میگنیٹک مواد کے بنیادی تصورات

میگناتک ڈائپول مومنٹ

جب مختلف مواد کو ایک ہی بیرونی میگنیٹک فیلڈ میں رکھا جاتا ہے، تو ان کی ردعمل کافی مختلف ہو سکتی ہے۔ اس کی بنیادی وجوہات کو سمجھنے کے لئے، پہلے ہمیں میگنیٹک ڈائپولز کی طرف سے میگنیٹک سلوک کو کنٹرول کرنے کا طریقہ سمجھنا چاہیئے۔ یہ سمجھنے کا آغاز میگنیٹک ڈائپول مومنٹ کے استکشاف سے ہوتا ہے۔

میگنیٹک ڈائپول مومنٹ، جسے عام طور پر میگنیٹک مومنٹ کہا جاتا ہے، الیکٹرومیگنیٹک میں بنیادی تصور کے طور پر کام کرتا ہے۔ یہ ایک کارنٹ کیریئنگ لوپ اور یکساں میگنیٹک فیلڈ کے درمیان تفاعل کو سمجھنے اور قدرت کرنے کے لئے ایک قوی اوزار فراہم کرتا ہے۔ ایک کارنٹ لوپ کا میگنیٹک مومنٹ، جس کا رقبہ A ہے اور جس میں کارنٹ I ہے، نیچے دی گئی طرح تعریف کیا جاتا ہے:

یاد رہے کہ رقبہ کو ایک بردار کے طور پر تعریف کیا گیا ہے، جس سے میگنیٹک مومنٹ بھی ایک بردار کمیت بن جاتا ہے۔ دونوں بردار کی یکسان سمتوں کی ہوتی ہیں۔

میگنیٹک مومنٹ کی سمت لوپ کے طلب کے عمودی ہوتی ہے۔ آپ اسے دائیں ہاتھ کے قاعدے کا استعمال کرتے ہوئے پایا سکتے ہیں—اگر آپ اپنے دائیں ہاتھ کے انگلیوں کو کارنٹ کے ساتھ چلاتے ہیں، تو آپ کا انگوٹھا میگنیٹک مومنٹ بردار کی سمت ظاہر کرتا ہے۔ یہ شکل 1 میں ظاہر کیا گیا ہے۔

لوپ کا میگنیٹک مومنٹ صرف اس کے ذریعے سے بہنے والے کارنٹ اور اس کے انحصار کے ذریعے تعین کیا جاتا ہے۔ یہ لوپ کی شکل سے متاثر نہیں ہوتا۔

ٹورک اور میگنیٹک مومنٹ

شکل 2 کو دیکھیں، جس میں ایک کارنٹ کیریئنگ لوپ کو یکساں میگنیٹک فیلڈ میں رکھا گیا ہے۔

اوپر دی گئی شکل میں:

•  I کارنٹ کو ظاہر کرتا ہے۔

• B میگنیٹک فیلڈ بردار کو ظاہر کرتا ہے۔

• u میگنیٹک مومنٹ کو ظاہر کرتا ہے۔

• θ میگنیٹک مومنٹ بردار اور میگنیٹک فیلڈ بردار کے درمیان زاویہ ظاہر کرتا ہے۔

چونکہ لوپ کے مخالف جانب کے بالواسطہ دباؤ کا مجموعہ صفر ہوتا ہے۔ باوجود اس، لوپ کو ایک میگنیٹک ٹورک کا سامنا کرنا پڑتا ہے۔ اس ٹورک کا مقدار لوپ پر یوں دی جاتی ہے:

معادلة 2 سے ہم واضح طور پر دیکھ سکتے ہیں کہ ٹورک (t) میگنیٹک مومنٹ کے ساتھ مستقیماً مربوط ہے۔ کیونکہ میگنیٹک مومنٹ ایک میگنیٹ کی طرح کام کرتا ہے؛ جب اسے بیرونی میگنیٹک فیلڈ میں رکھا جاتا ہے، تو اسے ایک ٹورک کا سامنا کرنا پڑتا ہے۔ یہ ٹورک لوپ کو پرجوش معادلہ حالت کی طرف چلانے کی کوشش کرتا ہے۔

پرجوش معادلہ حالت لوپ کے طلب کے عمودی ہونے پر (یعنی θ=0^o) پائی جاتی ہے۔ اگر لوپ کو یہ حالت سے کچھ دور کر دیا جائے، تو ٹورک لوپ کو دوبارہ معادلہ حالت میں واپس لانے کی کوشش کرتا ہے۔ ٹورک کا مقدار بھی θ=180^o پر صفر ہوتا ہے۔ لیکن، اس صورت میں، لوپ غیر پرجوش معادلہ حالت میں ہوتا ہے۔ θ=180^o سے کچھ دور کرنا لوپ کو یہ حالت سے دور کرے گا اور θ=0^o کی طرف لے جائے گا۔

