காந்தப்பொருட்களின் வகைப்பாடு

காந்தப்பொருட்களின் வகைப்பாடு

காந்தமாக்கும் புலத்தில் வைக்கப்பட்டுள்ள பொருட்களின் செயல்பாட்டின் அடிப்படையில் அவை மூன்று வகைகளாகப் பிரிக்கப்பட்டுள்ளன. அவைகள் முறையே டயா, பாரா மற்றும் ஃபெர்ரோ காந்தப்பொருட்களாகும்இவற்றைப்பற்றி இப்பகுதியில் அறியலாம்.

(அ) டயா காந்தப்பொருட்கள் (Diamagnetic materials)

அணுக்கருவைச் சுற்றியுள்ள எலக்ட்ரான்களின் சுற்றுப்பாதை இயக்கம், சுற்றுப்பாதையின் தளத்திற்குச் செங்குத்தாக ஒரு காந்தப்புலத்தை உருவாக்கும். எனவே, ஒவ்வொரு எலக்ட்ரானும் ஒரு குறிப்பிட்ட அளவு சுற்றுப்பாதை காந்த இருமுனை திருப்புத்திறனைப் (Finite orbital magnetic dipole moment) பெற்றுள்ளது. ஆனால் சுற்றுப்பாதை தளங்கள் தற்போக்காக ஒழுங்கற்ற முறையில் எல்லா திசைகளிலும் அமைந்துள்ளதால், காந்த இருமுனை திருப்புத்திறன்களின் வெக்டர் கூடுதல் சுழியாகும். எனவே எந்த ஒரு அணுவும் தொகுபயன் காந்த இருமுனை திருப்புத்திறனைப் பெற்றிருக்காது.

புறகாந்தப்புலத்தில் இவற்றை வைக்கும்போது, சில எலக்ட்ரான்களின் வேகம் அதிகரிக்கும். சில எலக்ட்ரான்களின் வேகம் குறையும். லென்ஸ் விதியின் அடிப்படையில் இருமுனை திருப்புத்திறன்கள் எதிர் - இணையாக உள்ள எலக்ட்ரான்களின் வேகம் அதிகரிக்கும். இதன் காரணமாக புறகாந்தப்புலத்தின் திசைக்கு எதிராக ஒரு தூண்டப்பட்ட காந்த இருமுனை திருப்புத்திறன் உருவாகிறது. புறகாந்தப்புலம் நீக்கப்பட்ட உடன் இந்த தூண்டப்பட்ட காந்த இருமுனை திருப்புத்திறன் உடனடியாக மறைகிறது.

சீரற்ற காந்தப்புலத்தில் டயா காந்தப் பொருளொன்றை வைக்கும்போது, தூண்டப்பட்ட காந்த இருமுனை திருப்புத் திறனுக்கும் புறகாந்தப்புலத்திற்கும் இடையே ஓர் இடைவினை நடைபெற்று விசை உருவாகிறது. இந்த விசைடயா காந்தப்பொருளை புறகாந்தப்புலத்தின் வலிமை மிக்க பகுதியிலிருந்து, வலிமை குறைந்த பகுதிக்கு நகர்த்த முயற்சிக்கிறது. புறகாந்தப்புலத்தினால் டயா காந்தப்பொருள் விலக்கப்படுவதை இது காட்டுகிறது.

இச்செயலுக்கு டயா காந்தச் செயல் (Diamagnetic action) என்று பெயர். மேலும் இத்தகையப் பொருட்களுக்கு டயாகாந்தப்பொருட்கள் (Diamagnetic materials) என்று பெயர். எடுத்துக்காட்டுகள் : பிஸ்மத், தாமிரம் மற்றும் தண்ணீ ர் மேலும் சில பொருட்கள்.

டயா காந்தப்பொருட்களின் பண்புகள்

i) இவை எதிர்க்குறி காந்த ஏற்புத்திறனைப்பெற்றுள்ளன.

ii) இவற்றின் ஒப்புமை காந்த உட்புகுதிறன்ஒன்றைவிட சற்றேக் குறைவாகும்.

iii) புறகாந்தப்புலத்தில் வைக்கும்போது, காந்தப்புலக்கோடுகள் டயா காந்தப்பொருளினால் விலக்கித் தள்ளப்படுகின்றன.

iv) காந்த ஏற்புத்திறன் கிட்டத்தட்ட வெப்பநிலையைச்சார்ந்ததல்ல.

