फेरिमैग्नेटिज्म

एक फेरिमैग्नेटिक सामग्री एक ऐसी सामग्री है जिसमें परमाणुओं की आबादी विपरीत चुंबकीय क्षणों के साथ होती है, जैसा कि प्रतिलौह चुंबकत्व में होता है, लेकिन ये क्षण परिमाण में असमान होते हैं इसलिए एक सहज चुंबकत्व बना रहता है। यह उदाहरण के लिए तब हो सकता है जब जनसंख्या में विभिन्न परमाणु या आयन होते हैं (जैसे Fe2+ और फ़े3+).

फेरिमैग्नेटिज़्म को अक्सर लोह चुंबकत्व के साथ भ्रमित किया गया है। सबसे पुराना ज्ञात चुंबकीय पदार्थ, मैग्नेटाइट (Fe3O41948 में लुई नील द्वारा फेरिमैग्नेटिज्म की खोज से पहले इसे फेरोमैग्नेट के रूप में वर्गीकृत किया गया था। खोज के बाद से, हार्ड डिस्क ड्राइव और बायोमेडिसिन अनुप्रयोगों जैसे फेरिमैग्नेटिक सामग्रियों के लिए कई उपयोग पाए गए हैं।

इतिहास
बीसवीं शताब्दी तक, प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले सभी चुंबकीय पदार्थों को फेरोमैग्नेट्स कहा जाता था। 1936 में, लुई नील ने सहकारी चुंबकत्व के एक नए रूप के अस्तित्व का प्रस्ताव करते हुए एक पेपर प्रकाशित किया जिसे उन्होंने एंटीफेरोमैग्नेटिज्म कहा। एमएन के साथ काम करते हुए2एसबी, फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी चार्ल्स गुइलॉड ने पाया कि चुंबकत्व पर वर्तमान सिद्धांत सामग्री के व्यवहार की व्याख्या करने के लिए पर्याप्त नहीं थे, और व्यवहार को समझाने के लिए एक मॉडल बनाया। 1948 में, गिलौड के मॉडल में मान्यताओं के आधार पर नील ने तीसरे प्रकार के सहकारी चुंबकत्व के बारे में एक पेपर प्रकाशित किया। उन्होंने इसे फेरिमैग्नेटिज्म कहा। 1970 में, नील को चुंबकत्व में उनके काम के लिए भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

भौतिक उत्पत्ति
फेरिमैग्नेटिज्म का वही भौतिक मूल है जो फेरोमैग्नेटिज्म और एंटीफेरोमैग्नेटिज्म का है। फेरिमैग्नेटिक सामग्रियों में मैग्नेटाइजेशन भी पॉली अपवर्जन सिद्धांत से उत्पन्न द्विध्रुवीय-द्विध्रुवीय अंतःक्रियाओं और विनिमय अंतःक्रियाओं के संयोजन के कारण होता है। मुख्य अंतर यह है कि फेरिमैग्नेटिक सामग्री में सामग्री के यूनिट सेल में विभिन्न प्रकार के परमाणु होते हैं। इसका एक उदाहरण दाईं ओर की आकृति में देखा जा सकता है। यहां छोटे चुंबकीय क्षण वाले परमाणु बड़े क्षणों के विपरीत दिशा में इंगित करते हैं। यह व्यवस्था लोह-चुंबकीय पदार्थों में मौजूद व्यवस्था के समान है, लेकिन फेरिमैग्नेटिक सामग्रियों में शुद्ध क्षण अशून्य होता है क्योंकि विपरीत क्षण परिमाण में भिन्न होते हैं।

फेरिमैग्नेट्स का एक महत्वपूर्ण तापमान होता है जिसके ऊपर वे फेरोमैग्नेट्स की तरह अनुचुंबकत्व बन जाते हैं। इस तापमान पर (क्यूरी तापमान कहा जाता है) एक दूसरे क्रम का चरण संक्रमण होता है और सिस्टम अब सहज चुंबकीयकरण को बनाए नहीं रख सकता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि उच्च तापमान पर ऊष्मीय गति इतनी मजबूत होती है कि यह द्विध्रुवों को संरेखित करने की प्रवृत्ति से अधिक हो जाती है।

