از این تست برای اندازه گیری قدرت اشباع مغناطیسی مواد (منحنیB-H) و استخراج سایراطلاعات لازم در رابطه با قدرت مواد مغناطیسی و نحوه عملکرد آن تحت میدان مغناطیسی شدید استفاده می شود که کاملترین اطلاعات در رابطه با خواص مغناطیسی به وسیله این دستگاه قابل دریافت می باشد
یکی از مهمترین ویژگی های مواد، خاصیت مغناطیسی آن هاست که از زمانهای نسبتا دور مورد توجه بوده و هم اکنون نیز در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی قرار گرفته است. بنابراین برای بررسی خواص مغناطیسی مواد، دستگاه هایی برای اندازه گیری خواص مغناطیسی آنها نیاز است که یکی از مهمترین آن ها مغناطیس سنج ها می باشند[1]. با استفاده از دستگاه مغناطیس سنج می توان خواص مغناطیس مواد دیامغناطیس، پارامغناطیس، فرومغناطیس، آنتی فرومغناطیس، فری مغناطیس را بررسی کرد.
منشاء خاصیت مغناطیسی در جامدها، الکترون های متحرک می باشند. گرچه بعضی از هسته های اتمی دارای گشتاور دو قطبی مغناطیسی دایمی هستند ولی اثر آنها چنان ضعیف است که نمی تواند آثار قابل ملاحظه ای داشته باشد؛ مگر تحت شرایط خاص مانند اینکه نمونه زیر دمای یک درجه کلوین قرار گیرد یا وقتی که تحت میدان الکترومغناطیسی با فرکانسی قرار گیرد که حرکت هسته ها را تشدید نماید.
مواد در میدان مغناطیسی خارجی رفتار متفاوتی از خود نشان می دهند و با توجه به جهت گیری مغناطش، به چند دسته تقسیم میشوند:
این مواد از اتمهایی تشکیل شده اند که گشتاور مغناطیسی دائم اتمی دارند اما بصورت مجزا و بدون هیچ برهمکنش متقابلی بر روی یکدیگر عمل می کنند که در نهایت، جهت گیری تصادفی دارند. جهت گیری مغناطش آن مثبت ولی کوچک است و تحت تأثیر یک میدان خارجی، در یک راستای تقریبی قرار می‌گیرند.
موادی هستند که در غیاب میدان مغناطیسی خارجی دارای مغناطش خود به خودی بوده و برخلاف پارامغناطیس، گشتاور های مغناطیسی آن با هم برهمکنش می کنند. این مواد مانند آهن، آهنربایی دائم دارند و یا به آهن ربا جذب می شوند و جهت گیری مغناطش آن کاملا دریک راستا می باشد. در بین عناصر جدول تناوبی تنها اهن، کبالت، نیکل، و گادولینیوم در دماهای عادی فرومغناطیس هستند. اما الیاژها و ترکیبات پرشماری با خاصیت فرومغناطیسی یافته می شود که برخی به شکل طبیعی وجود دارند و برخی مصنوعی هستند.کار کرد موتورها، ترانسفورماتور ها، بیشتر وسایط ضبط و بلند گو براساس استفاده از مواد فرو مغناطیس است. پدیده فرو مغناطیس تنها در دماهای پایین تر از دمایی که به دمای کوری Tc معروف است و به جنس ماده بستگی دارد ظاهر می شود.
برای تشکیل دیواره ی بین دو ناحیه با جهت های متفاوت مغناطش انرژی مورد نیاز است که با کم شدن میدان خارجی بدست می اید، و درشکل گیری حوزه های مغناطیسی بین این دو عامل متضاد تعادل باید برقرار شود. موادی که در انها دیواره به راحتی تشکیل می شود، مانند اهن، کبالت و نیکل در صورتی که خالص باشند، حجم حوزه‌ها به آسانی تغییر کرده و 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 سیم لوله‌ها بکار می‌روند و چون به راحتی خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهند، در ساخت آهنرباهای غیر دائم کاربرد دارند.
در موادی که شکل گیری دیواره در انها مشکل است، مانند فولاد (اهن به اضافه ی دو درصدکربن) موادبه 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. دراینگونه مواد برای افزایش حجم حوزه‌هایی که سمت‌گیری مناسب دارند، به میدان مغناطیسی خارجی قویتر نیاز است. پس از برداشتن میدان مغناطیسی خارجی ماده فرومغناطیس سخت، خاصیت آهنربایی خود را حفظ می‌کند. به همین دلیل برای ساخت آهنرباهای دائمی مناسب هستند.