குறிப்பு

மீக்கடத்திகள் முழுமையானடயாகாந்தப்பொருட்களாகும். டயா காந்தப்பொருட்கள் மீக்கடத்திகளாகமாறும்போது மீக்கடத்தியிலிருந்து காந்தப்பாயம் விலக்கித்தள்ளப்படும். இந்நிகழ் விற்கு மெய்சனர் (Meissner) விளைவு என்று பெயர். (படம் 3.18 ஐப் பார்க்கவும்)

படம் 3.18 மெய்சனர் விளைவு - மாறுநிலை வெப்பநிலை (T_c) க்கு கீழே, மீக்கடத்திகள் ஒரு முழுமையான டயாகாந்தப் பொருட்களைப் போன்று செயல்படுகின்றன.

(ஆ) பாரா காந்தப் பொருட்கள் (Paramagnetic materials)

சில காந்தப்பொருட்களில் அதன் ஒவ்வொரு அணுவும் அல்லது மூலக்கூறும் நிகர காந்த இருமுனை திருப்புதிறன்களைப் பெற்றுள்ளன. இதற்குக் காரணம் அணுவிலுள்ள எலக்ட்ரான்களின் சுற்றுப்பாதை மற்றும் தற்சுழற்சி காந்த இருமுனை

உங்களுக்குத் தெரியுமா?

காந்த மிதப்பு இரயில் வண்டி

காந்த மிதப்பு இரயில் வண்டியை,மேக்லீவ் (Maglev) இரயில் வண்டி என்றும் அழைக்கலாம். மின்காந்தங்களைப் பயன்படுத்தி அவற்றின் ஓடுபாதையிலிருந்து சில சென்டிமீட்டர் உயரத்திற்கு இவற்றை மிதக்கச் செய்கின்றனர். மேக்லீவ் இரயில் வண்டிகளுக்கு சக்கரங்கள் தேவையில்லை மேலும் இவை மிக உயர்ந்த வேகத்தில் செல்கின்றன. இவற்றின் அடிப்படை இயந்திர நுட்பம் இரு ஜோடி காந்தங்களால் கட்டுப்படுத்தப்படுகின்றன. ஒரு ஜோடி காந்தம் விலக்கு விசையைப் பயன்படுத்தி இரயில் வண்டியை அதன் ஓடுபாதையிலிருந்து சில சென்டிமீட்டர் உயரத்திற்கு காற்றில் மிதக்க வைக்கிறது. மற்றொரு ஜோடி காந்தம் மிதக்கும் இந்த இரயில் வண்டியை மிக உயர்ந்த வேகத்தில் முன்னோக்கிச் செலுத்துகின்றன. மரபாக நாம் பயன்படுத்தும் இரயில் வண்டியுடன் மேக்லீவ் இரயில் வண்டியை ஒப்பிடும்போது இது ஓசையற்றது, அதிர்வற்றது மற்றும் சுற்றுச்சூழலுக்கு எவ்வித தீங்கும் விளைவிக்காததாகும். வருங்கால தொழில் நுட்பங்களைப் பயன்படுத்தி மேக்லீவ் இரயில் வண்டிகள் தற்போதுள்ள வேகத்தைவிட மிக அதிக வேகத்தில் இயங்கும் வல்லமையை பெற்றுள்ளன.

திருப்புத்திறன்களின் வெக்டர் கூடுதலாகும். இந்த காந்த இருமுனை திருப்புத்திறன்கள் (Spin magnetic dipole moment) தற்போக்காக ஒழுங்கற்ற முறையில் எல்லா திசைகளில் உள்ளதால் பொருளின் நிகர காந்த இருமுனை திருப்புத்திறனின் மதிப்பு சுழியாகும்.

புறகாந்தப்புலத்தில் இவற்றை வைக்கும்போது, அணு இருமுனை மீது செயல்படும் திருப்புவிசை அவற்றை புறகாந்தப்புலத்தின் திசையிலேயே ஒருங்கமைக்க முயலும். இதன் பயனாக ஒரு தொகுபயன் காந்த இருமுனை திருப்புத்திறன் புறகாந்தப்புலத்தின் திசையிலேயே தூண்டப்படும். புறகாந்தப்புலம் உள்ளவரை இந்த தூண்டப்பட்ட இருமுனை திருப்புத்திறன் நீடிக்கும்.

