المغناطيسية الحديدية

المادة الفيرومغناطيسية هي مادة تحتوي على مجموعات من الذرات ذات عزوم مغناطيسية متعاكسة ، كما هو الحال في المغناطيسية المضادة ، ولكن هذه العزوم غير متساوية في المقدار، لذلك تبقى مغنطة تلقائية . ^{[ 1 ]} يمكن أن يحدث هذا، على سبيل المثال، عندما تتكون المجموعات من ذرات أو أيونات مختلفة (مثل Fe²⁺ ^و Fe³⁺ ⁾ .

مثل المواد المغناطيسية الحديدية ، تنجذب المواد المغناطيسية الحديدية إلى المغناطيس ويمكن مغنطتها لصنع مغناطيس دائم . أقدم مادة مغناطيسية معروفة، وهي المغنتيت (Fe3O4 _{) ، هي مغناطيسية حديدية} ، ولكنها صُنفت كمغناطيس حديدي قبل أن يكتشف لويس نيل المغناطيسية الحديدية في عام 1948. ^{[ 2 ]} منذ ذلك الاكتشاف، وُجدت استخدامات عديدة للمواد المغناطيسية الحديدية، مثل أقراص محركات الأقراص الصلبة والتطبيقات الطبية الحيوية .

عندما تكون المادة غير متبلورة، فإنها تكون مغناطيسية محيطية .

حتى القرن العشرين، كانت جميع المواد المغناطيسية الموجودة في الطبيعة تُسمى المواد المغناطيسية الحديدية. في عام 1936، نشر لويس نيل بحثًا يقترح فيه وجود شكل جديد من المغناطيسية التعاونية أطلق عليه اسم المغناطيسية المضادة للحديد. ^{[ 3 ]} أثناء عمله على مركب _Mn₂Sb ، اكتشف الفيزيائي الفرنسي شارل غيو أن النظريات السائدة آنذاك حول المغناطيسية لم تكن كافية لتفسير سلوك المادة، فوضع نموذجًا لتفسير هذا السلوك. ^{[ 4 ]} في عام 1948، نشر نيل بحثًا حول نوع ثالث من المغناطيسية التعاونية، استنادًا إلى افتراضات نموذج غيو، وأطلق عليه اسم المغناطيسية الحديدية المضادة. في عام 1970، مُنح نيل جائزة نوبل في الفيزياء تقديرًا لإسهاماته في مجال المغناطيسية . ^{[ 5 ]}

تتشابه المغناطيسية الحديدية مع المغناطيسية الحديدية والمغناطيسية المضادة للحديد في أصولهما الفيزيائية . في المواد المغناطيسية الحديدية، ينشأ التمغنط أيضًا من مزيج من تفاعلات ثنائي القطب وتفاعلات التبادل الناتجة عن مبدأ استبعاد باولي . ويكمن الاختلاف الرئيسي في وجود أنواع مختلفة من الذرات في وحدة الخلية للمواد المغناطيسية الحديدية . ويمكن ملاحظة مثال على ذلك في الشكل أعلاه، حيث تشير الذرات ذات العزم المغناطيسي الأصغر في الاتجاه المعاكس للعزوم الأكبر. يشبه هذا الترتيب ما هو موجود في المواد المغناطيسية المضادة للحديد، ولكن في المواد المغناطيسية الحديدية، يكون العزم الكلي غير صفري لأن العزوم المتعاكسة تختلف في المقدار.

تتميز المواد المغناطيسية الحديدية بدرجة حرارة حرجة تتجاوزها لتصبح مغناطيسية مسايرة، تمامًا كما هو الحال مع المواد المغناطيسية الحديدية. ^{[ 6 ]} عند هذه الدرجة (وتُسمى درجة حرارة كوري )، يحدث انتقال طور من الدرجة الثانية ، ^{[ 7 ]} ولا يعود النظام قادرًا على الحفاظ على مغنطة تلقائية. ويعود ذلك إلى أن الحركة الحرارية عند درجات الحرارة المرتفعة تكون قوية بما يكفي لتتجاوز ميل ثنائيات الأقطاب إلى الاصطفاف.

