ચુંબકીય વિરૂપણ (magnetostriction)

ચુંબકીય વિરૂપણ (magnetostriction) : લોહચુંબકીય (ferro-megnetic) પદાર્થને ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં રાખતાં તેના પરિમાણમાં થતો ફેરફાર. જૂલ નામના વિજ્ઞાનીએ 1942માં ચુંબકીય વિરૂપણની ઘટના પ્રસ્થાપિત કરી હતી. તેને કારણે પદાર્થના આકાર અને કદમાં ફેરફાર થાય છે. ચુંબકીય વિરૂપણની અસરનું સરળ માપન રેખીય ચુંબકીય વિરૂપણ, વડે થાય છે, અહીં Δ1 પદાર્થનું પ્રતાન (extension) અને 1 પદાર્થની મૂળ લંબાઈ છે.

ચુંબકીય વિરૂપણના મુખ્ય ત્રણ પ્રકાર છે : (1) સંતૃપ્ત (saturated) ચુંબકીય વિરૂપણ, (2) સ્વપ્રેરિત (spontaneous) ચુંબકીય વિરૂપણ અને (3) દાબ ચુંબકીય વિરૂપણ.

(1) સંતૃપ્ત ચુંબકીય વિરૂપણ : લોહચુંબકીય પદાર્થ પોતાની વિ-ચુંબકીય (demagnetisation) સ્થિતિમાં, સંકુલ (domain) તરીકે જાણીતા એવા ઘણા નાના વિભાગોમાં વહેંચાયેલ હોય છે. દરેક સંકુલ સંતૃપ્ત ચુંબકત્વ (saturated magnetisation) M_s ધરાવે છે. પ્રત્યેક સંકુલના સંતૃપ્ત ચુંબકત્વની દિશા એ પ્રમાણે હોય છે જેથી પરિણામી ચુંબકત્વ શૂન્ય હોય. લોહચુંબકીય પદાર્થમાં ચુંબકન (magnetisation)ની પ્રક્રિયા બે રીતે થાય છે : (1) સંકુલના પરિભ્રમણથી, અને (ii) સંકુલની દીવાલના સ્થાનાંતરથી.

લોહચુંબકીય પદાર્થને બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં રાખતાં દરેક સંકુલ એક જ દિશામાં ગોઠવાય છે. ચુંબકીય ક્ષેત્રના જે મૂલ્ય માટે આ ઘટના ઉદભવે છે તેને સંતૃપ્ત ચુંબકીય ક્ષેત્ર કહે છે. તે ક્ષેત્ર માટે મળતા ચુંબકીય વિરૂપણને, સંતૃપ્ત ચુંબકીય વિરૂપણ(saturated magnetostriction) કહે છે.

(2) સ્વપ્રેરિત (શીઘ્ર) ચુંબકીય વિરૂપણ : પ્રત્યેક ચુંબકીય પદાર્થ એક ચોક્કસ તાપમાને તેનો ચુંબકીય ગુણધર્મ ગુમાવે છે. આ તાપમાનને ‘ક્યુરી’ તાપમાન કહે છે. તે તાપમાને લોહચુંબકીય પદાર્થ અનુચુંબકીય(paramagnetic) પદાર્થમાં રૂપાંતર પામે છે. ચુંબકીય પદાર્થને તેના ક્યુરી તાપમાનથી નીચે લઈ જવામાં આવે તો તેનો પ્રત્યેક સંકુલ સ્વપ્રેરિત વિકૃતિ પામે છે. આ ઘટનાને સ્વપ્રેરિત ચુંબકીય વિરૂપણ કહે છે.

(3) દાબ ચુંબકીય વિરૂપણ : સંતૃપ્ત થયેલા ચુંબકીય પદાર્થ ઉપર, તેના સ્વપ્રેરિત મૂલ્ય કરતાં પણ વધુ ચુંબકત્વ ઉત્પન્ન કરવા માટે બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં મૂકવામાં આવે ત્યારે આ ઘટના ઉદભવે છે. સંતૃપ્ત ચુંબકીય વિરૂપણની સાપેક્ષ આ ઘટના ખૂબ જ નાની હોય છે.

