المغناطيسية المسايرة أوالبارامغناطيسية بالإنگليزية: Paramagnetism شكل من المغناطيسية، تظهر فقط بوجود مجال مغناطيسي خارجي وتزول بزواله. من المواد التي تتصف بالمغناطيسية المسايرة الالمنيوم والمنگنيز والبلاتين .

وتتسم المواد ذات المغناطيسية المسايرة بأنها إذا سقطت في مجال مغناطيسي خارجي فإنها تقوّي المجال المغناطيسي بداخلها. وتكون مغناطيسيتها متناسبة طرديا معا شدة المجال المغناطيسي الخارجي. وتحدد الخاصية المغناطيسية لمادة ما بما يسمى قابلية مغناطيسية.

وتظهر المغناطيسية المسايرة في المواد التي تحتوي ذراتها على إلكترونات غير مزدوجة مثل أيونات الفلزات الانتنطقية (مثل العناصر ذات عدد ذري بين 21 - 30 و39 - 48 وغيرها) وأيونات اللانثانيدات (العناصر ذات عدد ذري بين 57 - 71) وذراتها والجزيئات ذات عزم مغناطيسي . وترجع تلك الخاصية إلى العزم مغزلي للإلكترونات وإلى الزخم الزاوي للإكترونات (حيث تدور الإلكترونات في مدارات حول نواة الذرة) .

وبمقارنة المغناطيسية المسايرة بالمغناطيسية المعاكسة :

- تظهر المغناطيسية المسايرة تقريبا في جميع المواد،

- يرجع سببها إلى تغير أتجاه زخم المدار الذري بسبب المجال المغناطيسي الخارجي،

- تتنافر المواد المعاكسة المغناطيسية من مجال مغناطيسي خارجي.

وتصنف الفيزياء المواد بحسب قابليتها المغناطيسية فإذا كانت قابليتها المغناطيسية موجبة ولا تتسم بوجود ترتيب مغناطيسي فيها فتسمى مواد ذات مغناطيسية مسايرة.

أصلحها

يمكن تصور مادة ذات مغناطيسية مسايرة بكونها تتكون من قضبان مغناطيسية صغيرة يمكنها الدوران في مواقعها. فإذا وضعنا تلك المادة في مجال مغناطيسي فإن المغناطيسات الصغيرة فيها تترتب في اتجاه خطوط المجال المغناطيسي. ومن أبرز الظواهر هنا حتى المغناطيسات الصغيرة لا يؤثر الواحد على جيرانه. كما يعمل الاهتزاز الحراري على حتى اتجاه المغناطسي لكل واحد منهم تتغير بسبب الاهتزاز. ونتيجة ذلك حتى معظم المعناطيسات الدقيقة في المادة تتجه اتجاها عشوائيا بالنسبة للمجال الخارجي ولا يتبقي سوى عدد قليل من تلك المغناطيسات الدقيقة يأخذ اتجاه المجال المغناطيسي الخارجي، وتلك هي التي تنتج المحصلة المغناطيسية للمادة. لذلك يحتاج المرء إلى مجال مغناطيسي قوي لكي يزيد عدد المغناطيسات الدقيقة في المادة التي تترتب في اتجاه المجال المغناطيسي الخارجي.

الصيغة الفيزيائية

يكمن وجود المغناطيسية المسايرة في المادة في العزم المغناطيسي لذراته أوجزيئاته وترتيب اتجاهها في اتجاه مجال مغناطيسي خارجي. وفي تلك الحالة تتصرف جميع مغناطيسس دقيق في المادة على حده بدون التأثير على جيرانه. والاختلاف بين تلك الظاهرة والمغناطيسية الحديدية هوحتى المغناطيسية المسايرة تختفي تماما بعد إزالة المجال المغناطيسي الخارجي بسبب الاهتزاز الحراري للذرات. ولهذا تكون المغناطيسية ${\displaystyle M$ لمادة متناسبة مع شدة المجال المغناطيسي الخارجي ${\displaystyle H$، وتنطبق المعادلة :

${\displaystyle \left.M=\chi H\right.$ ، حيث ${\displaystyle \left.\chi >0\right.$

وحدثا زادت القابلية المغناطيسية${\displaystyle \mathrm{\chi <!--\; \chi \; -->}}$${\displaystyle \mu _{r =\chi +1$ لمادة فقد تستخدم الأخيرة أيضا كمقياس للمغناطيسية المسايرة (حيث ${\displaystyle \mu _{r =$ النفاذية المغناطيسية).

