ความเป็นแม่เหล็ก

ความเป็นแม่เหล็ก (อังกฤษ: magnetism) ในทางฟิสิกส์ หมายถึง คุณสมบัติอย่างหนึ่งของวัสดุที่สามารถสร้างแรงดูดหรือผลักกับวัสดุอีกอย่างหนึ่งได้ วัสดุที่ทราบกันดีว่ามักจะมีความเป็นแม่เหล็กคือ เหล็ก เหล็กกล้า และโลหะบางชนิด อย่างไรก็ตาม วัสดุต่างๆ จะเกิดความเป็นแม่เหล็กมากหรือน้อยแค่ไหนนั้นขึ้นอยู่กับสนามแม่เหล็ก(ดูในตารางที่ 1)

ประเภท

Class	$\chi$ magnetic susceptibility	Moment magnetization
Diamagnetic	มีค่าต่ำ และเป็นค่าลบ	ไม่มี
Paramagnetic	มีค่าต่ำ และเป็นค่าบวก	มีและมีการเรียงตัวระเกะระกะ
Ferromagnetic	มีค่าสูงมาก และเป็นค่าบวก	มีและมีการเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบในทิศทางเดียวกัน
Antiferromagnetic	มีค่าต่ำ และเป็นค่าบวก	มีและมีการเรียงในทิศทางตรงกันข้ามกัน มีขนาดเท่ากัน
Ferrimagnetic	มีค่าสูง และเป็นค่าบวก	มีและมีการเรียงตัวทิศทางตรงกันข้ามกัน มีขนาดแตกต่างกัน

ไดอะแม็กเนติก

วัตถุจำพวกไดอะแมกเนติก (diamagnetic material) เป็นวัตถุที่แสดงคุณสมบัติแม่เหล็กในเชิงด้านกับสนามแม่เหล็กภายนอก ไม่มีโมเมนต์แม่เหล็กถาวรในโครงสร้างอะตอม โดยที่เมื่อมีสนามแม่เหล็กภายนอกกระทำต่ออะตอมของวัตถุ จะทำให้อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เป็นวงโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมเสียสมดุล เกิดขั้วแม่เหล็กขนาดเล็กขึ้นในอะตอมขั้วแม่เหล็กจะต้านกับสนามแม่เหล็กภายนอก ทำให้เกิดผลในเชิงลบ วัตถุจำพวกนี้มีคุณสมบัติค่าสภาพรับไว้ในเชิงแม่เหล็กของวัตถุมีค่าเป็นลบ ตัวอย่างแร่ที่มีคุณสมบัติแม่เหล็กประเภทนี้ได้แก่ ควอตซ์ เกลือหิน แคลไซ เป็นต้น

พาราแมกเนติก

พาราแม็กเนติก

วัตถุจำพวกพาราแมกเนติก (paramagnetic material) เป็นวัตถุที่เมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็กภายนอก วัตถุจะถูกเหนียวนำให้มีสภาพเป็นแม่เหล็ก นั่นคือ ในโครงสร้างอะตอมของวัตถุจำพวกนี้มีโมเมนต์แม่เหล็กถาวรประกอบอยู่ แต่การเรียงตัวไม่เป็นระเบียบ (ดูในรูปที่ 1) ดังนั้นเมื่อถูกเหนียวนำจึงมีการเรียงตัวของโมเมนต์แม่เหล็กไปตามสนามแม่เหล็กที่มีห้องนำ การเรียงตัวจะไม่เป็นระเบียบอย่างสมบูรณ์ และเมื่อนำสนามแม่เหล็กออกไป วัตถุนั้นก็จะไม่มีความเป็นแม่เหล็กอีกต่อไป วัตถุจำพวกนี้มีคุณสมบัติของสภาพรับไว้เชิงแม่เหล็กของวัตถุเป็นค่าบวกและมีค่าอยู่ระหว่าง $10^{-6}-10^{-2}$ วัตถุที่มีคุณสมบัติแม่เหล็กจำพวกนี้ได้แก่วัตถุทุกชนิดที่ไม่ใช่วัตถุจำพวกไดอะแมกเนติก

เฟร์โรแมกเนติก

เฟร์โรแม็กเนติก

เฟอร์โรแมกเนติก (Ferromagnetism) เป็นสมบัติทางแม่เหล็กที่มีในวัสดุบางชนิด เช่น เหล็ก (Fe), โคบอลต์ (Co), และนิกเกิล (Ni) ซึ่งสามารถแสดงแรงแม่เหล็กถาวรได้โดยไม่ต้องอาศัยสนามแม่เหล็กภายนอก โดยสมบัตินี้เกี่ยวข้องกับการเรียงตัวของโมเมนต์แม่เหล็กในระดับอะตอม ซึ่งอยู่ภายในโครงสร้างที่เรียกว่า โดเมนแม่เหล็ก (Magnetic Domains)

การค้นพบสมบัติเฟอร์โรแมกเนติก

           สมบัติเฟอร์โรแมกเนติกได้รับการศึกษาและมากขึ้นในศตวรรษที่ 19 และ 20 โดยมีนักวิทยาศาสตร์หลายคนที่มีบทบาทสำคัญ ได้แก่

           1. วิลเลียม กิลเบิร์ต (William Gilbert) โดยในปี 1600 กิลเบิร์ตเป็นผู้เริ่มต้นศึกษาคุณสมบัติของแม่เหล็กในหนังสือ De Magnete ซึ่งวางรากฐานสำหรับการศึกษาแม่เหล็กในอนาคต

