحل آماده‌سازی در یک میدان مغناطیسی خارجی قرار گرفته و منحنی مغناطش آن بر حسب میدان اعمالی (منحنی پسماند) رسم می‌شود. با بررسی و تفسیر منحنی پسماند در مواد سخت و نرم، می‌توان میزان مغناطش و بسیاری از مفاهیم دیگر مغناطیسی در نانومواد را به دست آورد.

2. مواد سخت و نرم مغناطیسی

تفاوت عمده مواد نرم و سخت مغناطیسی به حلقه پسماند آن‌ها مربوط می‌شود. نکته حائز اهمیت در این منحنی‌ها، سطح زیر حلقه است که بیانگر انرژی مغناطیسی در واحد حجم ماده در چرخه مغناطیس – غیرمغناطیس شدن می‌باشد.

در مواد مغناطیسی نرم سطح زیر حلقه کم بوده و حلقه پسماند باریک دارند. در این مواد مانند آهن، کبالت و نیکل در صورتی که خالص باشند، حجم حوزه‌ها به سهولت تغییر می‌کند و در نتیجه به سهولت با یک میدان ضعیف آهنربا می‌شوند و خاصیت آهنربایی خود را نیز به راحتی از دست می‌دهند. این مواد قابلیت نفوذ اولیه و وادارندگی مغناطیسی بالا دارند، که با اعمال میدان نسبتاً کوچکی به اشباع می‌رسند. از این گونه مواد در هسته های سیملوله‌ها، در مبدل‌ها، القاگرها و ژنراتورها استفاده می‌شود. مواد مغناطیس نرم با حذف میدان مغناطیسی خارجی خاصیت آهنربایی خود را از دست می‌دهند و به دلیل همین خاصیت، آن‌ها برای ساختن آهنرباهای الکتریکی (آهنرباهای غیردائم) مناسب‌اند.

برخی دیگر از مواد مانند فولاد (آهن به اضافه‌ی دو درصد کربن)، آلیاژهای دیگری از آهن، کبالت و نیکل به وادارندگی مغناطیسی مقاوم می‌باشند و به سختی آهنربا می‌شوند؛ یعنی، حجم حوزه‌ها در آن‌ها به سختی تغییر می‌کند. این مواد را مغناطیس‌های سخت یا دائمی می‌نامند. این مواد حلقه مغناطیسی پهنی داشته و در مقابل مغناطیس شدن مقاومت زیادی از خود نشان می‌دهند و دارای ظرفیت نفوذ اولیه پایین هستند. در این مواد، سمت‌گیری دوقطبی‌های مغناطیسی حوزه‌ها پس از حذف میدان خارجی به سهولت تغییر نمی‌کند. به عبارت دیگر، پس از برداشتن میدان مغناطیسی خارجی، ماده‌ی مغناطیس سخت، خاصیت آهنربایی خود را حفظ می‌کند. به همین دلیل از این مواد برای ساختن آهنرباهای دائمی استفاده می‌کنند.

برای خاصیت آهنربایی هر ماده‌ی مغناطیس مقدار بیشینه‌ای وجود دارد. این وضعیت هنگامی پیش می‌آید که ماده‌ی مغناطیس در یک میدان مغناطیسی بسیار قوی قرار گیرد؛ به‌طوری‌که همه‌ی دوقطبی‌های مغناطیسی اتمی در همه‌ی حوزه‌ها به موازات هم به خط شوند.