المواد المغنطيسية وأنواعها

يمكن تقسيم المواد المغنطيسية إلى مواد ذات مغناطيسية معاكسة وذات مغناطيسية حديدية وذات مغناطيسية مسايرة، ويعتمد هذا التقسيم على الكيفية التي تستجيب بها المواد للحقل المغنطيسي الخارجي. فعندما توضع المواد ذات المغنطيسية المعاكسة تحت تأثير حقل مغنطيسي يتولد فيها من جرّاء ذلك عزم مغناطيسي يعاكس جهة الحقل المغنطيسي المؤثِّر. يمكن فهم هذه الظاهرة بأنها نتيجة لوجود تيارات كهربائية محرَّضة في ذرات المادة وجزيئاتها. وطبقاً لقانون أمبير تعمل هذه التيارات على توليد عزوم مغنطيسية بشكل معاكس للحقل المطبَّق. تتصف غالبية المواد بخاصة المغنطيسية المعاكسة، لكنّ أشدّها إظهاراً لهذه الخاصة البزموت المعدني والجزيئات العضوية - مثل البنزين - التي لها بنية حلقية حيث تُفضي إلى سهولة في تشكيل التيارات الكهربائية فيها. في حين تحافظ المادة ذات المغنطيسية الحديدية مثل الحديد على العزم المغنطيسي فيها حتى وإن تم تخفيض الحقل الخارجي إلى قيمة مساوية للصفر، وذلك بسبب التآثُر الشديد بين بعض العزوم المغنطيسية للذرات أوالإلكترونات وبعضها الآخر بكيفية تصطف فيها هذه العزوم بشكل متوازٍ فيما بينها. لكنّ السلوك المغنطيسي المساير ينشأ خلافاً لما سبق، إذ يعمل الحقل المغنطيسي المطبَّق على جعل العزوم المغنطيسية العائدة إلى الإلكترونات الفردية (غير المتزاوجة) في المادة تنتظم وتأخذ نسقاً ذا وجهة محددة بعد حتى كانت عشوائية التوجّه في غياب الحقل، وتكون النتيجة الحصول على عزم مغنطيسي متوسط يُضاف إلى الحقل المغنطيسي. تضم المواد المغنطيسية المسايرة المعادن الانتنطقية أوعناصر الأتربة النادرةالتي فيها إلكترونات غير متزاوجة ، وتتصف بهذه الظاهرة المواد غير المعدنية غالباً باعتمادها على درجة الحرارة. بتعبير أدق يتناسب قياس العزم المغنطيسي المحرَّض عكساً مع درجة الحرارة، ويتأتى ذلك بسبب الصعوبة المتزايدة في ترتيب العزوم المغنطيسية للإلكترونات الفردية وفقاً لاتجاه الحقل المغنطيسي حدثا ارتفعت درجة الحرارة.

