آشنایی با دستگاه اندازه‌گیری خواص مغناطیسی VSM فاطمه جوهر فهیمه بهزادی آشنایی با دستگاه اندازه‌گیری خواص مغناطیسی VSM

روشهای شناسایی نانوساختارها اندازه گیری خواص مغناطیسی دوم

مغناطیس‌سنج‌ها یکی از مهمترین ویژگی‌های مواد، خاصیت مغناطیسی آنهاست که از زمان‌های نسبتاً دور مورد توجه بوده و هم اکنون نیز در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی قرار گرفته است. برای بررسی خواص مغناطیسی مواد، دستگاه‌هایی برای اندازه‌گیری خواص مغناطیسی آنها نیاز است که یکی از مهمترین آنها مغناطیس‌سنج‌ها می‌باشند. با استفاده از دستگاه مغناطیس‌سنج می‌توان خواص مغناطیس مواد دیامغناطیس، پارامغناطیس، فرومغناطیس، آنتی فرومغناطیس، فری مغناطیس را بررسی کرد. این دستگاه آزمایشگاهی در سال 1956 توسط سایمون فونر اختراع شد و کمپانی EGG PAR در دهه شصت آن را تجاری‌سازی کرد. دستگاه مغناطیس‌سنج برای مشخص کردن خواص مغناطیسی مواد مانند ممان مغناطیسی و میدان بازدارنده بصورت تابعی از میدان مغناطیسی، دما و زمان بکار می‌روند. موادی که با استفاده از دستگاه VSM، می توان خواص مغناطیسی آنها را اندازه‌گیری کرد عبارتند از: فیلم های نازک، پودرها و مایعات.

منشاء خاصيت مغناطيسي در جامدها، الكترون‌هاي متحرك می‌باشند. منشا مغناطیس مواد منشاء خاصيت مغناطيسي در جامدها، الكترون‌هاي متحرك می‌باشند. گرچه بعضي از هسته‌هاي اتمي داراي گشتاور دو قطبي مغناطيسي دايمي هستند ولي اثر آنها چنان ضعيف است كه جز تحت شرايط خاص، نمي‌تواند آثار قابل ملاحظه‌اي داشته باشد. در بدو ظهور نظريات مغناطيس آزمايش‌هاي زيادي نشان داد كه اندازه حركت زاويه‌اي كل يك الكترون و گشتاور مغناطيسي وابسته به آن بزرگتر از مقداري است كه به حركت انتقالي آن نسبت داده می‌شد. بنابرين يك سهم اضافي كه از خصوصيت ذاتي با يك درجه آزادي داخلي ناشي مي‌شد، به الكترون نسبت داده شد و چون اين خصوصيت داراي اثر مشابه چرخش الكترون حول محورش بود، اسپين ناميده گردید.

منشا مغناطیس مواد تعيين جهت گيري مغناطيسي نسبي الكترون‌هاي واقع در يك يون كه در يك شبكه بلوري قرارگرفته، به برهم‌كنش بين الكترون‌ها بستگي دارد. در حالت کلي برهم‌کنش‌های ميان الكترون‌ها را به سه دسته تقسيم مي‌کنند: اثر ميدان بلوري برهمکنش اسپين مداري برهمکنش کولني

فازهای مغناطیسی مواد در میدان مغناطیسی خارجی رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهند و با توجه به جهت‌گیری مغناطش، به چند دسته تقسیم می‌شوند: مواد آنتی فرومغناطیس مواد فری‌مغناطیس مواد پارا مغناطیس مواد فرومغناطیس مواد دیامغناطیس اتم‌های دیامغناطیس دارای هیچ گشتاور مغناطیسی نمی‌باشند. این مواد با قرارگرفتن در میدان مغناطیسی خارجی دارای گشتاور مغناطیسی القایی در خلاف جهت میدان خارجی می‌شوند و آن را تضعیف می‌کنند. در این مواد، اندازه‌ی گشتاورهای مغناطیسی در یک جهت بزرگتر از دیگری می‌باشد. در نتیجه مغناطش خالص ماده صفر نیست و مغناطیس اشباع این مواد کمتر از فرومغناطیس می‌باشد موادی هستند که در غیاب میدان مغناطیسی خارجی دارای مغناطش خودبه‌خودی می‌باشند. برخلاف پارامغناطیس‌ها، گشتاور‌های مغناطیسی آن با هم برهمکنش می‌کنند. این مواد مانند آهن، آهنربایی دائم دارند و یا به آهن‌ربا جذب می‌شوند و جهت‌گیری مغناطش آن کاملاً در یک راستا می‌باشد. این مواد از اتم‌هایی تشکیل شده‌اند که گشتاور مغناطیسی دائم اتمی دارند اما بصورت مجزا و بدون هیچ برهمکنش متقابلی بر روی یکدیگر عمل می‌کنند که در نهایت، جهت‌گیری تصادفی دارند. جهت‌گیری مغناطش آن مثبت ولی کوچک است و تحت تأثیر یک میدان خارجی، در یک راستای تقریبی قرار می‌گیرند. در مواد آنتی فرومغناطیس، مغناطش حاصل شده، در غیاب میدان خارجی حذف می‌شود. جهت‌گیری مغناطش آن به‌گونه‌ای است که مغناطش کل صفر می‌شود.