توجد طرق عديدة لوصف المواد المغناطيسية الحديدية، وأبسطها نظرية المجال المتوسط . في نظرية المجال المتوسط، يمكن كتابة المجال المؤثر على الذرات على النحو التالي:

${\displaystyle {\vec {H}}={\vec {H}}_{0}+{\vec {H}}_{m}}$،

أين${\displaystyle {\vec {H}}_{0}}$هو المجال المغناطيسي المطبق ، و${\displaystyle {\vec {H}}_{م}}$المجال الناتج عن التفاعلات بين الذرات. والافتراض التالي هو${\displaystyle {\vec {H}} _ {m}=\gamma {\vec {M}}}$.

هنا،${\displaystyle {\vec {M}}}$يمثل متوسط ​​مغنطة الشبكة، و${\displaystyle \gamma }$هو معامل المجال الجزيئي. عندما${\displaystyle {\vec {M}}}$و${\displaystyle \gamma }$إذا كان مسموحًا بأن يكون معتمدًا على الموضع والاتجاه، فيمكن كتابته على النحو التالي

${\displaystyle {\vec {H}}_{i}={\vec {H}}_{0}+\sum _{k=1}^{n}\gamma _{ik}{\vec {M}}_{k}}$،

أين${\displaystyle {\vec {H}}_{i}}$هو المجال المؤثر على البنية الفرعية رقم i ، و${\displaystyle \gamma _{ik}}$يمثل معامل المجال الجزيئي بين البنيتين الفرعيتين i و k . بالنسبة للشبكة ثنائية الذرات، يمكن تحديد نوعين من المواقع، a و b .${\displaystyle N}$يمكن تحديد عدد الأيونات المغناطيسية لكل وحدة حجم،${\displaystyle \lambda }$نسبة الأيونات المغناطيسية في المواقع a ، و${\displaystyle \mu =1-\lambda }$الكسر الموجود في المواقع b . وهذا يعطي

$// {H}} _ {bb} = \ gamma _ {bb} {\ vec {M}} _ {ب}.}$

يمكن إثبات ذلك${\displaystyle \gamma _{ab}=\gamma _{ba}}$وذلك${\displaystyle \gamma _{aa}\neq \gamma _{bb}}$، إلا إذا كانت الهياكل متطابقة.${\displaystyle \gamma _{ab}>0}$يفضل محاذاة متوازية لـ${\displaystyle {\vec {M}}_{a}}$و${\displaystyle {\vec {M}}_{ب}}$، بينما${\displaystyle \gamma _{ab}<0}$يفضل المحاذاة المضادة للتوازي. بالنسبة للمواد المغناطيسية الحديدية،${\displaystyle \gamma _{ab}<0}$لذلك سيكون من المناسب أن تأخذ${\displaystyle \gamma _{ab}}$ككمية موجبة، واكتب علامة السالب صراحةً أمامها. بالنسبة للحقول الكلية على a و b، فإن هذا يعطي

${\displaystyle {\vec {H}} _ {a} = {\vec {H}} _ {0}+\gamma _ {aa} {\vec {M}} _ {a} - \ gamma _ {ab} {\vec {M}} _ {b}}$،

${\displaystyle {\vec {H}}_{b}={\vec {H}}_{0}+\gamma _{bb}{\vec {M}}_{b}-\gamma _{ab}{\vec {M}}_{a}}$.

علاوة على ذلك، فإن المعايير${\displaystyle \alpha =\gamma _{aa}/\gamma _{ab}}$و${\displaystyle \beta =\gamma _{bb}/\gamma _{ab}}$سيتم تقديم قيم النسبة بين قوى التفاعلات. وأخيرًا، سيتم تقديم قيم المغنطة المختزلة.