نظرية كوري - لانگجڤين

قدّم الفيزيائي الفرنسي پول لانگجڤين Paul Langevin عام 1905 نظرية تتعلق بعلاقة الخواص المغنطيسية للمغانط المسايرة بدرجة الحرارة، أسّسها على البنية الذرية للمادة وذلك قبل ظهور التفسير الكمومي quantum للمغنطيسية عن طريق السپين spin من قبل الأمريكيين أوهلينبيك Uhlenbeck وگودشميت Goudsmit عام 1925. عُدّت نظرية لانجفان التقليدية بمنزلة الوصف الأولي للخصائص المغنطيسية على النطاق الواسع large-scale بدلالة الخواص المجهرية للإلكترونات والذرات. وجرى فيما بعد توسيع هذه النظرية من قبل الفرنسي ويس Weiss الذي اقترح وجود حقل جزيئي molecular داخلي في المواد الحديدية وما شابهها. عندما تم دمج هذه الخاصة في نظرية لانجفان أمكن تفسير المواد ذات المغنطيسية القوية كالحجر المغنطيسي lodestone مثلاً. تمت الإشارة في الفقرة السابقة إلى حتى الأوساط التي تتصف بخصائص المغنطيسية المسايرة هي المواد التي تحتوي في هجريبها ذرات مرتبة أوجزيئاتقد يكون فيها عدد الإلكترونات فردياً بحيث لا يمكن حتىقد يكون العزم المغنطيسي الكلي معدوماً. ومن الأمثلة على ذلك الجذور العضوية الحرة مثل جذر ثلاثي فينيل ميتيل وجذر البنزول وذرات المعادن الحرة مثل الليثيوم وغيره، إضافة إلى المواد التي تكون فيها الطبقات الإلكترونية الداخلية غير مكتملة، كالعناصر الانتنطقية والعناصر الترابية النادرة والأكتينيدات.

قانون كوري

من الشائع جداً في المغنطيسية حتى توصف خصائص المواد بدلالة الطواعية susceptibility المغنطيسية التي تُعرَّف ضمن التقريب الخطي لعلاقة متجه التمغنط magnetisation بمتجه الحقل المغنطيسي لمادة متناحية isotropic بأنها حاصل نسبة المقدارين السابقين:

إذن تمثل عدداً بلا أبعاد بسبب كون M وH لها الأبعاد ذاتها، وتكون موجبة وأصغر بكثير من الواحد في الأوساط المغنطيسية المسايرة، في حين تكون في المواد المغنطيسية المعاكسة سالبة وصغيرة بالنسبة إلى الواحد. تأخذ X قيمة موجبة وكبيرة جداً في المواد المغنطيسية الحديدية، إضافة إلى أنها يمكن حتى تكون ذات قيمة غير ثابتة فيها بسبب عدم وجود علاقة خطية دقيقة للتمغنط بدلالة الحقل إلا ضمن مجال صغير لهذا الأخير. إذن يمكن حتى تُخط علاقة التمغنط لوسط مغنطيسي مساير يحوي N ذرة في واحدة الحجوم باستخدام المعادلة السابقة التي تعرِّف عزم ثنائي القطب المتوسط وفقاً للعلاقة:

ومن ثمقد يكون للطواعية المغنطيسية القيمة الآتية:

وذلك بعد استخدام علاقة ماكسويل B = μ0H التي تربط بين التحريض والحقل المغنطيسيين B وH على الترتيب بحسبان μ0 النفوذية permeability المغنطيسية للفضاء الحر. تُدعى العلاقة الأخيرة قانون كوري[ر] Curie law الذي يبيّن اعتماد الطواعية على مقلوب درجة الحرارة التي حدثا ازدادت تقلصت قيمة الطواعية بسبب ازدياد معدل الاهتزازات الحرارية، حيث تؤثر الحرارة بدورها سلباً على سهولة توجّه ثنائيات القطب طبقاً لاتجاه الحقل الخارجي. تُسمى الطواعية المغنطيسية الأخيرة أيضاً الطواعية المغنطيسية المسايرة للانجفان. تخضع معظم المواد الصلبة ذات المغنطيسية المسايرة لقانون كوري في حين يشذّ بعضها في درجات الحرارة المنخفضة. وهذا متسقط إذا ما أُخِذ بالحسبان الآلية المعقدة لتكميم توجه ثنائيات القطب التي تمليها قواعد ميكانيك الكم باعتبار التأثير السبيني المداري للإلكترون أوالأيون، ومن ثم فإن ذلك يقتضي إدخال وسطاء إضافية على علاقة الطواعية المغنطيسية التقليدية بحيث تغدوبالشكل:

حيث:

هوثابت كوري وμB وg هما مغنطون بور Bohr magneton وعامل لانده Landé factor على الترتيب وJ هوالاندفاع الزاوي angular momentum الكلي (المتعلق بالأعداد الكمومية السبينية والمدارية) ويأخذ قيماً متبترة.