حلقه پسماند وقتی به یک ماده مغناطیسی، میدان مغناطیسی اعمال شود، مغناطش محیط سریع افزایش می‌یابد. با افزایش مقدار میدان اعمالی، شتاب افزایش مغناطش کاهش می‌یابد. این کاهش شتاب ادامه می‌یابد تا مغناطش محیط به مقدار اشباع خود MS برسد.

حلقه پسماند تغییرات مغناطش مواد مغناطیسی در هنگام کاهش میدان، از رفتار قبلی خود تبعیت نمی‌کند؛ بلکه بخاطر ناهمسانگردی مغناطیسی در محیط، مقداری انرژی را در خود ذخیره می‌کنند. بنابر‌این وقتی میدان اعمالی در محیط صفر شود؛ مغناطش در ماده صفر نشده و دارای مقدار خاصی است که به آن مغناطش پسماند Mr گفته می‌شود. با کاهش بیشتر شدت میدان به سمت مقادیر منفی، خاصیت مغناطیسی القا شده به‌تدریج کاهش می‌یابد و با رسیدن شدت میدان به یک مقدار منفی خواص مغناطیسی ماده کاملاً از بین می‌رود. این میدان مغناطیس‌زدا را با HC نشان می‌دهند و به نیروی ضدپسماند و یا وادارندگی مغناطیسی معروف است.

حلقه پسماند با کاهش بیشتر شدت میدان، القاي مغناطیسی منفی می‌شود و در نهایت به مقادیر اشباع منفی خود، می‌تواند برسد. افزایش مجدد شدت میدان به سمت مقادیر مثبت، حلقه پسماند را کامل می‌کند.

حلقه پسماند مغناطیس‌هاي دائمی غالباً در ربع دوم حلقه پسماند خود، مورد استفاده قرار می گیرند. پسماند یا نیروي وادارنده عبارتست از میدان معکوسی که براي کاهش مغناطش به صفر نیازست. مواد مغناطیسی از نظر رفتار آنها در میدان مغناطیسی به دو گروه تقسیم‌بندی می‌شوند: مواد مغناطیسی سخت مواد مغناطیسی نرم

مواد مغناطیسی نرم مواد مغناطیسی نرم با اعمال میدان مغناطیسی کوچک براحتی مغناطیده می‌شود و با قطع میدان سریعاً گشتاور مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. به عبارتی این مواد دارای نیروی وادارندگی پایینی هستند. این مواد همچنین دارای اشباع مغناطیسی بالا MS و گشتاور پسماند Mr پایین‌اند. مواد مغناطیسی نر‌‌م در جاهایی که به تغییر سریع گشتاور مغناطیسی با اعمال میدان مغناطیسی کوچک نیاز است، مانند موتورها، هدهای مغناطیسی، حسگرها، القاگرها و فیلترهای صوتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مواد مغناطیسی سخت مواد مغناطیسی سخت موادی‌اند که براحتیِ مواد مغناطیسی نرم، مغناطیده نمی‌شوند و به میدان مغناطیسی اعمالی بزرگتری، جهت مغناطیده کردن آنها نیاز است. این مواد، گشتاور مغناطیسی را تا مدت‌ها پس از قطع میدان مغناطیسی در خود حفظ می‌کنند. همچنین دارای اشباع مغناطیسی Ms، گشتاور پسماند Mr و نیروی وادارندگی Hc بالایی هستند. ساخت یا پخت این مواد در میدان مغناطیسی، ناهمسانگردی مغناطیسی را در این مواد افزایش می‌دهد؛ که حرکت دیواره‌ حوزه‌ها را سخت‌تر می‌کند و نیروی وادارندگی‌ را افزایش می‌دهد. این امر می‌تواند تولید ماده سخت مغناطیسی بهتری را تضمین کند. کاربرد این مواد در آهنربا‌های دائمی و حافظه‌های مغناطیسی است.

