مشخصه‌يابي نانومواد؛

مغناطيس‌سنج با نمونه ارتعاشي (VSM)

توصيه‌ي مي‌شود قبل از خواندن اين مقاله‌، حتماً مقاله‌ي "آشنايي با مفاهيم مغناطيسي" را مطالعه بفرماييد.

1. مغناطيس‌سنجي

هدف از مغناطيس‌سنجي، اندازه‌گيري ميزان مغناطش نانومواد است که با روش‌هاي گوناگون و با استفاده از پديده‌هاي مغناطيسي مختلف مي‌تواند انجام شود.

يکي از روش‌هايي که به ويژه در ايران مورد استفاده قرار مي‌گيرد؛ روش مغناطيس‌سنج با نمونه ارتعاشي¹  (VSM) مي‌باشد. در اين روش، نمونه پس از مراحل آماده‌سازي در يک ميدان مغناطيسي خارجي قرار گرفته و منحني مغناطش آن بر حسب ميدان اعمالي (منحني پسماند) رسم مي‌شود. با بررسي و تفسير منحني پسماند در مواد سخت و نرم، مي‌توان ميزان مغناطش و بسياري از مفاهيم ديگر مغناطيسي در نانومواد را به دست آورد.

2. مواد سخت و نرم مغناطيسي

تفاوت عمده مواد نرم و سخت مغناطيسي به حلقه پسماند آن‌ها مربوط مي‌شود. نکته حائز اهميت در اين منحني‌ها، سطح زير حلقه است که بيانگر انرژي مغناطيسي در واحد حجم ماده در چرخه مغناطيس – غيرمغناطيس شدن مي‌باشد.

در مواد مغناطيسي نرم سطح زير حلقه کم بوده و حلقه پسماند باريک دارند. در اين مواد مانند آهن، کبالت و نيکل در صورتي که خالص باشند، حجم حوزه‌ها به سهولت تغيير مي‌کند و در نتيجه به سهولت با يک ميدان ضعيف آهنربا مي‌شوند و خاصيت آهنربايي خود را نيز به راحتي از دست مي‌دهند. اين مواد قابليت نفوذ اوليه و وادارندگي مغناطيسي بالا دارند، که با اعمال ميدان نسبتاً کوچکي به اشباع مي‌رسند. از اين گونه مواد در هسته هاي سيملوله‌ها، در مبدل‌ها، القاگرها و ژنراتورها استفاده مي‌شود. مواد مغناطيس نرم با حذف ميدان مغناطيسي خارجي خاصيت آهنربايي خود را از دست مي‌دهند و به دليل همين خاصيت، آن‌ها براي ساختن آهنرباهاي الکتريکي (آهنرباهاي غيردائم) مناسب‌اند.

برخي ديگر از مواد مانند فولاد (آهن به اضافه‌ي دو درصد کربن)، آلياژهاي ديگري از آهن، کبالت و نيکل به وادارندگي مغناطيسي مقاوم مي‌باشند و به سختي آهنربا مي‌شوند؛ يعني، حجم حوزه‌ها در آن‌ها به سختي تغيير مي‌کند. اين مواد را مغناطيس‌هاي سخت يا دائمي مي‌نامند. اين مواد حلقه مغناطيسي پهني داشته و در مقابل مغناطيس شدن مقاومت زيادي از خود نشان مي‌دهند و داراي ظرفيت نفوذ اوليه پايين هستند. در اين مواد، سمت‌گيري دوقطبي‌هاي مغناطيسي حوزه‌ها پس از حذف ميدان خارجي به سهولت تغيير نمي‌کند. به عبارت ديگر، پس از برداشتن ميدان مغناطيسي خارجي، ماده‌ي مغناطيس سخت، خاصيت آهنربايي خود را حفظ مي‌کند. به همين دليل از اين مواد براي ساختن آهنرباهاي دائمي استفاده مي‌کنند.

براي خاصيت آهنربايي هر ماده‌ي مغناطيس مقدار بيشينه‌اي وجود دارد. اين وضعيت هنگامي پيش مي‌آيد که ماده‌ي مغناطيس در يک ميدان مغناطيسي بسيار قوي قرار گيرد؛ به‌طوري‌که همه‌ي دوقطبي‌هاي مغناطيسي اتمي در همه‌ي حوزه‌ها به موازات هم به خط شوند.