இவற்றை சீரற்ற காந்தப்புலத்தில் வைக்கும்போது, பாரா காந்தப்பொருட்கள் புலத்தின் வலிமை குறைந்த பகுதியிலிருந்து வலிமை மிக்க பகுதிக்குநகர முயற்சிக்கும். புற காந்தப்புலம் செலுத்தப்படும் திசையில் வலிமை குறைந்த காந்தப்பண்பைக் காட்டும் பொருட்களுக்கு பாராகாந்தப் பொருட்கள் என்று பெயர். எடுத்துக்காட்டுகள் : அலுமினியம், பிளாட்டினம் குரோமியம் மற்றும் ஆக்சிஜன் மேலும் சில பொருட்கள்.

பாரா காந்தப்பொருட்களின் பண்புகள் :

i) இவை குறைந்த நேர்க்குறி காந்த ஏற்புத்திறன்கொண்டவை.

ii) இவற்றின் ஒப்புமை காந்த உட்புகுதிறன்ஒன்றைவிட அதிகம்.

iii) புறகாந்தப்புலத்தில் வைக்கும்போது காந்தப்புலக்கோடுகள் பாரா காந்தப்பொருளுக்குள்ளே ஈர்க்கப்படுகின்றன.

iv) காந்த ஏற்புத்திறன் வெப்பநிலைக்குஎதிர்த்தகவாகும்.

கியூரி விதி (Curie's law)

வெப்பநிலை அதிகரிக்கும் போது, வெப்ப அதிர்வின் காரணமாக காந்த இருமுனை திருப்புத்திறன்களின் ஒருங்கமைவு (alignment) சிதைந்து விடுகின்றது. எனவே வெப்பநிலை அதிகரிப்பால் காந்த ஏற்புத்திறன் குறைகிறது. பெரும்பாலான நிகழ்வுகளில் பொருளின் காந்த ஏற்புத்திறன்

இத்தொடர்புக்கு கியூரியின் விதி என்று பெயர். இங்கு C என்று கியூரி மாறிலி மற்றும் T என்பது கெல்வின் வெப்பநிலையாகும். காந்த ஏற்புத்திறனுக்கும் வெப்பநிலைக்கும் உள்ள தொடர்பினை படம் 3.19 காட்டுகிறது. இது ஒரு செவ்வக அதிபரவளையம் என்பதை இங்கு கவனிக்க வேண்டும்.

(இ) ஃபெர்ரோ காந்தப்பொருட்கள் (Ferromagnetic materials)

பாரா காந்தப் பொருளைப் போன்றே, ஃபெர்ரோ காந்தப்பொருளிலுள்ள ஒரு அணு அல்லது மூலக்கூறு நிகர காந்த இருமுனை திருப்புத்திறனைப் பெற்றுள்ளது. ஃபெர்ரோ காந்தப் பொருட்கள் ஃபெர்ரோ காந்த பெருங்கூறுகள் (domains) எனப்படும் சிறிய பகுதிகளைப் பெற்றுள்ளது. (படம் 3.20) ஒவ்வொரு பெருங்கூறின் உள்ளே உள்ள காந்தத்திருப்புத்திறன்களும்தானாகவே ஒரு குறிப்பிட திசையில் ஒருங்கமைந்துள்ளன. அணுக்களுக்கிடையேயான இடைத்தொலைவைப் பொறுத்து எலக்ட்ரான்களின் தற்சுழற்சியால் ஏற்படும் வலிமையான இடைவினையினால் இந்த ஒருங்கமைவு ஏற்பட்டுள்ளது.

ஒவ்வொரு பெருங்கூறும் ஒரு குறிப்பிட்ட திசையில் காந்தமாக்கப்பட்டுள்ளன. இருந்த போதிலும் ஒவ்வொரு பெருங்கூறின் காந்தமாக்கத்திசையும் ஒன்றிலிருந்து மற்றொன்று வேறுபட்டு தற்போக்காக அமைந்துள்ளன. எனவே பொருளின் நிகர காந்தமாக்கல் சுழியாகும்.

புறகாந்தப்புலத்தில் வைக்கும்போது பின்வரும் இரண்டு நிகழ்வுகள் ஏற்படுகின்றன.

(1) புறகாந்தப்புலத்தின் திசைக்கு இணையாககாந்தத்திருப்புத்திறன்களைப் பெற்றுள்ள பெருங்கூறுகள் அளவில் பெரிதாகும்.