میگنیٹک مومنٹ کیا اہمیت ہے؟

کئی دستیاب ڈیوائسز کارنٹ لوپ اور میگنیٹک فیلڈ کے درمیان تفاعل پر منحصر ہیں۔ مثال کے طور پر، الیکٹرک موتر کا ٹورک موتر کے میگنیٹک فیلڈ اور کارنٹ کیریئنگ کنڈکٹرز کے درمیان تفاعل پر مبنی ہوتا ہے۔ اس تفاعل کے دوران، کنڈکٹرز کی گردش کے ساتھ پوٹینشل انرجی میں تبدیلی آتی ہے۔

ہمارے میگنیٹک نظام میں پوٹینشل انرجی کو میگنیٹک مومنٹ اور بیرونی میگنیٹک فیلڈ کے درمیان تفاعل سے حاصل کیا جاتا ہے۔ ان دو بردار کے درمیان زاویہ نظام میں محفوظ انرجی (U) کی مقدار کو تعین کرتا ہے، جس کو نیچے دی گئی معادلہ کے ذریعے ظاہر کیا گیا ہے:

نیچے محفوظ انرجی کی مقدار کے لئے کچھ اہم ترتیبات کی وضاحت کی گئی ہے:

جب θ=0^o ہوتا ہے، تو نظام پرجوش معادلہ حالت میں ہوتا ہے، اور محفوظ انرجی کی کم سے کم مقدار U=-uB ہوتی ہے۔

جب θ=90^o ہوتا ہے، تو محفوظ انرجی کی مقدار U=0 ہوتی ہے۔

جب θ=180^o ہوتا ہے، تو محفوظ انرجی کی زیادہ سے زیادہ مقدار U=uB ہوتی ہے۔ یہ خاص حالت غیر پرجوش معادلہ حالت کی نمائندگی کرتی ہے۔

ایٹمی ماڈل کے ذریعے کل میگنیٹک مومنٹ کا مطالعہ

میگنیٹک مواد کے ذریعے میگنیٹک فیلڈ کی تولید کو مکمل طور پر سمجھنے کے لئے، کوانٹم میکانکس کا مطالعہ ضروری ہوتا ہے۔ لیکن، کیونکہ یہ موضوع اس مقالے کے دائرہ کار کے باہر ہے، ہم میگنیٹک مومنٹ کے تصور اور کلاسیکی ایٹمی ماڈل کا استعمال کر کے مواد کے بیرونی میگنیٹک فیلڈ کے ساتھ تفاعل کے بارے میں قیمتی معلومات حاصل کر سکتے ہیں۔

یہ ماڈل ایک الیکٹران کو ایٹمی کرنل کے گرد گردش کرتے ہوئے اور اپنے محور کے گرد گردش کرتے ہوئے ظاہر کرتا ہے، جس کو شکل 3 میں واضح طور پر دکھایا گیا ہے۔

الیکٹران، ایٹمز، اور اشیاء کا کل میگنیٹک مومنٹ

ایک الیکٹران کا مداری حرکت ایک چھوٹے سے برقی حلقہ کی طرح تصور کیا جا سکتا ہے۔ نتیجے کے طور پر، یہ ایک مغناطیسی لمح (فوق الذکر شکل میں (u1) کے طور پر ظاہر کیا گیا ہے) پیدا کرتا ہے۔ مماثل طور پر، الیکٹران کا گھماؤ بھی ایک مغناطیسی لمح (u2) پیدا کرتا ہے۔ الیکٹران کا کل مغناطیسی لمح ان دو مغناطیسی لمحوں کا ویکٹر جمع ہوتا ہے۔

ایک اتم کے لیے، اس کا کل مغناطیسی لمح اس کے تمام الیکٹرانوں کے مغناطیسی لمحوں کا ویکٹر جمع ہوتا ہے۔ ایک اتم کے پروٹون بھی ایک مغناطیسی دوقطبی رکھتے ہیں، لیکن ان کا کل اثر عام طور پر الیکٹرانوں کے مقابلے میں غیر قابل ذکر ہوتا ہے۔

ایک آبجکٹ کا کل مغناطیسی لمح اس کے اندر موجود تمام اتموں کے مغناطیسی لمحوں کا ویکٹر جمع سے تعین کیا جاتا ہے۔