دستگاه مغناطیس‌سنج نمونه ارتعاشی دستگاه مغناطیس‌سنج نمونه ارتعاشی VSM، جهت اندازه‌گیری خواص مغناطیسی ماده مغناطیسی به‌کار می‌رود. رفتار مغناطیسی مواد مختلف دیامغناطیس، پارامغناطیس، فرومغناطیس و غیره، در شکل‌های مختلف پودر، جامد، فیلم نازک، تک بلور، مایع و غیره، به کمک VSM با رسمِ منحني پسماند، قابل اندازه‌گیری است. کمیت های قابل اندازه گیری بوسیله VSM عبارتند از: Hm: ماكزيمم ميدان اعمالي Bm: ماكزيمم چگالي شار (القاي مغناطيسي) يا Bmi (القای دروني) Br : خاصيت نگهداري مغناطيس (retentivity) Hc: وادارندگي یا Hci (وادارندگي دروني) Br/Bm: نسبت مربعیت µ : نفوذ پذیری

مدارها و اجزاي الكتريكي اجزای تشکیل دهنده VSM بطور كلي مغناطيس‌سنج VSM از سه بخش تشكيل مي‌شود: آهنرباي الكتريكي قسمت مكانيكي مدارها و اجزاي الكتريكي

آهنرباي الكتريكي آهنربای الکتریکی داراي ابعاد خارجي حدود يك متر است و مي تواند ميدان مغناطيسي در ناحيه اي بين دو قطب به پهناي mm ٥٥ و قطر mm165 ايجاد نمايد. به منظور خنك نمودن آهنربا از جريان آب مقطر در لوله‌هاي داخل سيستم، استفاده مي‌شود. منبع تغذيه آن جريان DC تا حد ١٤٠ آمپر تولید می‌نماید. صفحه كنترل كنندة آهنربای الکتریکی

وسيلة ايزوله‌كنندة نوسانات توليد كنندة نوسانِ جابجا كننده قسمت مكانيكي اين قسمت براي نگهداري نمونه در محل مناسب، چرخش آن و توليد نوسانات مكانيكي مناسب، طراحي شده است. قسمت مکانیکی، روي آهنرباي الكتريكي قرار می‌گیرد و از سه بخش تشكيل شده است: وسيلة ايزوله‌كنندة نوسانات نگهدارندة نمونه توليد كنندة نوسانِ جابجا كننده از بوبين مياني، جريان ac با فركانس ٨٢ هرتز جهت توليد نوسان، مي‌گذرد. قسمت مياني صفحات فنري، تحت تأثير نيروي ميدانِ نوساني قرار گرفته و به نوسان در مي‌آيند و همراه با خود، ميلة نمونه و در نتيجه نمونة مغناطيسي را در امتداد قائم به نوسان در مي‌آورند.

قسمت مكانيكي بخش نوسان كننده به صفحات متحرك خازن‌هايي وصل مي‌شود. نيروي عكسل‌العمل حاصل از نوسانات كه به بوبين و آهن ربا وارد مي‌شود، باعث نوسان متقابل آنها مي‌گردد. براي حذف اين نوسانات و جلوگيري از انتقال آن به پايه و تشكيل يك ميدان استاتيك توسط آهنرباي اصلي، از ايزوله‌كننده نوسانات استفاده مي‌شود كه به عنوان يك تشديد كننده مكانيكي، انرژي نوسانات حاصل از نيروي عكس العمل را جذب مي‌نمايد. نمونه كه در انتهاي يك ميلة غير مغناطيسي نصب مي‌شود، بايد دقيقاً در مركز تقارن سيستم سیم‌پیچ‌هاي مغناطيس‌سنج قرار بگيرد. محل دقيق نمونه با سه پيچ ويژه که قابلیت حرکت نمونه را در راستاهای مختلف دارد، تنظيم مي‌شود.

قسمت الكتريكي نمونه در راستاي قائم به نوسان در مي‌آيد. سيگنال القا شده در سیم‌پیچ‌ها متناسب با مغناطش نمونه و مشخصات نوسانات است كه به منظور اندازه‌گيري مغناطش نمونه، عامل دوم باید حذف گردد. سيگنالی ناشی از خازن متغير حاصل می‌شود که تنها به مشخصات نوسانات مكانيكي، بستگي دارد. از آنجایی‌که سيگنال اصلي متناسب با هر دو عامل است، از تفاضل سيگنال اصلی و سیگنال ناشی از خازن و تقويت آن توسط يك تقويت كنندة تفاضلي، مغناطش نمونه اندازه‌گیری می‌شود. به اين ترتيب، تغييرات احتمالي در عوامل نوساني روي اندازة بدست آمده براي مغناطش نمونه، اثري نخواهد داشت.