${\displaystyle {\vec {\sigma }}_{a}={\vec {M}}_{a}/\lambda Ng\mu _{B}S_{a}}$،

${\displaystyle {\vec {\sigma }}_{b}={\vec {M}}_{b}/\mu Ng\mu _{B}S_{b}}$

مع${\displaystyle S_{i}}$دوران العنصر رقم i . وهذا يعطينا بالنسبة للحقول ما يلي:

${\displaystyle {\vec {H}}_{a}={\vec {H}}_{0}+Ng\mu _{B}S_{a}\gamma _{ab}(\lambda \alpha {\vec {\sigma }}_{a}-\mu {\vec {\sigma }}_{b})}$،

${\displaystyle {\vec {H}}_{b}={\vec {H}}_{0}+Ng\mu _{B}S_{b}\gamma _{ab}(-\lambda {\vec {\sigma }}_{a}+\mu \beta {\vec {\sigma }}_{b})}$

تُعطى حلول هذه المعادلات (المحذوفة هنا) بواسطة

${\displaystyle \sigma _{a}=B_{S_{a}}(g\mu _{b}S_{a}H_{a}/k_{\text{B}}T)}$،

${\displaystyle \sigma _{b}=B_{S_{b}}(g\mu _{b}S_{b}H_{b}/k_{\text{B}}T)}$.

أين${\displaystyle B_{J}(x)}$هي دالة بريلوين . أبسط حالة لحلها الآن هي${\displaystyle S_{a}=S_{b}=1/2}$. منذ${\displaystyle B_{1/2}(x)=\tanh(x)}$وهذا يعطينا المعادلتين التاليتين:

${\displaystyle \lambda \sigma _{a}={\frac {\tau F(\lambda ,\alpha ,\beta )}{\alpha \beta -1}}(\beta \tanh ^{-1}\sigma _{a}+\tanh ^{-1}\sigma _{b})}$،

${\displaystyle \mu \sigma _{b}={\frac {\tau F(\lambda ,\alpha ,\beta )}{\alpha \beta -1}}(\tanh ^{-1}\sigma _{a}+\alpha \tanh ^{-1}\sigma _{b})}$

مع${\displaystyle \tau =T/T_{\text{c}}}$و${\displaystyle F(\lambda ,\alpha ,\beta )={\frac {1}{2}}\left(\lambda \alpha +\mu \beta +{\sqrt {(\lambda \alpha -\mu \beta )^{2}+4\lambda \mu }}\right)}$لا تمتلك هذه المعادلات حلاً تحليلياً معروفاً، لذا يجب حلها عددياً لإيجاد اعتمادها على درجة الحرارة.${\displaystyle \mu }$.

على عكس المغناطيسية الحديدية، تتخذ منحنيات التمغنط في المغناطيسية الحديدية أشكالًا متعددة تبعًا لقوة التفاعلات والوفرة النسبية للذرات. ومن أبرز مظاهر هذه الخاصية أن اتجاه التمغنط قد ينعكس عند تسخين مادة مغناطيسية حديدية من الصفر المطلق إلى درجة حرارتها الحرجة، وأن قوة التمغنط قد تزداد عند تسخين مادة مغناطيسية حديدية إلى درجة الحرارة الحرجة، وهما ظاهرتان لا تحدثان في المواد المغناطيسية الحديدية. وقد لوحظت هذه التغيرات في درجة الحرارة تجريبيًا في ^{NiFe₂ /} _₅Cr₈ / _₅O₄ [ ⁸ _] ^و Li₁ _/ ₂Fe₅ / _{₄Ce₅ /} ₄O₄ ^{[ 9} _] .

تُسمى درجة الحرارة الأقل من درجة حرارة كوري ، والتي تتساوى عندها العزوم المغناطيسية المتعاكسة (مما ينتج عنه عزم مغناطيسي صافٍ يساوي صفرًا)، بنقطة تعويض المغنطة. تُلاحظ هذه النقطة بسهولة في العقيق وسبائك العناصر الأرضية النادرة والمعادن الانتقالية. علاوة على ذلك، قد تمتلك المواد المغناطيسية الحديدية أيضًا نقطة تعويض الزخم الزاوي ، حيث ينعدم الزخم الزاوي الصافي. تُعد هذه النقطة حاسمة لتحقيق انعكاس سريع للمغنطة في أجهزة الذاكرة المغناطيسية.