مغناطیسیت ویکٹر

مادے کی مغناطیسی خصوصیات اس کے مکمل ذرات کے مغناطیسی لمحوں سے تعین کی جاتی ہیں۔ اس مقالے میں پہلے ہی بحث کی گئی ہے کہ ان مغناطیسی لمحوں کو چھوٹے میگنٹ کی طرح سمجھا جا سکتا ہے۔ جب کوئی مادہ بیرونی مغناطیسی میدان میں رکھا جاتا ہے تو مادے کے اندر موجود اتمی مغناطیسی لمحے ملا میدان سے تفاعل کرتے ہیں اور ٹارک کا تجربہ کرتے ہیں۔ یہ ٹارک مغناطیسی لمحوں کو ایک ہی سمت میں متعامد کرنے کی صلاحیت رکھتا ہے۔

مادے کی مغناطیسی حالت دو عوامل پر منحصر ہوتی ہے: مادے میں موجود اتمی مغناطیسی لمحوں کی تعداد اور ان کی متعامدگی کی درجہ۔ اگر مائیکروسکوپک برقی حلقوں سے پیدا ہونے والے مغناطیسی لمحے عشوائی طور پر متعامد ہیں تو وہ ایک دوسرے کو ختم کرنے کی صلاحیت رکھتے ہیں، جس کے نتیجے میں کل مغناطیسی میدان کم ہو جاتا ہے۔ مادے کی مغناطیسی حالت کی وضاحت کرنے کے لیے ہم مغناطیسیت ویکٹر کا متعارف کرایا ہے۔ اسے مادے کے فی یونٹ وولیم کل مغناطیسی لمح کے طور پر تعریف کیا گیا ہے:

جہاں V مادے کا وولیم ظاہر کرتا ہے۔

جب مادہ کو بیرونی مغناطیسی میدان میں رکھا جاتا ہے تو اس کے مغناطیسی لمحے متعامد ہونے کی صلاحیت رکھتے ہیں، جس کے نتیجے میں مغناطیسیت ویکٹر کی مقدار میں اضافہ ہوتا ہے۔ مغناطیسیت ویکٹر کی خصوصیات مادے کی پیرامیگنیٹک، فیرو مگنیٹک یا ڈائی مگنیٹک طبقے کے بنیاد پر متاثر ہوتی ہیں۔

پیرامیگنیٹک اور فیرو مگنیٹک مواد کے اتموں میں مستقل مغناطیسی لمح ہوتے ہیں۔ متقابل طور پر، ڈائی مگنیٹک مواد کے اتمی مغناطیسی لمح مستقل نہیں ہوتے ہیں۔

کل مغناطیسی میدان کی تلاش: پریمیبلٹی اور سسیپٹیبلٹی

فرض کریں کہ ہم کسی مادے کو مغناطیسی میدان میں رکھتے ہیں۔ مادے کے اندر کل مغناطیسی میدان کے دو واضح ذرائع ہیں:

• بیرونی طور پر لاگو کردہ مغناطیسی میدان (B0)۔

• بیرونی میدان کے جواب میں مادے کی مغناطیسیت (Bm)۔

مادے کے اندر کل مغناطیسی میدان ان دونوں جز کا مجموعہ ہوتا ہے:

B0 کسی برقی کنڈکٹر کے ذریعے پیدا ہوتا ہے؛ Bm مغناطیسی مادے کے ذریعے پیدا ہوتا ہے۔ یہ دکھایا جا سکتا ہے کہ Bm مغناطیسیت ویکٹر کے تناسب میں ہوتا ہے:

جہاں μ0 خالی فضا کی پریمیبلٹی کے طور پر ایک دائم ہے۔ اس لیے، ہمیں ملتا ہے:

مغناطیسیت ویکٹر بیرونی میدان کے ساتھ زیر کے مساوات کے ذریعے بھی متعلق ہوتا ہے:

جہاں یونانی حرف χ ایک تناسب کا عامل ہے جسے مغناطیسی سسیپٹیبلٹی کہا جاتا ہے۔ χ کی قدر مادے کی قسم پر منحصر ہوتی ہے۔

آخری دو مساوات کو مل کر ہمیں ملتا ہے:

مساوات کا اہمیت اور نسبی پریمیبلٹی

یہ مساوات ایک معقول تعبیر کرتی ہے: یہ ظاہر کرتا ہے کہ مادے کے اندر کل مغناطیسی میدان بیرونی طور پر لاگو کردہ مغناطیسی میدان کو 1+x کے ضرب سے مساوی ہوتا ہے۔ اس عامل کو نسبی پریمیبلٹی کہا جاتا ہے، جو ایک کلیدی پیرامیٹر کے طور پر کام کرتا ہے جو کسی مادے کا مغناطیسی میدان کے جواب میں کیسے رفتار کرتا ہے کو ظاہر کرتا ہے۔ نسبی پریمیبلٹی عام طور پر ur کے طور پر ظاہر کی جاتی ہے۔

