بخشی از مقاله
چکیده
مواد نانوبلور مغناطیسی به علت خواص مطلوب مغناطیسی کاندیدای استفاده در حسگرهای میدان -جریان، هسته مبدلها و ژنراتورها هستند. از عواملی که میتواند بر خواص مغناطیسی مواد نانوبلور اثرات مهمی داشته باشد رطوبت و زنگزدگی ناشی از آن است. در این مقاله تاثیر رطوبت بر رفتار مغناطیسی در نوارهای نانوبلور با فرمول ترکیبی 78 9 13 بررسی و گزارش شده است. به این منظور قطعاتی از نوارهای نانوبلور انتخاب و برای بازههای زمانی متفاوت در آب قرار داده شدند. به منظور درک اثر رطوبت بر رفتار مغناطیسی نمونهها، پاسخ امپدانسی، حلقه پسماند حجمی و سطحی نمونهها اندازهگیری شدهاند. نتایج بهدست آمده از اندازهگیری نمونهها در حالت خام و رطوبت دیده، تاثیر قابل مالحظه رطوبت بر رفتار مغناطیسی سطحی را نشان دادهاند.
کلمات کلیدی: نوارهای نانوبلورهای مغناطیسی، رفتار مغناطیسی، حلقه پسماند، اثر مگنتواپتیکی کر طولی.
1مقدمه
نانوبلورهای مغناطیسی دارای خواص مغناطیسی و فیزیکی مطلوب نظیر مغناطش اشباع زیاد، مغناطوتنگش کوچک و مقاومت الکتریکی اندک هستند که باعث شده عالوه بر استفاده در هسته مبدلها و ژنراتورها پیشنهاد استفاده از این مواد در ساخت انواع آشکارسازهای میدان-جریان نسل جدید که بر اساس پدیده امپدانس مغناطیسی - MI - کار میکنند مطرح شود .]4-1[ به طور کلی، به تغییر امپدانس یک رسانای مغناطیسی به علت اعمال میدان مغناطیسی، اثر امپدانس مغناطیسی گفته میشود. اثر امپدانس مغناطیسی نخستین بار در سال 1994 توسط پنینا و مهری گزارش شد ]5[ و پس از آن تالشهای فراوانی در جهت بهبود و توسعه آن صورت گرفت .]6[
بررسی اثر امپدانس مغناطیسی در مواد با استفاده از کمیت نسبت امپدانس مغناطیسی - MIR - انجام میشود. نسبت امپدانس مغناطیسی به صورت، MIR = Z∆Z - % - =[Z - H - −Z - Hmax - ] ×100 تعریف میشود. که در آن Z نشاندهنده امپدانس، H میدان مغناطیسی خارجی و HmaxZ - Hmax - بیشینه میدان مغناطیسی اعمال شده در فرآیند اندازهگیری هستند .]6[حسگرهای میدان-جریان باید دارای ویژگیهایی باشند که از مهمترین آنها میتوان به پایداری زمانی، بازه دمای کاری گسترده، بازه اندازهگیری میدانی گسترده، حساسیت باال، اندازه کوچک و سرعت پاسخ زیاد اشاره نمود .]6[ منظور از پایداری زمانی این است که در طول زمان حساسیت حسگر تغییر نکند. در غیر این صورت با گذشت زمان اعداد حسگر قابل اطمینان نخواهند بود.
در حسگرهایی که بر مبنای پدیده امپدانس مغناطیسی کار میکنند پایداری زمانی ممکن است به وسیله تغییر در خواص مغناطیسی نمونه و در نتیجه تغییر پاسخ امپدانس مغناطیسی از بین برود .]7[ تغییر پاسخ امپدانس مغناطیسی با گذشت زمان، اثر تاخیری امپدانس مغناطیسی نامیده میشود .]7[ برخی از حسگرها در محیطهای صنعتی مرطوب یا در محیطهای دریایی - نظیر کشتیرانی - استفاده میشود .]6[ به غیر از این، زنگ زدگی در فضاهای آزاد نیز پدیدهای اجتنابناپذیر است. از اینرو زنگ زدگی را میتوان یکی از عوامل مهم و تاثیرگذار در اثر تاخیری امپدانس مغناطیسی دانست.
