แม่เหล็กและโมเมนต์แม่เหล็ก

http://www.แม่เหล็ก-ตลอดไป.คอม

ทุกสิ่งทุกอย่างในโลกล้วนมีแม่เหล็ก ไม่ว่าจะเป็นโต๊ะ เก้าอี้ ดาวเคราะห์ หรือดวงอาทิตย์ในจักรวาล ไม่ว่าจะอยู่ในสถานะใด (ผลึก อสัณฐาน ของเหลว หรือก๊าซ) อุณหภูมิสูงหรือต่ำ ความดันสูงหรือต่ำ ทุกสิ่งล้วนมีแม่เหล็ก ความแตกต่างก็คือ สารบางชนิดมีแม่เหล็กแรง ในขณะที่บางชนิดมีแม่เหล็กอ่อน อย่างไรก็ตาม อาจกล่าวได้ว่าสารที่ไม่มีแม่เหล็กไม่มีอยู่จริง สารสามารถจำแนกได้เป็น 5 ประเภทตามลักษณะในสนามแม่เหล็กภายนอก ได้แก่ สารพาราแมกเนติก สารไดอะแมกเนติก สารเฟอร์โรแมกเนติก สารเฟอร์ริแมกเนติก และสารแอนตี้เฟอร์โรแมกเนติก อะไรทำให้สารทั้งหมดมีแม่เหล็ก เหตุใดสารต่างๆ จึงมีลักษณะดังกล่าวข้างต้นที่แตกต่างกัน เริ่มต้นด้วยพื้นฐานของสสาร - อะตอม สสารประกอบด้วยอะตอม และอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสของอะตอมและอิเล็กตรอน ในอะตอม อิเล็กตรอนมีโมเมนต์แม่เหล็กวงโคจรเนื่องจากการเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสของอะตอม อิเล็กตรอนมีโมเมนต์แม่เหล็กสปินเนื่องจากสปิน และโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมส่วนใหญ่มาจากโมเมนต์แม่เหล็กวงโคจรและสปินของอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดแม่เหล็กของสสารทั้งหมด โมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียสอะตอมมีค่าเพียง 1/1836.5 ของอิเล็กตรอน ดังนั้นโดยทั่วไปจะไม่สนใจโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียสอะตอม

โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมแยกเดี่ยว

โมเมนต์แม่เหล็กเป็นเวกเตอร์ทิศทาง โหมดสปินของอิเล็กตรอนในอะตอมสามารถแบ่งได้เป็นสองประเภทคือ ขึ้นและลง ในสารส่วนใหญ่มีอิเล็กตรอนที่มีสปินขึ้นและลงจำนวนเท่าๆ กัน และโมเมนต์แม่เหล็กที่อิเล็กตรอนเหล่านี้สร้างขึ้นจะหักล้างกัน อะตอมทั้งหมดไม่มีแม่เหล็กต่อโลกภายนอก มีอะตอมของสารเพียงไม่กี่อะตอมเท่านั้นที่มีจำนวนอิเล็กตรอนในทิศทางสปินที่แตกต่างกัน ดังนั้น หลังจากโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนที่มีสปินตรงข้ามกันหักล้างกัน อิเล็กตรอนบางตัวยังคงมีโมเมนต์แม่เหล็กของสปินที่ถูกหักล้างกัน และอะตอมทั้งหมดจะมีโมเมนต์แม่เหล็กทั้งหมด โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมเดี่ยวขึ้นอยู่กับโครงสร้างอะตอมของมัน ซึ่งก็คือการจัดเรียงและจำนวนอิเล็กตรอน อะตอมของธาตุทั้งหมดในตารางธาตุมีโมเมนต์แม่เหล็กของตัวเอง โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมในผลึกที่เรากล่าวถึงข้างต้นคือโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมเดี่ยว แต่ในผลึกแข็งหรือไม่ใช่ผลึก อะตอมจะอยู่ที่โหนดผลึกและได้รับผลกระทบจากสนามไฟฟ้านิวเคลียร์และสนามไฟฟ้าสถิตอิเล็กตรอนของอะตอมข้างเคียง ดังนั้นโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมในผลึกจึงแตกต่างจากโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมเดี่ยวที่แยกจากกัน ตัวอย่างเช่น เหล็ก โคบอลต์ และนิกเกิล เรียกว่าโลหะทรานซิชัน 3 มิติ ในผลึก อิเล็กตรอนของอะตอมบางตัวจะกลายเป็นอิเล็กตรอนสาธารณะของอะตอมที่อยู่ติดกัน ทำให้โครงสร้างอิเล็กตรอนของอะตอมเปลี่ยนแปลงไป โมเมนต์แม่เหล็กวงโคจรบางตัวถูกตรึงไว้ เหลือเพียงโมเมนต์แม่เหล็กสปินที่ส่งผลต่อโมเมนต์แม่เหล็กอะตอมในผลึก เป็นผลให้โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมในผลึกเบี่ยงเบนไปจากค่าทางทฤษฎี เราทราบอยู่แล้วจากเนื้อหาที่ผ่านมาว่าทุกสิ่งในจักรวาลมีแม่เหล็ก และแม่เหล็กส่วนใหญ่มีต้นกำเนิดมาจากแม่เหล็กอะตอม เนื่องจากโมเมนต์แม่เหล็กที่แตกต่างกันของอะตอมต่างๆ ทำให้เกิดปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเมนต์แม่เหล็กอะตอมในสารมหภาค การจัดเรียงของโมเมนต์แม่เหล็กอะตอมที่อุณหภูมิห้องจึงแตกต่างกัน เราแบ่งสารมหภาคออกเป็นสารพาราแมกเนติก สารไดอะแมกเนติก สารเฟอร์โรแมกเนติก สารซับเฟอร์โรแมกเนติก และสารแอนตี้เฟอร์โรแมกเนติกตามคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสารเหล่านั้น รวมถึงลักษณะสามประการต่อไปนี้ 1. แม่เหล็กมหภาคของสารนั้นเกิดจากโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมหรือโมเลกุลที่ประกอบกันขึ้น เราเรียกโมเมนต์แม่เหล็กทั้งหมดของวัสดุต่อหน่วยปริมาตรว่าการทำให้เป็นแม่เหล็ก ซึ่งแสดงด้วย M และวัดเป็น A/m หากปริมาตรของสารคือ V สารนั้นมีอะตอม n อะตอม และโมเมนต์แม่เหล็กของแต่ละอะตอมคือ μ J ดังนั้น M=μ J1+μ J2+...+μ เจน นั่นคือ M=∑ μ J/v 2. เส้นโค้งการทำให้เป็นแม่เหล็ก (เส้นโค้ง M~H) ของความเข้มการทำให้เป็นแม่เหล็ก: เมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกเป็นศูนย์ โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมอาจถูกจัดเรียงแบบสุ่ม อย่างไรก็ตาม เมื่อเราใช้สนามแม่เหล็กภายนอกที่ไม่เป็นศูนย์ โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมแต่ละอันสามารถหมุนไปในทิศทางของสนามแม่เหล็กภายนอกได้และความเข้มของแม่เหล็ก M ของสารจะเปลี่ยนไป กราฟความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มของแม่เหล็ก M กับสนามแม่เหล็กภายนอก H เรียกว่ากราฟแม่เหล็ก หรือเรียกสั้นๆ ว่า กราฟแม่เหล็ก M~H กราฟแม่เหล็กของสารต่างๆ ก็แตกต่างกันด้วย

3. ความไวต่อแม่เหล็ก x2

ในเส้นโค้งการสร้างแม่เหล็ก M~H อัตราส่วนของ M ต่อ H ที่จุดใดๆ เรียกว่าความอ่อนไหวทางแม่เหล็ก แสดงด้วย ชี χ=M/H หน่วยของ M คือ A/m หน่วยของ H คือ A/m ดังนั้นจึงเป็นความอ่อนไหวทางแม่เหล็กสัมพัทธ์และไม่มีหน่วย เราใช้ขนาดและการจัดเรียงของโมเมนต์แม่เหล็กอะตอม รูปร่างของเส้นโค้งการสร้างแม่เหล็ก M~H และพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ความอ่อนไหวทางแม่เหล็ก เพื่ออธิบายความเป็นแม่เหล็กของสารและจำแนกสารเหล่านั้น