مختلف مواد کی مغناطیسی سسیپٹیبلٹی

شکل 4 تین مختلف قسم کے مواد کی مغناطیسی طرز عمل کو ظاہر کرتی ہے جب ان کو منتظم مغناطیسی میدان میں رکھا جاتا ہے۔ مادے کے اندر کا علاقہ پیلے رنگ کے مستطیل کے ذریعے ظاہر کیا گیا ہے۔

مختلف مواد کی مغناطیسی سسیپٹیبلٹی

شکل 4(a) میں، مادے کے اندر کے مغناطیسی لکیروں کے درمیان فاصلہ مادے کے باہر کے مغناطیسی لکیروں کے مقابلے میں زیادہ ہوتا ہے۔ یہ ظاہر کرتا ہے کہ ڈائی مگنیٹک مادے کے اندر کل مغناطیسی میدان بیرونی طور پر لاگو کردہ میدان سے کم ہوتا ہے۔ ڈائی مگنیٹک مواد کے لیے، مغناطیسی سسیپٹیبلٹی (X) ایک چھوٹی سی منفی قدر ہوتی ہے۔ مثال کے طور پر، 300 K پر، کپر کی مغناطیسی سسیپٹیبلٹی –9.8 × 10⁻⁶ ہوتی ہے۔ نتیجے کے طور پر، مادہ اپنے اندر کے مغناطیسی میدان کو جزوی طور پر دفع کرتا ہے۔

شکل 4(b) کے ذریعہ پیرامیگنیٹ مادے کا جواب ظاہر کیا گیا ہے۔ یہاں، مادے کے اندر کے میگنیٹک فیلڈ لائنز بیرونی فیلڈ سے زیادہ گھنے ہوتے ہیں۔ اس سے مراد یہ ہے کہ مادے کے اندر کل میگنیٹک فیلڈ بیرونی فیلڈ سے قدرے مضبوط ہوتا ہے۔ پیرامیگنیٹ مادوں کے لئے X ایک چھوٹی سی مثبت قدر ہوتی ہے۔ مثلاً، 300 K پر، لیتھیم کی میگنیٹک خاصیت 2.1 × 10⁻⁵ ہے۔

آخر کار، شکل 4(c) میں، فیرومیگنیٹ مادہ میگنیٹک فیلڈ لائنز کو وسیع کرتا ہے، جس کے نتیجے میں وہ مادے کے ذریعہ گزرتے ہیں۔ مادہ میگنیٹائز ہو جاتا ہے، جس سے مادے کے اندر کا میگنیٹک فیلڈ کافی طور پر بڑھ جاتا ہے۔ فیرومیگنیٹ مادوں کے لئے X کی مثبت قدر 1,000 سے 100,000 تک ہوتی ہے۔ ان کی زیادہ میگنیٹک خاصیت کی وجہ سے یہ مادے بیرونی طور پر لاگو کیے گئے میگنیٹک فیلڈ سے بہت مضبوط میگنیٹک فیلڈ تیار کرتے ہیں۔

فیرومیگنیٹ مادوں کے لئے یہ ضروری ہے کہ  ایک دائمی نہیں ہے۔ اس کے نتیجے میں، میگنیٹائزیشن (M) بیرونی طور پر لاگو کیے گئے میگنیٹک فیلڈ (B0) کا خطی فنکشن نہیں ہوتا۔

ختم کرنے کے لئے

میگنیٹک مادے مختلف اپلیکیشنز میں اہم ہوتے ہیں، جن میں ٹرانسفارمرز، موٹرز، اور ڈیٹا سٹوریج ڈیوائس شامل ہیں۔ کسی مادے کا میگنیٹک حالت مادے میں موجود ایٹمک میگنیٹک مامونٹس کی تعداد اور ان کی بیرونی میگنیٹک فیلڈ کے موجودہ میں تراشیدگی پر منحصر ہوتی ہے۔ جیسا کہ مختصر طور پر بحث کیا گیا ہے، ہم میگنیٹک مادوں کو ان معیار کے بنیاد پر تین قسموں میں تقسیم کر سکتے ہیں: پیرامیگنیٹ، ڈائیمیگنیٹ، اور فیرومیگنیٹ۔ ہم آگے چلنے والے مضمون میں ان کی صنفوں کو مزید تفصیل سے استکشاف کریں گے۔