عند تعريض المواد المغناطيسية الحديدية لمجال مغناطيسي خارجي، فإنها تُظهر ما يُسمى بالتخلف المغناطيسي ، حيث يعتمد السلوك المغناطيسي على تاريخ المغناطيس. كما تُظهر أيضًا مغنطة تشبع.${\displaystyle M_{\text{rs}}}$يتحقق هذا التمغنط عندما يكون المجال الخارجي قويًا بما يكفي لجعل جميع العزوم المغناطيسية تصطف في نفس الاتجاه. عند الوصول إلى هذه النقطة، لا يمكن أن يزداد التمغنط، لعدم وجود المزيد من العزوم المغناطيسية التي يمكن اصطفافها. عند إزالة المجال الخارجي، لا يختفي تمغنط المغناطيس الحديدي، بل يبقى تمغنط غير صفري. غالبًا ما يُستخدم هذا التأثير في تطبيقات المغناطيس. إذا طُبِّق مجال خارجي في الاتجاه المعاكس لاحقًا، فسيفقد المغناطيس تمغنطه أكثر حتى يصل في النهاية إلى تمغنط مقداره${\displaystyle -M_{\text{rs}}}$ينتج عن هذا السلوك ما يسمى بحلقة التخلف المغناطيسي . ^{[ 10 ]}

تتميز المواد المغناطيسية الحديدية بمقاومة كهربائية عالية وخصائص متباينة . وينشأ هذا التباين بفعل مجال مغناطيسي خارجي. فعندما يتوافق هذا المجال مع ثنائيات الأقطاب المغناطيسية، فإنه يُحدث عزمًا مغناطيسيًا ثنائي القطب، مما يؤدي إلى دوران ثنائيات الأقطاب المغناطيسية بتردد يتحكم فيه المجال، ويُسمى تردد لارمور أو تردد الدوران . فعلى سبيل المثال، تتفاعل إشارة الميكروويف المستقطبة دائريًا في نفس اتجاه هذا الدوران بقوة مع عزوم ثنائيات الأقطاب المغناطيسية ؛ بينما يكون التفاعل ضعيفًا جدًا عند استقطابها في الاتجاه المعاكس. وعندما يكون التفاعل قويًا، تستطيع إشارة الميكروويف اختراق المادة. وتُستخدم هذه الخاصية الاتجاهية في صناعة أجهزة الميكروويف مثل العوازل والموزعات والمحولات . كما تُستخدم المواد المغناطيسية الحديدية في إنتاج العوازل والموزعات البصرية . وتُستخدم المعادن المغناطيسية الحديدية الموجودة في أنواع مختلفة من الصخور لدراسة الخصائص المغناطيسية الأرضية القديمة للأرض والكواكب الأخرى. ويُعرف هذا المجال باسم المغناطيسية القديمة . بالإضافة إلى ذلك، فقد ثبت أن المواد المغناطيسية الحديدية مثل الماغنيتيت يمكن استخدامها لتخزين الطاقة الحرارية . ^{[ 11 ]}

يُعدّ الماغنيتيت ، أقدم مادة مغناطيسية معروفة، مادةً مغناطيسيةً حديدية. وتُظهر المواقع رباعية الأوجه وثمانية الأوجه في بنيته البلورية دورانًا مغناطيسيًا متعاكسًا. ومن المواد المغناطيسية الحديدية الأخرى المعروفة : غارنيت الإيتريوم الحديدي (YIG)؛ والفريتات المكعبة المكونة من أكاسيد الحديد ^مع عناصر أخرى مثل الألومنيوم والكوبالت والنيكل والمنغنيز والزنك ؛ والفريتات السداسية أو من نوع الإسبينيل ^، بما في ^ذلك فريت الرينيوم ( _{ReFe₂O₄ )} و PbFe₁₂O₁₉ و _{BaFe₁₂O₁₉ والبيروتيت} ( _Fe₁₋ₓS ) . _{[ 12 ]}

يمكن أن تحدث المغناطيسية الحديدية أيضًا في المغناطيسات أحادية الجزيء . ومن الأمثلة الكلاسيكية على ذلك جزيء المنغنيز ذو الاثني عشر نواة والذي يتميز بدوران فعال S  =  10، والمشتق من التفاعل المضاد للمغناطيسية الحديدية بين مراكز فلز Mn(IV) ومراكز فلز Mn(III) وMn(II). ^{[ 13 ]}

• طاقة التباين
• التمغنط المداري – التمغنط الكمي للجسيمات المشحونة 

• الوسائط المتعلقة بالمغناطيسية الحديدية على ويكيميديا ​​كومنز