3. دستگاه مغناطیس‌سنج با نمونه‌ی ارتعاشی (VSM)

طرحی از دستگاه VSM را در شکل (3-1) می‌بینید. مطابق شکل، دستگاه از یک جفت سیم‌پیچ القاگر که در بین دو قطب یک‌ آهن‌ربا قرار دارد، تشکیل شده است. نمونه نیز در فضای مابین دو قطب مغناطیسی قرار می گیرد و برای اطمینان از این‌که تمام قسمت‌های آن، میدان مغناطیسی نسبتاً یکنواختی را احساس کند؛ چرخش نمونه به طور عمودی و هم‌چینن حول محور خودش صورت می‌گیرد. میدان مغناطیسی خارجی توسط قطب‌های آهنربا ایجاد و سپس به وسیله‌ی القاگر به نمونه اعمال می‌شود و نمونه در اثر این میدان خارجی مغناطیده می‌شود. چرخش نمونه در فضای بین القاگر، سبب تغییر میدان در فضای بین سیم‌پیچ‌ها با فرکانس ارتعاشی نمونه می‌شود. سیگنال‌های القاگر کاملاً متناسب با مغناطش نمونه می‌باشد و به وسیله‌ی یک تقویت کننده قفل شونده²  اندازه‌گیری می‌شود.

مواد مغناطیسی اصولاً از حوزه‌های مغناطیسی تشکیل یافته‌اند که به صورت اتفاقی در ماده توزیع شده‌ و بدون اعمال میدان، هیچ‌گونه مغناطش را نشان نمی‌دهند. فرایند مغناطش یک ماده مغناطیس با اعمال میدان از نقطه صفر تا حالت اشباع M=Ms در شکل (3-2) نشان داده شده است.

قسمت a شکل، دو حوزه مغناطیسی با ممان‌های اشباع منفرد که در خلاف جهت یکدیگر قرار دارند را نشان می‌دهد. با اعمال میدان مغناطیسی H (قسمت b)، حوزه مغناطیسی که از نظر انرژی در وضعیت مناسب‌تری قرار دارد (جهت ممان‌های حوزه به جهت میدان نزدیک‌تر است) بزرگ‌تر می‌شود. اکنون یک مغناطش خالص M در ماده به وجود می‌آید. با افزایش شدت میدان، این حوزه مغناطیس بزرگ‌تر شده تا اینکه ماده فرومغناطیس دارای یک حوزه مغناطیسی منفرد با ممان مغناطیسی موازی با H یا نزدیک به جهت آن ‌گردد. مغناطش ماده، اکنون برابر با مقدار M=MsCos? می‌باشد. ? زاویه بین Ms در طول محور مغناطیسی و H است. در نهایت، با افزایش شدت میدان، ممان Ms  نیز موازی با جهت H شده و ماده فرومغناطیس با یک مقدار مغناطش Ms  اشباع می‌گردد. در روش VSM با افزایش شدت میدان اعمالی مقدار M در هر لحظه ثبت می‌شود. پس از این‌که نمونه در مغناطش به حد اشباع رسید، با کاهش شدت میدان اعمالی به سمت صفر، ماده دارای مغناطش القا شده پسماند (Mr) خواهد بود که بزرگی آن تابعی از مغناطش اشباع می‌باشد. میدان پسماند زدای Hc نیز میدانی‌ است که در آن مغناطش القا شده پسماند کاهش یافته تا به صفر برسد. مقدار Hc که نیروی وادارنگی مغناطیسی نیز نامیده می‌شود، بر نرم یا سخت بودن ماده فرومغناطیس دلالت دارد. هر چه مقدار Hc کوچک‌تر باشد، یعنی ماده در میدان‌های پایین‌تر مغناطش القا شده پسماند را از دست می‌دهد و از طرفی به راحتی نیز به مغناطش اشباع می‌رسد و به اصطلاح گفته می‌شود ماده دارای نیروی وادارنگی و نقوذپذیری بالا می‌باشد. قابلیت نفوذپذیری یک ماده، معرف توانایی آهنربایی شدن آن ماده در حضور میدان خارجی می‌باشد.

حلقه‌ پسماند و مقدار Hc دو مشخصه‌ی مهم و اصلی نانومواد می‌باشند. شکل حلقه‌ی پسماند و مقدار نفوذپذیری نانومواد، به خواص و اندازه‌ی آن‌ها بستگی زیادی دارد.

نویسنده: مریم ملک دار