اهنربا چه سخت باشد و چه نرم، اعمال میدان مغناطیسی ابتدا بردار مغناطش درون هر حوزه را به چرخش در می اورد، و سپس دیواره ها با افزایش میدان از بین می روند و مغناطش به حداکثر مقدار خود می رسد که انرا وضعیت اشباع می گویند. وقتی میدان مغناطیسی اشباع کننده برداشته شود، در مواد نرم حوزه ها دوباره شکل می گیرند و مغناطش به مقدار کمینه خود باز می گردد. اما در مواد سخت، تشکیل دیواره مشکل است و مغناطش تا حد زیادی باقی می ماند. این مقدار مغناطش را مغناطش پس ماند می نامند. اغلب به مواد سختی که مغناطش پس ماند بالایی دارند، اهنربای دایم گفته می شود.
برای از بین بردن مغناطش پس ماند، در جهت مخالف میدانی که باعث اشباع نمونه شده است باید میدان مغناطیسی اعمال کرد. میدانی که مغناطش پسمانده را به صفر می رساند میدان وادارنده نامیده می شود. اگر میدان معکوس شده را افزایش دهیم، به اشباع در جهت عکس و سپس با حذف میدان به مغناطش پس مانده در جهت عکس می رسیم. وقتی همین فرایند را ادامه دهیم تا به نقطه ی اشباع برسیم، نمودار مغناطش یا میدان القایی مغناطیسی بر حسب میدان اعمال شده، منحنی بسته ای رسم می کنیم که انرا حلقه پسماند می گویند. اهنربای نرم هم حلقه پسماند دارند، اما مقدار مغناطش پس مانده و میدان وادارنده بسیار کوچک است.
در این مواد مغناطش حاصل شده، در غیاب میدان خارجی حذف می شود و جهت گیری مغناطش آن به گونه ای است که مغناطش کل صفر می شود.
مواد فری مغناطیس:
در این مواد، اندازه ی گشتاورهای مغناطیسی در یک جهت بزرگتر از دیگری می باشد و در نتیجه مغناطش خالص ماده صفر نیست و مغناطیس اشباع این مواد کمتر از فرومغناطیس می-باشد.
مواد دیا مغناطیس:
اتم های دیامغناطیس دارای هیچ گشتاور مغناطیسی نمی باشند و با قرارگرفتن در میدان مغناطیسی خارجی دارای گشتاور مغناطیسی القایی در خلاف جهت میدان خارجی می شوند و آن را تضعیف می کنند.
مواد ابرپارامغناطیس از دو درچه کانال چرخشی در جهت مخالف تشکیل شده اند و تعداد چرخش در هر یک از شبکه ها با تعدد مختلف ممکن است منجر به گشتاور مغناطیسی خالصی شود. مواد ابر پارامغناطیس از مواد مغناطیسی با دامنه منحصربفرد (مثل: نانوذرات مغناطیسی) که دارای خاصیت مغناطیسی فله ای است تشکیل شده است. حساسیت مغناطیسی آن بین مواد فرومغناطیس و پارامغناطیس است.
شکل زیر نمونه توده فرومغناطیس است که متشکل از تعدادی مناطق کوچک می باشد که هرکدام از مغناطیس اشباع شده اند. این مناطق « حوزه» نامیده میشوند. کرز بین دو حزه ( دامنه) همسایه دیوار حوزه نامیده می شود، که متشکل از یک چرخش در جهت گشتاور مغناطیسی بین حوزه های گسسته است. ساختار حوزه می تواند انرژی مطلوبی باشد اگر کاهش انرژی مغناطوستاتیکی به دلیل میدان مغناطیسی در اطراف یک نمونه بوجود بیاید. خواص مغناطیسی نانو ذرات Fe3O4 غیرمعمول هستند چرا که آنها همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است دامنه های تک (واحد) هستند. در واقع ذرات بسیار کوچک از مگنتیت (<40 نانومتر) اساسا چرخش منتظری دارند. ذره بصورت یکنواخت مغناطیسی است و ما آن را دامنه تنها (SD) می نامیم. در ذرات بزرگتر (~ 80 نانومتر) انرژی خودسر آن از تبادل و مغناطوبلوری تجاوز می کند و بلورها دارای مناطق غیر یکنواخت مغناطیسی هستند. بنابر این یک دامنه مغناطیسی، ناحیه ای درون یک ماده است که مغناطیس یکنواختی تولید می کند.