व्युत्पत्ति
फेरिमैग्नेट्स का वर्णन करने के कई तरीके हैं, जिनमें से सबसे सरल माध्य-क्षेत्र सिद्धांत है। माध्य-क्षेत्र सिद्धांत में परमाणुओं पर कार्य करने वाले क्षेत्र को इस प्रकार लिखा जा सकता है:

$$\overrightarrow{H} = \overrightarrow{H}_0 + \overrightarrow{H}_m$$ कहाँ $$\overrightarrow{H}_0$$ लागू चुंबकीय क्षेत्र है और $$\overrightarrow{H}_m$$ क्षेत्र परमाणुओं के बीच परस्पर क्रिया के कारण होता है। निम्नलिखित धारणा तब है:$$\overrightarrow{H}_m = \gamma \overrightarrow{M}$$ यहां $\overrightarrow{M}$ जाली का औसत चुंबकीयकरण है और $$\gamma$$ आणविक क्षेत्र गुणांक है। जब हम अनुमति देते हैं $\overrightarrow{M}$  और $$\gamma$$ स्थिति और अभिविन्यास पर निर्भर होने के बाद हम इसे इस रूप में लिख सकते हैं:

$$\overrightarrow{H}_i = \overrightarrow{H}_0 + \sum_{k=1}^n \gamma_{ik}\overrightarrow{M}_k$$ यहां $$\overrightarrow{H}_i$$ i पर कार्य करने वाला क्षेत्र हैवें सबस्ट्रक्चर और $$\gamma_{ik}$$ i के बीच आणविक क्षेत्र गुणांक हैवां और केवें अधोसंरचना। द्विपरमाणुक जालक के लिए हम दो प्रकार की साइटों को नामित कर सकते हैं, ए और बी। हम नामित कर सकते हैं $$N$$ प्रति इकाई आयतन में चुंबकीय आयनों की संख्या, $$\lambda$$ ए साइटों पर चुंबकीय आयनों का अंश, और $\mu = 1 - \lambda$ बी साइटों पर अंश। यह तब देता है:

$$\overrightarrow{H}_{aa}=\gamma_{aa}\overrightarrow{M};\overrightarrow{H}_{ab}=\gamma_{ab}\overrightarrow{M}_b;\overrightarrow{H}_{ba}=\gamma_{ba}\overrightarrow{M}_a;\overrightarrow{H}_{bb}=\gamma_{bb}\overrightarrow{M}_b$$ यह दिखाया जा सकता है $$\gamma_{ab}=\gamma_{ba}$$ और कि $$\gamma_{aa} \neq \gamma_{bb}$$ जब तक संरचनाएं समान न हों। $$\gamma_{ab} > 0$$ के समानांतर संरेखण का समर्थन करता है $$\overrightarrow{M}_a$$ और $$\overrightarrow{M}_b$$, जबकि $$\gamma_{ab} < 0$$ एक विरोधी समानांतर संरेखण का समर्थन करता है। फेरिमैग्नेट्स के लिए, $$\gamma_{ab} < 0$$, इसलिए इसे लेना सुविधाजनक होगा $$\gamma_{ab}$$ एक सकारात्मक मात्रा के रूप में और इसके सामने ऋण चिह्न स्पष्ट रूप से लिखें। ए और बी पर कुल फ़ील्ड के लिए यह देता है:

$$\overrightarrow{H}_a = \overrightarrow{H}_0 + \gamma_{aa}\overrightarrow{M}_a - \gamma_{ab}\overrightarrow{M}_b$$

$$\overrightarrow{H}_b = \overrightarrow{H}_0 + \gamma_{bb}\overrightarrow{M}_b - \gamma_{ab}\overrightarrow{M}_a$$ इसके अलावा हम मापदंडों को पेश करेंगे $$\alpha = \frac{\gamma_{aa}}{\gamma_{ab}}$$ और $$\beta=\frac{\gamma_{bb}}{\gamma_{ab}}$$ जो अंतःक्रियाओं की शक्तियों के बीच अनुपात देते हैं। अंत में हम कम चुम्बकत्व का परिचय देंगे:

$$\overrightarrow{\sigma}_a = \overrightarrow{M}_a/\lambda N g \mu_B S_a$$

$$\overrightarrow{\sigma}_b = \overrightarrow{M}_b/\mu N g \mu_B S_b$$ साथ $$S_i$$ आई की फिरकीवें तत्व। यह तब खेतों के लिए देता है:

$$\overrightarrow{H}_a=\overrightarrow{H}_0 + N g \mu_B S_a \gamma_{ab}(\lambda \alpha \overrightarrow{\sigma}_a - \mu \overrightarrow{\sigma}_b)$$