المغنطيسية المسايرة لباولي في المواد المرتبة

خلافاً للإحصاء التقليدي يستطيع مثيله الكمومي حتى يقدّم تفسيراً للشذوذات anomalies التي تظهر في النماذج التقليدية. لذلك يمكن للمعالجة الكمومية حتى تبيّن مثلاً سبب كون الطواعية المغنطيسية لمنظومة من الإلكترونات، صغيرة نوعاً ما ومستقلة عن درجة الحرارة. بما حتى المغنطيسية المسايرة تنشأ نتيجة لاصطفاف العزوم المغنطيسية للإلكترونات الفائضة وباعتبار وجود سبين يميزها إذاًقد يكون لكل إلكترون منها عزم مغنطيسي مساوٍ لمغنطون بور واحد؛ أي μB = e h/2m حيث e وm هما شحنة الإلكترون وكتلته على الترتيب، وh هوثابت بلانك. يتجه هذا العزم بشكل معاكس antiparallel لاندفاعه الزاوي (السبين)، وتقوم الإلكترونات المقترنة في الطبقات الداخلية inner shells بإلغاء هذا الأثر نتيجة ازدقابلا، في حين يحدث الاصطفاف المغنطيسي المساير لإلكترونات الطبقات الداخلية غير المقترنة في طائفة من المعادن ومواد العناصر الانتنطقية والترابية النادرة. من الممكن يتسقط المرء حتى تكون الإلكترونات الخارجية لغاز إلكتروني حر في المعدن قادرة على الاصطفاف وتوليد متجه مغنطة * يعتمد على الحقل المطبق. فمن أجل غاز إلكتروني غير متردٍ non-degenerate تُحَدد هذه المغنطة وفقاً لدالة لانجفان، ومن خلال قانون كوري L (μBμ0H/kT) بالعلاقة:

وذلك من أجل حقل مغنطيسي أصغر بشكل كافٍ من الحقل اللازم للإشباع saturation حيث يمكن اعتبار

إذن تكون الطواعية المغنطيسية مقداراً مستقلاً عن الحقل المغنطيسي إلا أنها تعتمد على درجة الحرارة كما هوملاحظ. لكن الأمر ليس كذلك بالنسبة إلى المعادن الحقيقية التي تملك بنية مرتبة حيث لا تخضع إلكتروناتها لقانون كوري بهذه الصيغة، وتبدي مغنطيسية مسايرة مختلفة عما يُمليه هذا القانون. لقد أشار باولي[ر] Pauli عام 1927 إلى هذا الانحراف عن قانون كوري وأوضح اعتماداً على مبدأ الاستبعاد Exclusion Principle الذي كان قد اقترحه، أنه يمكن لإلكترونين لهما سبينان متعاكسان حتى يشغلا السوية الكمومية ذاتها ومن ثم يمكن دراسة متجه المغنطة المسايرة بعد اعتبار كثافة سويات الطاقة التي تربط بين طاقة الإلكترون وكثافة السويات الإلكترونية:

حيث m وε كتلة الإلكترون وطاقته على الترتيب. إذن بوجود حقل مغنطيسي يعد أحد توجهي السبين موافقاً لاتجاه الحقل والتوجه الثاني معاكساً له، ويحدث عندئذ انزياح لكل مجموعة من السويات مقداره ± μB μ0 H بدءاً من قيمة الطاقة عند حقل يساوي الصفر. ومن ثم سيزداد انشغال occupancy السويات ذات الطاقة المنخفضة ذات السبين المعاكس (أي التي لها عزم مغنطيسي موازٍ) على حساب انخفاض انشغال المجموعة ذات السبين الموازي وذلك بسبب مصونية الطاقة. ويؤدي ذلك بالنتيجة إلى نشوء عزم مغنطيسي موجب أوما يُدعى المغنطيسية المسايرة. عندماقد يكون μB μ 0H << εF، حيث εF طاقة سوية فيرمي level Fermi، تُعطى قيمة متجه المغنطة المسايرة بالعلاقة: ومن ثم تُعطى الطواعية المغنطيسية بالعلاقة التي تبين بوضوح حتى قيمتها تساوي القيمة الناتجة من الأثر المغنطيسي للإلكترونات ضمن مجال الطاقة μB μ0 H حول طاقة فيرمي. وبما حتى هذا يمثّل جزءاً صغيراً جداً من إسكان population الإلكترونات الكلي فإن نموذج باولي يتنبّأ جيداً بانحراف الطواعية المغنطيسية عن قيمتها التقليدية. يمكن ملاحظة درجة هذا الانحراف في الطواعية من خلال استبدال g (εF) بقيمة مساوية لـ (m3N/2eεF ) حيث تغدوطواعية باولي المغنطيسية مساوية للمقدار:

وتنحرف بالمقارنة مع طواعية دالة لانگجڤين التقليدية:

بمقدار يساوي (m2εF /9kT).

أمثلة على المغناطيسية المسايرة

علاقتها بالمغناطيسية الحديدية

كثيرا ما يخلط الناس بين قابلية مغناطيسية عالية ويعتقد حتى المادة لها مغناطيسية حديدية . ولكن هذا ليس بسليم. فإن المواد ذات المغناطيسية الحديدية لها بالعمل قابلية مغناطيسية عالية جداً ولكن السبب يرجع إلى الترابط القوي بين المغناطيسات الدقيقة في المادة ذات المغناطيسية الحديدية. وتبين المواد ذات خاصية المغناطيسية الحديدية وجود مغناطيسيتها أيضاً بعد زوال المجال المغناطيسي الخارجي. وهي ظاهرة تعهد باسم . أما المواد ذات الخاصية المغناطيسية المسايرة فهي كما تجاوز القول تفقد معناطيسيتها بعد زوال المجال المغناطيسي الخارجي.

ويعمل التآثر القوي بين الذرات المغناطيسية في المواد المغناطيسية الحديدية على تكون حبيبات مغناطيسية تضم ملايين الذرات تكون مغناطيسيتها في اتجاه واحد . ولكن توجد في المادة المغناطيسية الحديدية آلاف أوملايين من تلك الحبيبات المغناطيسية موزعة توزيعا عشوائيا بحيث لا تظهر محصلتهم ظاهرة المغناطيسية . أما المواد ذات المغناطيسية المسايرة فتكون الذرات أوالجزيئات المنفردة هي مصدر المغناطيسية ، وليست حبيبات تشتمل على ملايين الذرات المترابطة المغناطيسية.

ماگنتيت

يُظهر الماگنتيت (Fe₃O₄) عادة خاصية الفري‌مغناطيسية Ferrimagnetism. ولكن عندما تكون الحبيبات فيه أصغر من 20 - 30 نانومتر تظهر فيه خاصية المغناطيسية المسايرة الفائقة عن درجة حرارة الغرفة . وعند تسليط مجال مغناطيسي عليه من الخارج تترتب الحبيبات المغناطيسية جميعا في اتجاه المجال المغناطيسي. وبعد زوال المجال المغناطيسي الخارجي ينفك الترتيب وتعود عشوائية اتجاه مغناطيسية الحبيبات بعمل الحرارة، وتعود محصلة المجال المغناطيسي للعينة ثانيا إلى الصفر.

انظر أيضاً

• مغناطيسية حديدية
• مغناطيسية معاكسة
• مغناطيس
• عزم مغناطيسي
• عزم مغزلي
• قابلية مغناطيسية
• ماگنتون بور
• درجة حرارة كوري
• مغناطيسية معاكسة
• مغناطيسية حديدية
• كيمياء مغناطيسية
• پيير كوري

المصادر

نصوص مرجعية عامة

• Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics (Wiley: New York, 1996).
• Neil W. Ashcroft and N. David Mermin, Solid State Physics (Harcourt: Orlando, 1976).
• John David Jackson, Classical Electrodynamics (Wiley: New York, 1999).

وصلات خارجية

http://www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/MagParticle/Physics/MagneticMatls.htm