فروسیالات مایعات کلوییدی ساخته شده از ذرات در مقیاس نانو فرومغناطیس، فرومغناطیس یا ابرپارا مغناطیسی معلق در یک مایع حامل (معمولا یک حلال آلی یا آب) می باشند. فروسیال پایدار متشکل از نانوذرات مغناطیسی، مایع حامل و یک سورفاکتانت است. فروسیالات در طبیعت یافت نمی شوند و برای اولین بار در اوایل 1960 معرفی شدند.
اندازه گیری پسماند مغناطیسی با استفاده از یک میدان مغناطیسی خارجی به یک نمونه و مشاهده تغییرات در مغناطیس در نمونه هر نقطه که بعنوان یک میدان خارجی افزایش می یابد، جمع آوری می شود. در طی این فرآیند مواد مغناطیسی بصورت آثار یک منحنی مغناطیسی که معمولا به عنوان یک حلقه پسماند شبیه به شکل 2 است نشان داده می شود.بزرگترین مغناطیس بدست آمده در نمونه مغناطیس اشباع (Ms) نامیده می شود.
Ms یک اندازه گیری از خاصیت مغناطیسی (M) در هر گرم است و توسط فرمول زیر ارائه می شود:
که در آن ρ چگالی مواد است. اگر میدان در جهت معکوس اعمال شود، مغناطیس در میدان (-HC) برابر صفر می شود که در آن HC نیروی قهری نامیده می شود. هنگامی که میدان منفی افزایش می یابد مغناطیس دوباره به حالت اشباع بر می گردد. این رفتار غیر قابل برگشت مغناطیس در مقابل میدان مغناطیسی خارجی است که پسماند نامیده می شود. علاوه بر این، باقیمانده مغناطیس (Mr) مقدار مغناطیس باقی مانده در میدان کاربردی صفر (H=0) است. به طور معمول، نانوذرات مغناطیسی هیچ پسماندی را نمایش نمی دهند و به این ترتیب پسماندزدایی مغناطیس صفر است و هیچ پسماند مغناطیسی در حالی که نانوذرات مسدود شده هر دو را نمایش می دهد، ندارد. مغناطیس اشباع از نانوذرات مغناطیسی ناشی از لایه های سطح مغناطیسی و ناهمسان گردی مغناطیسی، پایین تر از مواد مغناطیسی است.منحنی مغناطیس می تواند برای تعیین توزیع اندازه نانوذرات مغناطیسی استفاده شود زیرا اندازه نانو ذرات در لحظات مغناطیسی متفاوت اندازه های مختلفی دارد. با توجه به اینها، در اندازه نانوذرات منجر به رفتار مغناطیسی مختلف در مقایسه با نمونه منجر به منحنی مغناطیسی می شود. این مهم است که اشاره می کنند صفر و صفر پسماند در منحنی مغناطیس که مواد ابرپارامغناطیس را نشان می دهد، توسط فلش آبی رنگ در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل2 – منحنی پسماند مغناطیسی معمولی که در آن Ms مغناطیس اشباع، Mr مغناطیس پسماند و Hc وادارندگی است.
پارامتر Ms: : نقطه انتهای نمودار در قسمت سمت راست نمودار
پارامتر MR: : محل تلاقی قسمت بالای نمودار و محور Y ها(عمودی)
پارامتر HC : محل تلاقی نمودار با محور X ها (محور افقی)
پارامتر Xi: شیب نمودار بر حسب M به H
منابع:
1)http://edu.nano.ir/index.php?actn=papers_view&id=255
2) 1.http://www.nanomagnetics.org/instrumentation_and_characterization/VibratingSampleMagnetometers_vsm.php
3) 2.http://www.azom.com/materials-equipment.aspx?cat=111
4) 3.PeterMohn, “Magnetism in solid state”, Springer series in solid state science, 1956.
5) 4.http://www.sigmaaldrich.com/materials-science/alternative-energy-materials/magnetic-materials/tutorial/properties.html
6) 5.A .Gulayaev “physical metallurgy” , MIR publishers Moscow , 1980 , vol .2