عملکرد دستگاه VSM دستگاه‌های مغناطیس‌سنج، مغناطش يك نمونه از ماده با ابعاد مختلف را به روش‌هاي مختلف و در شرايط گوناگون از لحاظ دما، ميدان مغناطيسي و جهت‌گيري نمونه، اندازه‌گيري می‌كنند و نمودارهاي متنوعی که نشان دهنده ويژگی‌هاي متفاوت ماده است را نمایش می‌دهند. مغناطيس‌سنج‌ها براساس ميزان فرکانس جريان‌هاي عبوری از آنها، شامل سيستم‌هاي مغناطيس‌سنج مختلف می‌باشند که اساس اندازه‌گیری آنها مشابه است. برخی از سيستم‌هاي مغناطيس‌سنج عبارتند از: مغناطیس سنج نمونه مرتعش (VSM) مغناطیس‌سنج نمونه چرخان (RSM) مغناطیس‌سنج گرادیان نیروی متناوب (AGFM)

عملکرد دستگاه VSM دستگاه VSM بر اساس قانون القای فارادی کار می‌کند. این قانون می‌گوید که تغییر در میدان مغناطیسی، باعث ایجاد میدان الکتریکی می‌شود. با اندازه‌گیری میدان الکتریکی القا شده، می‌توان اطلاعاتی در مورد تغییرات میدان مغناطیسی بدست آورد. ابتدا نمونه در میدان مغناطیسی ثابت قرار می‌گیرد. اگر نمونه مغناطیسی باشد، میدان مغناطیسی ثابت، نمونه را با هم‌جهت کردن حوزه‌های مغناطیسی یا اسپین‌های مغناطیسی اتم‌ها در جهت میدان، مغناطیسی می‌کند. میدان مغناطیسی بزرگتر، نمونه را بیشتر مغناطیسی می‌کند. ممان مغناطیسی نمونه، میدان مغناطیسی را در اطراف نمونه القا می‌کند.

عملکرد دستگاه VSM اگر نمونه به بالا و پایین ارتعاش کند، میدان مغناطیسی القایی با زمان تغییر می‌کند و تغییرات آن را می‌توان با جریان القا شده در یک مجموعه سیم‌پیچ مشاهده کرد. این جریان القایی با مغناطش در نمونه متناسب است. مغناطش قوی‌تر، جریان القایی بزرگتری را ایجاد می‌کند. جریان القایی تقویت می‌شود و به کامپیوتری که به مجموعه متصل است، برای نمایش منتقل می‌شود. با کمک نرم‌افزار می‌توان نتایج را کنترل کرد و نمایش داد. این سامانه مقدار و نحوه مغناطش نمونه را به صورت تابعی از شدت تغییرات میدان مغناطیسی ثابت اعمالی، مشخص می‌کند. نمونه‌ای که در میدان مغناطیسی ثابتی قرار گرفته و به طور مکانیکی و با حرکت سینوسی در حال ارتعاش است با تغییر شار مغناطیسی، نیرو محرکه‌ای را در مجموعه سیم‌پیچ‌ها القا می‌کند.

عملکرد دستگاه VSM شار مغناطیسی از رابطه روبرو بدست می‌آید: A و B : فاکتورهای هندسی‌اند که به مجموعه سیم‌پیچ‌ها مرتبط می‌شوند. D : ضریب مغناطش‌زدایی MS : مغناطش ذره ω فرکانس ارتعاش بنابراین نیروی محرکه به صورت زیر محاسبه می‌شود: ‌C یک ثابت است و مقدار آن را می‌توان با توجه به مغناطش نیکل استاندارد، که مقدار آن شناخته شده است، تعیین کرد. در اين سيستم مبناي اندازه‌گيري مغناطش، سيگنال حاصل از نوسانات مكانيكي نمونه است كه در يك سري سیم‌پیچ حساس القا می‌شود. اين سيگنال با ممان مغناطيسي نمونه رابطة خطي دارد. نمونه‌ها به صورت نسبی مقايسه مي‌شوند. به اين منظور، يك استاندارد كاليبره شده از ممان مغناطيسي مثلاً كره كوچك استاندارد شده‌اي از نيكل خالص، تهيه مي‌شود.