$$\overrightarrow{H}_b=\overrightarrow{H}_0 + N g \mu_B S_b \gamma_{ab}(-\lambda \overrightarrow{\sigma}_a + \mu \beta \overrightarrow{\sigma}_b)$$ इन समीकरणों के समाधान (यहाँ छोड़े गए) इसके द्वारा दिए गए हैं

$$\sigma_a = B_{S_a}(g \mu_b S_a H_a/k_B T)$$

$$\sigma_b = B_{S_b}(g \mu_b S_b H_b/k_B T)$$ कहाँ पे $$B_J(x)$$ Brillouin और Langevin कार्य है। अब हल करने का सबसे सरल मामला है $$S_a = S_b = \frac{1}{2}$$. तब से $$B_{\frac{1}{2}}(x)=\tanh(x)$$. यह तब समीकरणों की निम्नलिखित जोड़ी देता है:

$$   \lambda \sigma_a = \frac{\tau F(\lambda, \alpha,\beta)}{\alpha \beta -1}(\beta \tanh^{-1}\sigma_a + \tanh^{-1}\sigma_b)$$

$$\mu \sigma_b = \frac{\tau F(\lambda, \alpha,\beta)}{\alpha \beta -1}(\tanh^{-1}\sigma_a + \alpha \tanh^{-1}\sigma_b)$$ साथ $$\tau = T/T_c$$ और $$F(\lambda,\alpha,\beta) = \frac{1}{2}(\lambda \alpha + \mu \beta + \sqrt{(\lambda \alpha - \mu \beta)^2+ 4 \lambda \mu})$$. इन समीकरणों का कोई ज्ञात विश्लेषणात्मक समाधान नहीं है, इसलिए तापमान की निर्भरता का पता लगाने के लिए उन्हें संख्यात्मक रूप से हल किया जाना चाहिए $$\mu$$.

तापमान का प्रभाव
फेरोमैग्नेटिज्म के विपरीत, फेरिमैग्नेटिज्म के मैग्नेटाइजेशन कर्व्स के आकार परस्पर क्रियाओं की ताकत और परमाणुओं की सापेक्ष बहुतायत के आधार पर कई अलग-अलग आकार ले सकते हैं। इस संपत्ति के सबसे उल्लेखनीय उदाहरण हैं कि चुंबकत्व की दिशा एक फेरिमैग्नेटिक सामग्री को पूर्ण शून्य से उसके महत्वपूर्ण तापमान तक गर्म करते समय उलट सकती है, और चुंबकीयकरण की ताकत महत्वपूर्ण तापमान पर फेरिमैग्नेटिक सामग्री को गर्म करते समय बढ़ सकती है, जो दोनों नहीं हो सकती फेरोमैग्नेटिक सामग्री के लिए। ये तापमान निर्भरताएँ NiFe में भी प्रायोगिक रूप से देखी गई हैं2/5करोड़8/5O4 और ली1/2फ़े5/4यह5/4O4. क्यूरी तापमान से कम तापमान, लेकिन जिस पर विरोधी चुंबकीय क्षण बराबर होते हैं (जिसके परिणामस्वरूप शून्य का शुद्ध चुंबकीय क्षण होता है) को चुंबकीयकरण मुआवजा बिंदु कहा जाता है। यह मुआवजा बिंदु गार्नेट और दुर्लभ-पृथ्वी-संक्रमण-धातु मिश्र (आरई-टीएम) में आसानी से देखा जाता है। इसके अलावा, फेरिमैग्नेट्स में एक कोणीय गति मुआवजा बिंदु भी हो सकता है, जिस पर शुद्ध कोणीय गति गायब हो जाती है। चुंबकीय स्मृति उपकरणों में उच्च गति चुंबकीयकरण उत्क्रमण प्राप्त करने के लिए यह मुआवजा बिंदु एक महत्वपूर्ण बिंदु है।

