بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله خواص الکتریکی و مغناطیسی نانو ذرات تحلیل می شود. یکی از مشکلات اصلی در بسیاری از کاربردها کنترل دقیق اندازه، شکل و نحوه توزیع نانو ذرات است. ذرات باردار در ابعاد اتمی و آرایش آنها اندرکنش مواد و الکترومغناطیس را باعث می شوند. نانو ذره به شکل کره در میدان یکنواخت الکتریکی و مغناطیسی، تغییراتی را در میدان بوجود می آورد که مرتبط با خواص الکتریکی و مغناطیسی آنهاست.
برای دست یابی به این خواص، معادله لاپلاس با توجه به شکل ذره حل شده و میدانهای ثانویه با استفاده بر هم نهی جوابها بدست می آید اغتشاش در اطراف ذره بر حسب شعاع و زاویه نسبت به حالت اولیه لحاظ می گردد. با پردازش جوابهای مذکور، تاثیر پارامترها و مشخصات الکترومغناطیسی رسانش، دی الکتریک و مغناطیس ذره روشن می گردد. با شناخت خواص الکتریکی و مغناطیسی از این تحلیل می توان راهکارهای مناسبی با توجه به واکنش پذیری، حفاظت و یا ایزوله کردن، پایداری سازی، جداسازی سریع و آسان و استفاده مجدد کاتالیست ها جستجو نمود.
-1 مقدمه
گفته می شود تفاوت اندازه کوچکترین ذرات و بزرگترین اجسام بیش از 1040 برابر است. اگر فاصله ها را کم کنیم به مولکولها و اتمها و ذرات درون اتمی می رسیم. پرداختن به ابعادکوچک تا حد نانو ما را با دنیای شگفت انگیز همراه با کاربردها و چالشها علمی و فنی مواجه می کند. کاربردهای نانو ذرات نامحدود به نظر می رسد. با وجود کاربردهای بسیار گسترده و زمینه های تحقیق و پژوهش وسیع، هنوز تعریف یکتایی برای نانو ذرات وجود ندارد. معمولا ذراتی که اندازه آنها کوچکتر از 100 نانو متر باشد در حوزه نانو قرار می گیرد.
در واقع مشخص شده است که ذرات با اندازه های کمتر از 100 نانومتر دارای ویژگیهای متفاوتی در مقایسه با مقیاسهای دیگر همین مواد هستند. نانو ذرات ویژگی کامل و یا توسعه یافته ای مبتنی بر اندازه،پراکندگی، شکل، فاز و غیره در مقایسه با اندازه های حجیم همین ذرات از خود نشان می دهند. عمده ویژگی نانوذرات با ویژگی مکانیکی، شیمیایی، حرارتی، نوری، سطحی، الکتریکی و مغناطیسی قابل استخراج است که در اینجا تمرکز بر ویژگی الکتریکی و مغناطیسی می باشد. با گذشت چند دهه طراحی و ساخت در ابعاد نانو به موفقیت های بسیاری دست یافته و مرزهای علوم شیمی، بیولوژی، مواد، فیزیک و مهندسی درهم ریخته است و برای فهم نانو ذرات به همه علوم نیاز می باشد.
در الکترولیز ولتاژ و جریان آند و کاتد تعیین کننده هستند فلزات مختلف برای آند و کاتد، منابع مستقیم و متناوب بکار گرفته می شود. روشهای آزمایشگاهی برای تحلیل بکار می روند. رسانایی آب در حالت عادی و با حضور میدان الکتریکی فعل و انفعالات شیمیایی موجب شده و منجر به نتایج الکتریکی می گردد.
استفاده از روشهای شیمیایی برای دانستن مشخصه های الکتریکی کاتالیست ها زمانبر، پیچیده و با هزینه بالاست. پاسخ فرکانسی کاتالیست ها از طریق اندازه گیری ثابت دی الکتریک به روش حفره تشدید موجبری و روش خط انتقال و انعکاس انجام شده است. [2] جداولی از ضریب دی الکتریک برای مایعات در فاصله درجه حرارت 10 تا 50 درجه تا فرکانس 5GHz ارائه شده اند. با استفاده از داده ها، پردازشهای مختلفی برای آب خالص و مایعات دیگر قابل حصول است. در فرکانسهای رادیویی و مایکروویو ضریب دی الکتریک مختلط مایعات قطبی، اتلاف و پلاریزاسیون را توصیف کرده و نیز برای محاسبه نرخ ویژه جذب بکار می روند.
در مورد نانو ذرات مغناطیسی و کاربرد آنها گستره زمانی و کاربردی وسیع تر به نظر می رسد. اول از هر چیزی با کلمه مغناطیس ممکن است که کبالت و آهن و نیکل به ذهن برسد اما امروزه نانو ذرات اکسیدآهن مغناطیسی به دلایل خاصیت مغناطیسی، مساحت سطح گسترده، نسبت سطح به حجم بالا و تاثیر پذیری از میدان مغناطیسی بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. برای فهم ارتباط نانو ذرات و خواص مغناطیسی لازم است تا ابتدا علت خواص و پارامترهای که خواص مواد را توصیف می کنند مشخص شود.
از تشریح تاریخچه و چگونگی ارتباط الکتریستیه و مغناطیس بخاطر طولانی بودن می گذریم. نانو ذرات مغناطیسی انواع مختلفی دارند و شامل اکسید آهن Fe3O4 ، فلزات خالص co,Fe ، فرومغناطیس های , MnFe2o4 MgFe2O4 , CoFe2O4 و آلیاژها FePt , CoPt می شوند.