           2. ปิแอร์ คูรี (Pierre Curie) ในช่วงปี1895-1900 ปิแอร์ คูรีค้นพบว่าแม่เหล็กเฟอร์โรจะสูญเสียสมบัติแม่เหล็กเมื่ออุณหภูมิสูงกว่าจุดวิกฤตที่เรียกว่า อุณหภูมิคูรี (Curie Temperature) ซึ่งตั้งชื่อตาม ปิแอร์ คูรี

           3. เวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก (Werner Heisenberg) ในปี 1928 ไฮเซนเบิร์กได้อธิบายสมบัติเฟอร์โรแมกเนติกในเชิงกลศาสตร์ควอนตัมโดยใช้แนวคิดของ แรงแลกเปลี่ยน (Exchange Interaction) ซึ่งช่วยอธิบายการจัดเรียงตัวของโมเมนต์แม่เหล็กในวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก

คุณสมบัติสำคัญของวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก

           1. โมเมนต์แม่เหล็กสุทธิสูง ในแต่ละโดเมนแม่เหล็กโมเมนต์แม่เหล็กเรียงตัวในทิศทางเดียวกัน ซึ่งจะทำให้เกิดโมเมนต์แม่เหล็กรวมที่แข็งแรง

           2. อุณหภูมิคูรี (Curie Temperature) เมื่อวัสดุมีอุณหภูมิสูงกว่าจุดนี้ โมเมนต์แม่เหล็กในโดเมนจะกระจัดกระจายและสูญเสียสมบัติทางแม่เหล็ก

           3. ฮิสเทอรีซิส (Hysteresis) หลังจากนำสนามแม่เหล็กภายนอกออก วัสดุเฟอร์โรแมกเนติกยังคงมีแรงแม่เหล็กหลงเหลืออยู่

กลไกการเกิดสมบัติเฟอร์โรแมกเนติก

           สมบัติเฟอร์โรแมกเนติกเกิดจาก แรงแลกเปลี่ยน (Exchange Interaction) ซึ่งเป็นผลจากกลศาสตร์ควอนตัมที่ทำให้อิเล็กตรอนในอะตอมที่อยู่ใกล้กันจัดเรียงตัวแบบขนานในทิศทางเดียวกันเพื่อลดพลังงานรวมของระบบ ส่งผลให้วัสดุมีสนามแม่เหล็กรวมที่แข็งแกร่ง

การใช้งานวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก

           1. แม่เหล็กถาวร: ใช้ในมอเตอร์ไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้า และลำโพง

           2. หม้อแปลงไฟฟ้า: ใช้ในแกนหม้อแปลงเพื่อลดการสูญเสียพลังงาน

           3. อุปกรณ์บันทึกข้อมูล: เช่น ฮาร์ดดิสก์หรือแถบบันทึกข้อมูล             วัตถุจำพวกเฟร์โรแมกเนติก แบ่งย่อยได้ 3 ประเภทคือ

แอนติเฟร์โรแมกเนติก

เฟอร์โรแม็กเนติกบริสุทธิ์

ประเภทเฟร์โรแมกเนติกบริสุทธิ์ (Pure ferromagnetism) วัตถุที่จัดในประเภทนี้จะมีทิศทางของโมเมนต์แม่เหล็กถาวรที่เรียงในโดเมนทุกๆโดเมน เรียงเป็นแนวขนานตามทิศทางของสนามแม่เหล็ก (ดูในรูปที่ 2) ทำให้มีค่าสภาพรับได้เชิงแม่เหล็กสูงและมีค่าบวก ในธรรมชาติส่วนใหญ่จะพบได้เฉพาะในชาติ เหล็ก นิกเกิล และ โคบอลต์ (กาโดไลเนียม และ ไดสพรอเซียม พบน้อยมาก ไดสพรอเซียม อยู่ในสภาวะแก๊ส ส่วนกาโดไลเนียมสภาพความเป็นแม่เหล็กถูกทำลายได้อุณหภูมิห้อง เราจึงไม่นำมาพิจารณา) ถ้าหิน มีเพียงส่วนประกอบของธาตุ เหล็ก นิกเกิล หรือ โคบอลต์ ไม่จัดเป็นประเภทเฟร์โรแมกเนติกบริสุทธิ์

แอนติเฟร์โรแม็กเนติก

เฟร์ริแมกเนติก

ประเภทแอนติเฟร์โรแมกเนติก (antiferromagnetism) เป็นวัตถุที่ถึงแม้ว่าจะมีโมเมนต์แม่เหล็กถาวรประกอบอยู่ในวัตถุ แต่คลิปทางการเรียงตัวของโมเมนต์แม่เหล็กถาวรภายในโดเมนแต่ละโดเมน มีการเรียนในทิศทางตรงกันข้าม และมีขนาดเท่ากัน จึงหักล้างกันหมดไป (ดูในรูปที่ 3) ทำให้มีค่า สภาพรับได้เชิงแม่เหล็กเป็นศูนย์ แร่ที่มีคุณสมบัติประเภทนี้คือ ฮ ีมาไทต์

เฟร์ริแมกเนติก

ประเภทเฟร์ริแมกเนติก (ferrimagnetism) เป็นวัตถุที่มีโมเมนต์แม่เหล็กถาวรประกอบอยู่ในวัตถุ และทิศทางการเรียงตัวของโมเมนต์แม่เหล็กถาวรภายในโดเมนมีการเรียงในทิศทางตรงกันข้าม แต่มีขนาดไม่เท่ากัน (ดูในรูปที่ 4) จึงทำให้มีอำนาจแม่เหล็ก และมีค่าสภาพรับได้เชิงแม่เหล็กเป็นบวก วัตถุที่มีคุณสมบัติประเภทนี้ คือ จำพวกเฟร์ไรต์ มีสูตรทางเคมีคือ $XOFe_{2}O_{3}$3 เมื่อ X คือ Mn, Co, Ni, Cu, Mg, Zn เป็นต้น