در این مقاله، تاثیر رطوبت بر رفتار مغناطیسی در نوارهای نانوبلور مغناطیسی با فرمول ترکیبی Fe78Si9B13 بررسی و گزارش شده است. به این منظور نمونهها برای مدت زمانهای متفاوتی در معرض رطوبت قرار داده شده و پاسخ امپدانسی آنها اندازهگیری و مقایسه شدهاند. حلقه پسماند نمونهها در حالت خام و پس از 90 رطوبتدهی به وسیله دستگاه مغناطشسنج نمونه لرزان اندازهگیری و مقایسه شدهاند. از آنجاییکه انتظار میرفت که بیشترین اثر رطوبت و زنگزدگی بر خواص سطحی نمونهها باشد، خواص مغناطیسی سطحی نمونهها با استفاده از اثر مگنتواپتیکی کر حلقه پسماند نمونهها اندازهگیری شدهاند. پاسخ امپدانسی نمونهها بعد از رطوبتدهی به طور قابل مالحظهای تغییر یافته بودند که این تغییرات در تطابق با تغییرات مشاهده شده در نمودارهای پسماند سطحی و حجمی بودند.
.2 مواد و روشها
از نوارهای نانوبلور مغناطیسی با فرمول ترکیبی 78 9 13 که به روش ذوب ریسی ساخته شده و سپس به منظور تشکیل نانوبلورها تحت بازپخت مناسب قرار گرفته بودند، قطعاتی به طول چهار سانتیمتر انتخاب و جدا شدند. ضخامت این نوارهای نانوبلور 27 3 m و عرض آنها ̅17 mm بود. یک قطعه از نمونهها به مدت سی دقیقه، قطعهای دیگر به مدت شصت دقیقه و قطعه دیگری نیز به مدت نود دقیقه در رطوبت 80% قرار داده شدند که از این به بعد به ترتیب آنها را نمونه1، نمونه2 و نمونه3 مینامیم. نمونه سوم پس از رطوبت دهی بر اثر زنگ زدگی به طور کامل تغییر رنگ داده بودند. تغییر رنگ مذکور در نمونه اول و دوم نیز به طور منطقهای قابل مشاهده بود. پاسخ امپدانسی نمونهها با استفاده از روش پروپ چهار نقطهای1 اندازهگیری شد.
برای تولید میدان مغناطیسی خارجی از یک سیملوله بلند - به طول - 100، که قادر به تولید میدان مغناطیسی تا 220بود، استفاده شد. جریان متناوب که توسط یک مولد تابع ایجادمیشد دارای فرکانس 8 MHz و دامنه 10 mA بود. این جریان در راستای موازی با محور نوارهای نانوبلور - و موازی با میدان مغناطیسی خارجی - از آنها عبور داده میشد. فرکانس 8 MHz جریان متناوب پس از اندازهگیریهای متعدد و به علت اینکه نمونه خام - رطوبت داده نشده - در این فرکانس دارای بیشترین پاسخ امپدانسی بود، انتخاب شد. محاسبه امپدانس مغناطیسی با استفاده از اندازهگیری ولتاژ دو سر نمونه انجام شد. به این منظور از یک اسیلوسکوپ دیجیتال - Gw - INSTEK 1102 A-U استفاده شد. حلقه پسماند حجمی نمونهها به روش نمونه لرزان، در دانشگاه کاشان، اندازهگیری شدند.