ચુંબકીય વિરૂપણ માટે સંકુલનું ભ્રમણ અને ઇલેક્ટ્રૉનની કક્ષાનું યુગ્મીકરણ જવાબદાર છે. પદાર્થને તેના ક્યુરી તાપમાનથી નીચા તાપમાને લઈ જવામાં આવે ત્યારે સ્ફટિકના વિષમદિગ્ધર્મી (anisotropic) ભ્રમણને આધારિત ઇલેક્ટ્રૉનના વાદળનું પરિભ્રમણ થાય છે. ભ્રમણની લંબદિશામાં ચુંબકીય ક્ષેત્ર લગાડતાં ઇલેક્ટ્રૉન વાદળનું 90° જેટલું પરિભ્રમણ થાય છે. તેને લઈને ચુંબકીય વિરૂપણમાં ફેરફાર ઉદભવે છે, જેને ક્ષેત્ર-પ્રેરિત ચુંબકીય વિરૂપણ કહે છે.

ઇવિંગ નામના વિજ્ઞાનીએ 1900માં પ્રસ્થાપિત કર્યું કે ચુંબકીય ધાતુ લોખંડ (Fe), કોબાલ્ટ (Co)  અને નિકલ (Ni) ઉપર યાંત્રિક પ્રતિબળ લગાડતાં તેની ગ્રહણશીલતા (susceptibility) શેષ-ચુંબકત્વ (residual magnetism) અને અન્ય ગુણધર્મો પર અસર થાય છે. ધાતુમાં ધનાત્મક ચુંબકીય વિરૂપણ હોય તો તેના પર પ્રતિબળની વિરુદ્ધ અસર થાય છે. પ્રારંભિક સંતૃપ્ત ચુંબકત્વ M_s પ્રતિબળને સમાંતર હોય ત્યારે એકમ કદના ઘન ઉપર સ્પર્શીય પ્રતિબળ (tangential strees) σ લગાડવામાં આવે તો સંતૃપ્ત ચુંબકત્વનું મૂલ્ય, θ° ખૂણે પરિભ્રમણ પામે છે, પરિણામે પ્રતિબળના અક્ષની દિશામાં સંકોચન ઉદભવે છે.

આદર્શ વિચુંબકીય પરિસ્થિતિમાંથી θ° ખૂણે ચુંબકનની દિશા માપીએ તો આ મૂલ્ય આદર્શ ચુંબકીય વિરૂપણ (ideal saturated magnetostriction) λsi કરતાં ઓછું હોય છે. એટલે કે

આ ઉપરથી કહી શકાય કે પદાર્થ પર કાર્ય થાય છે. આવા તંત્રમાં ચુંબકીય સ્થિતિસ્થાપક ઊર્જા (magnetoelastic energy) E_me સ્વરૂપે સંગૃહીત થાય છે. પદાર્થ દિગ્ધર્મી (isotropic) હોય તો તેની ચુંબકીય વિરૂપણ ઊર્જા

છે. અહીં એમ ધારી લીધું છે કે M_sની દિશા પ્રતિબળ દ્વારા નક્કી થાય છે.

ચુંબકીય વિરૂપણના ઉપયોગ : ચુંબકીય વિરૂપણનો મુખ્ય ઉપયોગ ટ્રાન્સડ્યૂસર બનાવવામાં થાય છે (ટ્રાન્સડ્યૂસરની પ્રયુક્તિ વડે ધ્વનિ, દબાણ કે પ્રકાશ જેવા બિન-વિદ્યુત પ્રાચલનું વિદ્યુત સંકેતમાં રૂપાંતર કરી શકાય છે). આ સંવેદી પ્રયુક્તિનો ઉપયોગ 10⁵ હર્ટ્ઝ સુધીની આવૃત્તિના પટ્ટા(band)માં થાય છે. આવી પ્રયુક્તિમાં ખાસ કરીને નિકલનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.

આર. વી. ઉપાધ્યાય

પ્રહલાદ છ. પટેલ