สารพาราแมกเนติกคือสารที่สามารถทำให้เป็นแม่เหล็กได้ตามทิศทางของสนามแม่เหล็กเมื่อเคลื่อนเข้าใกล้ แต่สารเหล่านี้มีความอ่อนมากและสามารถวัดได้ด้วยเครื่องมือที่มีความแม่นยำเท่านั้น หากลบสนามแม่เหล็กภายนอกออกไป สนามแม่เหล็กภายในก็จะกลับเป็นศูนย์เช่นกัน ส่งผลให้สนามแม่เหล็กขาดคุณสมบัติ เช่น อะลูมิเนียม ออกซิเจน เป็นต้น อะตอมในวัสดุพาราแมกเนติกแต่ละอะตอมจะมีโมเมนต์แม่เหล็ก ซึ่งทำให้วัสดุพาราแมกเนติกมีโมเมนต์แม่เหล็กอะตอมโดยธรรมชาติ ไม่มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมที่อยู่ติดกันในวัสดุพาราแมกเนติก ดังนั้น ที่อุณหภูมิห้อง โมเมนต์แม่เหล็กอะตอมจะถูกจัดเรียงแบบสุ่ม และค่าการฉายภาพของโมเมนต์แม่เหล็กอะตอม μJ ในทิศทางใดๆ จะเป็นศูนย์ เมื่ออยู่ภายใต้สนามแม่เหล็กภายนอก H โมเมนต์แม่เหล็กอะตอมของสารดังกล่าวจะหมุนได้เพียงมุมเล็กๆ ตามทิศทางของสนามแม่เหล็กภายนอกเท่านั้น และความแข็งแรงของการทำให้เป็นแม่เหล็กจะเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ เมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกเพิ่มขึ้น ความอ่อนไหวต่อแม่เหล็กของสารดังกล่าวจะมากกว่า 0 โดยมีค่าโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 10-5 ถึง 10-3 เพื่อให้โมเมนต์แม่เหล็กอะตอมของสารพาราแมกเนติกเรียงตัวกันอย่างสมบูรณ์ในทิศทางของสนามแม่เหล็กภายนอก คาดว่าต้องใช้ความเข้มของสนามแม่เหล็กภายนอกที่ 109-1010 A/m ซึ่งปัจจุบันทำได้ยากด้วยสนามแม่เหล็กเทียม สารต้านแม่เหล็กคือสารที่ไวต่อแม่เหล็กเชิงลบ ซึ่งหมายความว่าทิศทางของสนามแม่เหล็กหลังจากการทำให้เป็นแม่เหล็กจะตรงข้ามกับทิศทางของสนามแม่เหล็กภายนอก สารประกอบอินทรีย์ทั้งหมดมีไดอะแมกเนติก เช่น กราไฟท์ ตะกั่ว น้ำ เป็นต้น การฉายของโมเมนต์แม่เหล็กวงโคจรอะตอมและโมเมนต์แม่เหล็กสปินของสารไดอะแมกเนติกในสนามแม่เหล็กเป็นศูนย์ ซึ่งหมายความว่าสารไดอะแมกเนติกไม่มีโมเมนต์แม่เหล็กอะตอมสุทธิ อย่างไรก็ตาม ภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็กภายนอก วงโคจรอิเล็กทรอนิกส์จะสร้างโมเมนต์แม่เหล็กเพิ่มเติมที่เหนี่ยวนำ และโมเมนต์แม่เหล็กที่เหนี่ยวนำนี้มีทิศทางตรงข้ามกับสนามแม่เหล็กภายนอก ส่งผลให้เกิดแม่เหล็กเชิงลบ ทิศทางการทำให้เป็นแม่เหล็กของสารไดอะแมกเนติกเป็นลบ ตรงข้ามกับสนามแม่เหล็กภายนอก และค่าสัมบูรณ์จะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงตามการเพิ่มขึ้นของสนามแม่เหล็กภายนอก สารเฟอร์โรแมกเนติกคือสารที่สามารถคงสถานะแม่เหล็กไว้ได้แม้ว่าสนามแม่เหล็กภายนอกจะหายไปหลังจากถูกทำให้เป็นแม่เหล็กโดยสนามแม่เหล็กภายนอก จนถึงขณะนี้มีการค้นพบธาตุโลหะ 83 ธาตุ โดย 4 ธาตุเป็นธาตุเฟอร์โรแมกเนติกที่อุณหภูมิห้อง ได้แก่ เหล็ก โคบอลต์ นิกเกิล และแกโดลิเนียม ที่อุณหภูมิต่ำมาก มีธาตุ 5 ธาตุที่สามารถเปลี่ยนเป็นธาตุเฟอร์โรแมกเนติกได้ ได้แก่ เทอร์เบียม ดิสโพรเซียม ฮอลเมียม เออร์เบียม และทูเลียม ในวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก อะตอมจะมีโมเมนต์แม่เหล็กอะตอมโดยธรรมชาติ และมีอิเล็กตรอนบางส่วนที่ใช้ร่วมกันโมเมนต์แม่เหล็กหมุนของอะตอมที่อยู่ติดกันจะเรียงขนานกันในทิศทางเดียวกัน (เรียกอีกอย่างว่าการทำให้เป็นแม่เหล็กโดยธรรมชาติ) เส้นโค้งการทำให้เป็นแม่เหล็ก M~H ของวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกไม่เป็นเชิงเส้น และค่าความไวแม่เหล็ก x จะแปรผันตามสนามแม่เหล็ก ค่าความไวแม่เหล็ก x ของวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกมีค่าสูงมาก โดยอาจสูงถึง 105~107 สารต้านแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติก

สารนี้ไม่ได้ก่อให้เกิดสนามแม่เหล็ก และสารนี้ค่อนข้างหายาก สารต้านแม่เหล็กชนิดใหม่ยังคงถูกค้นพบอยู่ วัสดุต้านแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกส่วนใหญ่มีอยู่เฉพาะในอุณหภูมิต่ำ และหากสมมติว่าอุณหภูมิสูงกว่าค่าหนึ่ง วัสดุเหล่านี้มักจะกลายเป็นพาราแมกเนติก ตัวอย่างเช่น โครเมียม แมงกานีส เป็นต้น ล้วนมีคุณสมบัติต้านแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติก อะตอมในวัสดุต้านแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกยังมีโมเมนต์แม่เหล็กอะตอมโดยธรรมชาติ โดยมีอิเล็กตรอนบางส่วนถูกแบ่งปัน แต่อะตอมที่อยู่ติดกันจะมีโมเมนต์แม่เหล็กตรงกันข้าม (เรียกอีกอย่างว่าการจัดลำดับแอนตี้เฟอร์โรแมกเนติก) เส้นโค้งการทำให้เป็นแม่เหล็ก M~H ของวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกเป็นเส้นตรง โดยมีอัตราการทำให้เป็นแม่เหล็กที่ χ>0 และมีค่าประมาณ 10-4~10-5 ซึ่งเล็กมากและคงที่ ซึ่งหมายความว่าเมื่อวัสดุต้านแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกถูกทำให้เป็นแม่เหล็กในสนามแม่เหล็กภายนอก โมเมนต์แม่เหล็กอะตอมของวัสดุเหล่านี้จะเปลี่ยนแปลงน้อยมากกับสนามแม่เหล็กภายนอก คล้ายกับวัสดุพาราแมกเนติก และจัดอยู่ในกลุ่มแม่เหล็กอ่อน ความอ่อนไหวทางแม่เหล็กของวัสดุต้านแม่เหล็กเฟอร์โรจะแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิ ดังที่แสดงในรูปด้านล่าง โดยที่ ทีเอ็น เรียกว่าอุณหภูมิ นีล แม่เหล็กมหภาคของวัสดุเฟอร์โรแม่เหล็กจะเหมือนกันกับแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติก ยกเว้นว่าความอ่อนไหวทางแม่เหล็กของวัสดุเหล่านี้จะต่ำกว่า (โดยมีความอ่อนไหวอยู่ที่ 102~105) วัสดุเฟอร์โรแมกเนติกทั่วไป เช่น เฟอร์ไรต์ มีความแตกต่างจากวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกมากที่สุดตรงที่โครงสร้างแม่เหล็กภายใน (การจัดเรียงโมเมนต์แม่เหล็ก) โมเมนต์แม่เหล็กอะตอมของวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกไม่ใช่ศูนย์ และมีการแลกเปลี่ยนทางอ้อมหรือการแลกเปลี่ยน อาร์เคเควาย ระหว่างโมเมนต์แม่เหล็กอะตอมที่อยู่ติดกัน ซึ่งทำให้โมเมนต์แม่เหล็กอะตอมของโครงตาข่ายย่อยที่อยู่ติดกันถูกจัดเรียงแบบขนานกลับกัน แต่โมเมนต์แม่เหล็กอะตอมของโครงตาข่ายย่อยที่อยู่ติดกันนั้นมีขนาดต่างกัน (ดังแสดงในรูปด้านบน) ปรากฏการณ์นี้เรียกอีกอย่างว่าการจัดลำดับแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกหรือการสร้างแม่เหล็กโดยธรรมชาติของแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติก เส้นโค้งการทำให้เป็นแม่เหล็ก M~H ของวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกเป็นแบบไม่เชิงเส้น คล้ายกับวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก ยกเว้นว่าความอ่อนไหวทางแม่เหล็กจะต่ำกว่าเล็กน้อย แต่ยังคงอยู่ในกลุ่มแม่เหล็กแรงสูง