خواص نانو ذرات مغناطیسی به اختصار عبارتند از : - پایداری شیمیایی در شرایط و محیط های مختلف - اندازه کوچک ذرات - دارای سطح مقطع بزرگ برای جذب و برهمکنش - سرعت کم ته نشینی در مقایسه با فرآیندهای جداسازی - تولید آسان و کم هزینه - پاسخ خوب به میدان مغناطیسی اعمالی - سطح زیست سازگار. همانگونه که اندازه ذرات کاهش می یابد سطح ذرات بیشتر شده و اثر سطح مشترک اهمیت می یاید. وقتی که اندازه نانو ذرات کاهش می یابد به حدی می رسد که به صورت تک حوزه مغناطیس در می آید و دارای سوپر پارامغناطیسی می شود. یک ذره تک حوزه بطور یکنواخت مغناطیده می شود و تمام اسپین ها در یک جهت منظم قرار می گیرد
دلیل اصلی و تعیین کننده پیدایش خاصیت کاتالیستی در نانو مواد نسبت سطح به حجم بسیار بالای آنهاست. در اصل دلیل این خواص به تغییر در ساختار الکترونی مواد بر میگردد. چنین موقعیتی با مکانیک کوانتمی قابل تحلیل است. در حالت ذرات خیلی کوچک، چگالی حالات نوار ظرفیت دچار تغییر شده و مجموعه ای از ترازهای گسسته مشاهده می شود. از آنجا که ساختار الکترونی نانو ذرات به اندازه ذره بستگی دارد. قابلیت آنها در واکنش دادن با دیگر نمونه ها نیز به اندازه آنها بستگی دارد.
روشهای بسیار متعددی در منابع جهت تحلیل اندازه و سایر مشخصات ذرات وجود داردکه هر کدام پیچیدگی خاص خود را دارد. در این مقاله روشی بر اساس الکترومغناطیس کلاسیک برای دست یافتن به اندازه نسبی فواصل ذرات به ابعاد آنها ارائه می گردد. ابتدا به دیدگاه میکروسکوپی خواص الکتریکی و مغناطیسی اشاره می شود. در ادامه روش الکترواستاتیکی متکی بر حل معادله لاپلاس مطرح می شود و در نهایت اثر ذره کروی در اطراف بررسی می گردد.
-2 نگرش میکروسکوپی به الکتریسیته و مغناطیس
هادیهای الکتریکی موادی هستند که دارای الکترونهای آزاد می باشند. توصیف رسانش در آنها، براساس مدل میکروسکوپی ساده امکان پذیر است. تحت تاثیرمیدان الکتریکی به الکترونها نیرو وارد شده و موجب حرکت آنها می شود و در نتیجه جریان الکتریکی ایجاد می گردد. با توجه به ساختار هادیها الکترونهای متحرک به الکترونهای دیگر برخورد می کند. این برخوردها در اثر نیروی بازدارنده، باعث کاهش سرعت الکترونها می شود با بکارگیری قانون نیوتن و مشخصات ساختاری مواد، حالت پایدار اتفاق می افتد و جریان متناسب با میدان الکتریکی در هادیها جاری می گردد.
ضریب تناسب همان ضریب هدایت یا ضریب رسانندگی ویژه مواد گفته می شود. ضریب رسانندگی که طبق قانون اهم رابطه بین جریان و میدان الکتریکی را مشخص می کند یک پارامتر اساسی تمامی مواد است. این ضریب برای هادیهای کامل بینهایت و برای فلزات خوب همانند مس، آلومینیم و طلا عدد بزرگ و برای نیمه هادیها متوسط و در مورد عایق ها کوچک و در نهایت برای عایقهای کامل صفر است. خواص عمده هادیهای کامل که معیار مناسبی برای سنجش رسانش است به اختصار عبارتند از : میدان الکتریکی در داخل آنها صفر است. بارهای الکتریکی در سطح آنها مستقر می شوند و در نه در حجم آنها. مولفه مماسی میدان الکتریکی در سطح آنها صفر است. مولفه عمودی میدان الکتریکی در سطح آنها متناسب با چگالی بار سطحی است. نقاط داخل و سطح هادیها هم پتانسیل هستند.
عایقها الکتریکی موادی هستند که الکترونها براحتی از اتمها جدا نمی شود. مدل مناسب برای توصیف عملکرد آنها، مفهوم دو قطبی است که دو بار غیر همنام با فاصله کوچک را در بر می گیرد. حاصل ضرب بار در فاصله را ممان یا گشتاور دو قطبی گویند. موادی دی الکتریک متشکل از دوقطبیها هستند که در حالت عادی بعلت توزیع تصادفی، اثر همدیگر را خنثی می کنند. با اعمال میدان الکتریکی دو قطبیهای موجود منظم شده و باعث ایجاد پتانسیل و میدان ثانویه می گردند. چنین عملکردی با بردار پلاریزاسیون نشان داده می شود که بصورت زیر تعریف می گردد.
که در آن n تعداد دو قطبیها در واحد حجم و v عنصر کوچک حجم است. وجود پلاریزاسیون باعث بارهای مقید حجمی و سطحی می گردد. این بارها پتانسیل و میدان ثانویه ایجاد می کنند لحاظ کردن اثر این بارها در قوانین ماکسوئل تحلیل چنین موادی را امکان پذیر می سازد