बाहरी क्षेत्रों का प्रभाव
जब फेरिमैग्नेट्स बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के संपर्क में आते हैं, तो वे चुंबकीय हिस्ट्रेसिस कहलाते हैं, जहां चुंबकीय व्यवहार चुंबक के इतिहास पर निर्भर करता है। वे एक संतृप्ति चुंबकीयकरण भी प्रदर्शित करते हैं $$M_{rs}$$; यह चुंबकीयकरण तब होता है जब बाहरी क्षेत्र इतना मजबूत होता है कि सभी क्षणों को एक ही दिशा में संरेखित किया जा सके। जब यह बिंदु पहुंच जाता है, तो चुम्बकत्व बढ़ नहीं सकता क्योंकि संरेखित करने के लिए अधिक क्षण नहीं होते हैं। जब बाहरी क्षेत्र को हटा दिया जाता है, तो फेरिमैग्नेट का चुंबकीयकरण गायब नहीं होगा, लेकिन एक गैर-शून्य चुंबकीयकरण बना रहेगा। यह प्रभाव अक्सर चुंबक के अनुप्रयोगों में प्रयोग किया जाता है। यदि विपरीत दिशा में एक बाहरी क्षेत्र को बाद में लागू किया जाता है, तो चुंबक तब तक और विचुम्बकित हो जाएगा जब तक कि यह अंततः एक चुंबकत्व तक नहीं पहुंच जाता $$-M_{rs}$$. इस व्यवहार के परिणामस्वरूप हिस्टैरिसीस लूप कहा जाता है।

गुण और उपयोग
फेरिमैग्नेटिक सामग्रियों में उच्च प्रतिरोधकता होती है और असमदिग्वर्ती होने की दशा गुण होते हैं। चुंबकीय अनिसोट्रॉपी वास्तव में एक बाहरी लागू क्षेत्र से प्रेरित है। जब यह लागू क्षेत्र चुंबकीय द्विध्रुव के साथ संरेखित होता है, तो यह एक शुद्ध चुंबकीय द्विध्रुव क्षण का कारण बनता है और लागू क्षेत्र द्वारा नियंत्रित आवृत्ति पर चुंबकीय द्विध्रुव को अग्रगमन का कारण बनता है, जिसे Larmor पुरस्सरण या Larmor पुरस्सरण कहा जाता है। एक विशेष उदाहरण के रूप में, एक ही दिशा में एक माइक्रोवेव सिग्नल परिपत्र ध्रुवीकरण, क्योंकि यह अग्रगमन चुंबकीय क्षण के साथ दृढ़ता से संपर्क करता है; जब यह विपरीत दिशा में ध्रुवीकृत होता है, तो अंतःक्रिया बहुत कम होती है। जब इंटरेक्शन मजबूत होता है, तो माइक्रोवेव सिग्नल सामग्री से गुजर सकता है। इस दिशात्मक संपत्ति का उपयोग माइक्रोवेव उपकरणों जैसे आइसोलेटर (माइक्रोवेव), फैलानेवाला्स और जाइरेटर के निर्माण में किया जाता है। फेरिमैग्नेटिक सामग्रियों का उपयोग ऑप्टिकल आइसोलेटर्स और ऑप्टिकल संचारक बनाने के लिए भी किया जाता है। विभिन्न रॉक प्रकारों में फेरिमैग्नेटिक खनिजों का उपयोग पृथ्वी और अन्य ग्रहों के प्राचीन भू-चुंबकीय गुणों का अध्ययन करने के लिए किया जाता है। अध्ययन के उस क्षेत्र को पुराचुम्बकत्व के रूप में जाना जाता है। इसके अलावा, यह दिखाया गया है कि थर्मल ऊर्जा भंडारण के लिए मैग्नेटाइट जैसे फेरिमैग्नेट का उपयोग किया जा सकता है।

उदाहरण
सबसे पुराना ज्ञात चुंबकीय पदार्थ, मैग्नेटाइट, एक फेरिमैग्नेटिक पदार्थ है। इसके क्रिस्टल संरचना के टेट्राहेड्रल समरूपता और ऑक्टाहेड्रल समरूपता स्थल विपरीत स्पिन प्रदर्शित करते हैं। अन्य ज्ञात फेरिमैग्नेटिक सामग्रियों में यट्रियम आयरन गार्नेट (YIG) शामिल हैं; अल्युमीनियम, कोबाल्ट, निकल, मैंगनीज और जस्ता जैसे अन्य तत्वों के साथ लोहे के आक्साइड से बना क्यूबिक फेराइट्स; और रेनियम फेराइट, ReFe सहित हेक्सागोनल या स्पिनल प्रकार फेराइट्स2O4, पीबीएफई12O19 और बाफ12O19 और पायरोटाइट, फ़े1−xएस। फेरिमैग्नेटिज्म एकल-अणु चुम्बकों में भी हो सकता है। एक उत्कृष्ट उदाहरण एक प्रभावी स्पिन S = 10 के साथ एक डोडेकान्यूक्लियर मैंगनीज अणु है, जो Mn (III) और Mn (II) धातु केंद्रों के साथ Mn (IV) धातु केंद्रों पर एंटीफेरोमैग्नेटिक इंटरैक्शन से प्राप्त होता है।