3. دستگاه مغناطيس‌سنج با نمونه‌ي ارتعاشي (VSM)

طرحي از دستگاه VSM را در شکل (3-1) مي‌بينيد. مطابق شکل، دستگاه از يک جفت سيم‌پيچ القاگر که در بين دو قطب يک‌ آهن‌ربا قرار دارد، تشکيل شده است. نمونه نيز در فضاي مابين دو قطب مغناطيسي قرار مي گيرد و براي اطمينان از اين‌که تمام قسمت‌هاي آن، ميدان مغناطيسي نسبتاً يکنواختي را احساس کند؛ چرخش نمونه به طور عمودي و هم‌چينن حول محور خودش صورت مي‌گيرد. ميدان مغناطيسي خارجي توسط قطب‌هاي آهنربا ايجاد و سپس به وسيله‌ي القاگر به نمونه اعمال مي‌شود و نمونه در اثر اين ميدان خارجي مغناطيده مي‌شود. چرخش نمونه در فضاي بين القاگر، سبب تغيير ميدان در فضاي بين سيم‌پيچ‌ها با فرکانس ارتعاشي نمونه مي‌شود. سيگنال‌هاي القاگر کاملاً متناسب با مغناطش نمونه مي‌باشد و به وسيله‌ي يک تقويت کننده قفل شونده²  اندازه‌گيري مي‌شود.

مواد مغناطيسي اصولاً از حوزه‌هاي مغناطيسي تشکيل يافته‌اند که به صورت اتفاقي در ماده توزيع شده‌ و بدون اعمال ميدان، هيچ‌گونه مغناطش را نشان نمي‌دهند. فرايند مغناطش يک ماده مغناطيس با اعمال ميدان از نقطه صفر تا حالت اشباع M=Ms در شکل (3-2) نشان داده شده است.

قسمت a شکل، دو حوزه مغناطيسي با ممان‌هاي اشباع منفرد که در خلاف جهت يکديگر قرار دارند را نشان مي‌دهد. با اعمال ميدان مغناطيسي H (قسمت b)، حوزه مغناطيسي که از نظر انرژي در وضعيت مناسب‌تري قرار دارد (جهت ممان‌هاي حوزه به جهت ميدان نزديک‌تر است) بزرگ‌تر مي‌شود. اکنون يک مغناطش خالص M در ماده به وجود مي‌آيد. با افزايش شدت ميدان، اين حوزه مغناطيس بزرگ‌تر شده تا اينکه ماده فرومغناطيس داراي يک حوزه مغناطيسي منفرد با ممان مغناطيسي موازي با H يا نزديک به جهت آن ‌گردد. مغناطش ماده، اکنون برابر با مقدار M=MsCos? مي‌باشد. ? زاويه بين Ms در طول محور مغناطيسي و H است. در نهايت، با افزايش شدت ميدان، ممان Ms  نيز موازي با جهت H شده و ماده فرومغناطيس با يک مقدار مغناطش Ms  اشباع مي‌گردد. در روش VSM با افزايش شدت ميدان اعمالي مقدار M در هر لحظه ثبت مي‌شود. پس از اين‌که نمونه در مغناطش به حد اشباع رسيد، با کاهش شدت ميدان اعمالي به سمت صفر، ماده داراي مغناطش القا شده پسماند (Mr) خواهد بود که بزرگي آن تابعي از مغناطش اشباع مي‌باشد. ميدان پسماند زداي Hc نيز ميداني‌ است که در آن مغناطش القا شده پسماند کاهش يافته تا به صفر برسد. مقدار Hc که نيروي وادارنگي مغناطيسي نيز ناميده مي‌شود، بر نرم يا سخت بودن ماده فرومغناطيس دلالت دارد. هر چه مقدار Hc کوچک‌تر باشد، يعني ماده در ميدان‌هاي پايين‌تر مغناطش القا شده پسماند را از دست مي‌دهد و از طرفي به راحتي نيز به مغناطش اشباع مي‌رسد و به اصطلاح گفته مي‌شود ماده داراي نيروي وادارنگي و نقوذپذيري بالا مي‌باشد. قابليت نفوذپذيري يک ماده، معرف توانايي آهنربايي شدن آن ماده در حضور ميدان خارجي مي‌باشد.

حلقه‌ پسماند و مقدار Hc دو مشخصه‌ي مهم و اصلي نانومواد مي‌باشند. شکل حلقه‌ي پسماند و مقدار نفوذپذيري نانومواد، به خواص و اندازه‌ي آن‌ها بستگي زيادي دارد.