خواص مغناطیسی سطحی نمونهها با استفاده از روش مغناطیسسنجی کر طولی مطالعه و اندازهگیری شد. به این منظور از یک لیزر هلیوم-نئون - ≅ 633 - که با زاویه 45° بر نمونه فرود میآمد، استفاده شد. اندازهگیری در میدان مغناطیسی متناوب با فرکانس بیست هرتز انجام شد. ازآنجاییکه سطح نمونهها ناهموار و دارای عرض اندکی بود، برای مغناطیس سنجی کر استفاده از دو عدسی اجتناب ناپذیر بود. عدسی اول قبل از نمونه و برای کانونی کردن نور و عدسی دوم بعد از نمونه و به منظور جمع کردن نور به درون آشکارساز مورد استفاده قرار گرفت. تمامی اندازهگیریها در دمای اتاق و فضای آزاد انجام شدند. در حین اندازهگیریهای امپدانس مغناطیسی، نمونهها عمود بر جهت میدان مغناطیسی قرار گرفتند تا اثر میدان مغناطیسی زمین بر نمونهها به کمترین مقدار رسانده شود.
.3نتایج و بحث
شکل 1 نتایج حاصل اندازهگیری نسبت امپدانس مغناطیسی، - MIR - ، را نشان میدهد. چنانچه مشاهده میشود مطابق انتظار رطوبت باعث کاهش پاسخ امپدانس مغناطیسی شده است به گونهای که بیشینه نسبت امپدانس مغناطیسی از 120 در حالت خام به حدود 60 در نمونه 1، 45 در نمونه دوم و 28 در نمونه 3 رسیده است. این کاهش میتواندمربوط به اکسیدشدگی و تاثیر آن بر خواص مغناطیسی نمونهها باشد. کاهش حساسیت میدانی، که به صورت MIRmaxHWHM
تعریف میشود و در آن HWHM نصف پهنای در نصف بیشینه ارتفاع نمودار است، نیز در نمودارهای نمونههای رطوبت دیده آشکار است. از آنحاییکه اثر امپدانس مغناطیسی پدیدهای نیمه حجمی است، کاهش حساسیت میدانی نشاندهنده این است که نوارهای نابلور تحت تاثیر رطوبت و زنگ زدگی در ناحیه نیمه حجمی رفتار مغناطیسی سختتری پیدا میکنند.
به منظور اطالع از تاثیر رطوبت بر خواص مغناطیسی حجمی و مقایسه آن با نتایج حاصل از آزمایشهای امپدانس مغناطیسی، حلقههای پسماند نمونه خام و نمونه3 به وسیله دستگاه مغناطیسسنج نمونه لرزان اندازهگیری شدند. نتایج اندازهگیریها در شکل 2 نشان داده شده است. چنانچه مالحظه میشود فرآیند مغناطش و وامغناطش حجمی نمونه 3، که بیشترین زمان را در محیط آبی بوده است، نسبت به حالت خام تغییر قابل مالحظهای نکرده است. البته میزان مغناطش اشباع، ، در نمونه 3 به اندازه اندکی - حدود - 3emu/g کاهش یافته است. این کاهش، که میتواند به علت اکسیدشدگی سطح نمونه رخ داده باشد، بر پاسخ امپدانس مغناطیسی اثر کاهشی دارد که با نتایج آزمایشهای امپدانس مغناطیسی منطبق است.
با توجه به اهمیت و تاثیر شکل حلقه پسماند بر پاسخ امپدانس مغناطیسی ]8[ و عدم مشاهده تغییر قابل مالحظه در شکل حلقه پسماند از یکسو و کاهش قابل مالحظه پاسخ امپدانس مغناطیسی از سوی دیگر، این انتظار به وجود آمد که برخالف رفتار مغناطیسی حجمی، رفتار مغناطیسی سطحی نمونهها در اثر رطوبت و زنگزدگی به طور قابل مالحظهای تغییر یافته باشد. بنابراین به منظور بررسی خواص مغناطیسی سطحی نمونهها با استفاده از روش مگنتواپتیکی کر طولی حلقه پسماند نمونه خام و نمونه 3 اندازهگیری شدند. در حقیقت از آنجاییکه عمق نفوذ لیزر هلیوم-نئون در نمونهها در حالت خام کمتر از 30 نانومتر است این روش قادر است که خواص مغناطیسی سطحی نمونهها را به طور مستقل از خواص حجمی آنها اندازهگیری کند .]9[