(2) புறகாந்தப்புலத்திற்கு இணையாக இல்லாதமற்ற பெருங்கூறுகள் சுழன்று புறகாந்தப்புலத்தில் திசையில் ஒருங்கமைகின்றன.

இவ்விரண்டு நிகழ்வுகளின் விளைவாக புறகாந்தப்புலத்தின் திசையிலேயே பொருளில் ஒருவலிமையான நிகர காந்தமாக்கல் ஏற்படுகிறது. இது படம் 3.21 இல் காட்டப்பட்டுள்ளது.

சீரற்ற காந்தப்புலத்தில் ஃபெர்ரோ காந்தப்பொருளைவைக்கும்போது, காந்தப்புலத்தின் வலிமை குறைந்த பகுதியிலிருந்து, வலிமைமிக்கப்பகுதிக்கு நகர முயற்சிக்கும், புறகாந்தப்புலம் செலுத்தப்படும் திசையில் வலிமையாக காந்தப்பண்பைக் காட்டும் இப்பொருட்களுக்கு ஃபெர்ரோகாந்தப்பொருட்கள் என்று பெயர். எடுத்துக்காட்டுகள் : இரும்பு, நிக்கல் மற்றும் கோபால்ட்

உங்களுக்குத் தெரியுமா?

நம் வாழ்க்கையின் பல்வேறுஅம்சங்களில் ஆர்வமூட்டும் வகையில் காந்தவியல் பங்காற்றுகிறது. தொல்லியல் சார் இடமான கீழடியிலும் அதன் தொடர்பு உள்ளது. குறிப்பிட்ட இடத்தில் பூமிக்கடியில் தொன்மையான கட்டமைப்பு ஏதேனும் உள்ளதா என்பதைக் கண்டறிய ‘காந்தமானி அளவியல்' (magnetometer surveying) என்ற நன்கு நிறுவப்பட்ட அறிவியல் வழிமுறை பயன்படுத்தப்படுகிறது.

இந்த முறையில், ஓரிடத்தின் காந்தப்புலம் அதன் அருகிலுள்ள பகுதிகளின் காந்தப்புலத்திலிருந்து எந்த அளவில் மாறுபடுகிறது என்று அளவிடப்படுகிறது. இம்மாறுபாட்டிற்குக் காரணம் அவ்விடத்தின் அடியில் ஏதேனும் பழங்கால புதையுண்ட சுவர், மண்பானைகள், செங்கற்கள், கல்லறைகள், நினைவிடங்கள், வாழ்விடங்கள் உள்ளிட்ட பல தொல்லியல் பொருட்களில் காணப்படும் மேக்னடைட் என்ற கனிமமும் அதனைச் சார்ந்த கனிமங்களுமே ஆகும். அக்கனிமங்கள் டயா, பாரா அல்லது பெர்ரோ ஆகிய இம்மூன்று காந்த இயல்புகளில் ஏதேனும் ஒரு இயல்பைப் பெற்றிருக்கும். மேலும் இவை ஒவ்வொன்றும் வெவ்வேறு காந்த ஏற்புத்திறனையும் பெற்றிருக்கும்.

மும்பையிலுள்ள இந்திய புவிக்காந்தவியல் நிறுவனம் (Indian Institute of Geomagnetism) கீழடியில் மேற்கொண்ட காந்தமானி அளவியல் ஆய்வின் மூலம் அப்பகுதியின் அடியில் பழங்கால சுவர், மண்பானைகள் உள்ளிட்ட தொல்லியல் அமைப்புகள் புதைந்துள்ளன என்று கண்டறிந்தனர். 10 முதல் 100 nT வரையிலான காந்தப்புல மாறுபாடுகள் ஒரு குறிப்பிட்ட பரப்பில் (வண்ணப்பகுதி) ஏற்பட்டுள்ளதை படம் 2ல் காணலாம். உண்மையில், செங்கற்களினால் செய்யப்பட்ட பெரும் தொல்லியல் அமைப்புகள் கீழடியில் உள்ளன என்ற உண்மை காந்தவியலின் மூலமாகவே நமக்குத் தெரிய வந்துள்ளது (படம் 1).

ஃபெர்ரோ காந்தப் பொருட்களின் பண்புகள் :

i) இவற்றின் காந்த ஏற்புத்திறன் நேர்க்குறி மற்றும்அதிக மதிப்புடையது.

ii) ஒப்புமை உட்புகுதிறன் அதிகம்.

iii) புறகாந்தப்புலத்தில் ஃபெர்ரோ காந்தப் பொருளைவைக்கும்போது, காந்தப்புலக் கோடுகள் ஃபெர்ரோ காந்தப்பொருளின் உள்ளேவலிமையாக ஈர்க்கப்படும்.

iv) காந்த ஏற்புத்திறன் வெப்பநிலைக்குஎதிர்த்தகவாகும்.

கியூரி வெயிஸ் (Curie-Weiss) விதி

வெப்பநிலை உயரும்போது, அணு இருமுனைகளின் வெப்பக்கிளர்ச்சி அதிகரிப்பால் ஃபெர்ரோ காந்தத்தன்மை குறையும். ஒரு குறிப்பிட்ட வெப்பநிலையில் ஃபெர்ரோ காந்தப்பொருள் பாரா காந்தப்பொருளாக மாறும். இந்த வெப்பநிலையே, கியூரி வெப்பநிலை (T_c) எனப்படும். கியூரி வெப்பநிலையை விட அதிக வெப்பநிலையில் உள்ள பொருளின் காந்த ஏற்புத்திறன் பின்வருமாறு

இச்சமன்பாடு கியூரி வெயிஸ் விதி என்று அழைக்கப்படுகிறது. இங்கு C என்பது கியூரி மாறிலி மற்றும் T என்பது கெல்வின் வெப்பநிலையாகும். படம் 3.22 காந்த ஏற்புத்திறனுக்கும் வெப்பநிலைக்கும் உள்ள தொடர்பைக் காட்டுகின்றது.

உங்களுக்குத் தெரியுமா? 

தற்சுழற்சி (Spin) நிறை, மின்னூட்டம் போன்றே அடிப்படைத்துகளின் மற்றொரு பண்பே தற்சுழற்சி ஆகும். தற்சுழற்சி என்பது குவாண்டம் எந்திரவியல் நிகழ்வாகும் (இது தொகுதி 2 இல் விவாதிக்கப்பட்டுள்ளது). பொருட்களின் காந்தப்பண்புக்கு இது ஒரு முக்கிய காரணியாகும். பழைய எந்திரவியலில் (Classical mechanics) நாம் விவரிக்கும் தற்சுழற்சி, குவாண்டம் எந்திரவியலின் தற்சுழற்சியிலிருந்து முற்றிலும் வேறுபட்டதாகும். குவாண்டம் எந்திரவியலில் கூறப்படும் தற்சுழற்சி உண்மையில் சுழற்சியைக் குறிப்பதில்லை. இது உள்ளார்ந்த கோண உந்தத்தைக் குறிக்கிறது. உள்ளார்ந்த கோண உந்தத்தினைப்பற்றி பழைய எந்திரவியலில் எவ்வித குறிப்பும் இல்லை. நெடுங்காலமாக தற்சழற்சி என்றே வழங்கப்படுவதால் இப்பெயரே நிலைத்து விட்டது. துகளின் தற்சுழற்சி நேர்க்குறி மதிப்பை மட்டுமே பெறும். ஆனால் புறகாந்தப்புலத்தில் தற்சுழற்சி வெக்டரின் ஒருங்க மைவு (Orientation of spin) நேர்க்குறி அல்லது எதிர்க்குறி மதிப்புகளைப்பெறும்.

எடுத்துக்காட்டாக, எலக்ட்ரானின் தற்சுழற்சி S = 1/2.

புறகாந்தப்புலம் செயல்படும் நிலையில் தற்சுழற்சி, காந்தப்புலத்தின் திசைக்கு இணையாகவோ அல்லது எதிர் - இணையாகவோ ஒருங்கமையும். இதிலிருந்து எலக்ட்ரானின் காந்தத் தற்சுழற்சி m_s இரண்டு மதிப்புகளைப் பெறும். அவை முறையே

m_s = 1/2 (மேல்நோக்கிய தற்சுழற்சி) மற்றும்

m_s= 1/2 (கீழ்நோக்கிய தற்சுழற்சி). புரோட்டான்

மற்றும் நியூட்ரானின் தற்சுழற்சி S = 1/2. மேலும் போட்டானின் தற்சுழற்சி S = 1.