લોહચુંબકત્વ (ferromagnetism)

લોહચુંબકત્વ (ferromagnetism)

અવીજભારિત પદાર્થો એકબીજાને પ્રબળ રીતે આકર્ષતા હોય તેવી ભૌતિક ઘટના. ઈ. પૂ. 600 પહેલાંથી તે જાણીતી છે. કુદરતમાં મળી આવતો ચુંબક-પથ્થર (lodestone અથવા loadstone) (મૅગ્નેટાઇટ, Fe₃O₄, આયર્નનો એક ઑક્સાઇડ) અને લોહ (iron) એ એવા પદાર્થો છે જે આવું આકર્ષણબળ ધરાવે છે અથવા ગ્રહણ કરવાની ક્ષમતા ધરાવે છે. લોહ માટેના લૅટિન શબ્દ ‘ferrum’ ઉપરથી ઘટના માટે ‘ferromagnetism’ નામ પ્રયોજવામાં આવ્યું છે. આ ઘટના પદાર્થને ઊંચી ચુંબકીય સુગ્રાહિતા (ગ્રહણશીલતા, susceptibility) આપે છે તેમજ શૈથિલ્ય(hysteresis)ની ક્રિયાવિધિ દ્વારા તેને કાયમી રીતે ચુંબકિત કરે છે.

ચુંબકત્વ(magnetism)ની ઘટના ચુંબકીય ક્ષેત્રો સાથે સંકળાયેલી છે. જ્યારે જ્યારે પણ વિદ્યુતપ્રવાહ વહે ત્યારે ત્યારે ચુંબકીય ક્ષેત્ર ઉત્પન્ન થાય છે. પારમાણ્વિક ઇલેક્ટ્રૉનની કક્ષકીય (orbital) ગતિ (motion) અને તેનું પ્રચક્રણ (spin) એ બહુ નાના વીજપ્રવાહ-પાશ(current loops)ને સમતુલ્ય હોવાથી જ્યારે કક્ષકીય ઇલેક્ટ્રૉન તેમના કોણીય વેગમાન(angular momentum)ને પરિણામે ચોખ્ખું (net) ચુંબકીય આઘૂર્ણ (magnetic moment) ધરાવે ત્યારે વૈયક્તિક પરમાણુઓ તેમની આસપાસ ચુંબકીય ક્ષેત્ર ઉત્પન્ન કરે છે. આમ કોઈ એક પદાર્થના સ્થૂળ (macroscopic) ચુંબકીય ગુણધર્મો એ તેના ઘટક પરમાણુઓ અને અણુઓના ચુંબકીય આઘૂર્ણમાંથી ઉદભવે છે. પ્રયુક્ત ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં જુદા જુદા પદાર્થો જુદી જુદી લાક્ષણિકતા ધરાવે છે. આ અંગે માઇકલ ફૅરેડે દ્વારા 1845માં ચુંબકીય દૃષ્ટિએ પદાર્થોનું સૌપ્રથમ વર્ગીકરણ પ્રતિચુંબકીય (વિષમચુંબકીય – diamagnetic) અને અનુચુંબકીય (paramagnetic) એમ કરવામાં આવેલું. જોકે હવે આવી ચુંબકીય વર્તણૂકના મુખ્યત્વે ચાર પ્રકાર પાડવામાં આવ્યા છે :

(1) પ્રતિચુંબકત્વ (diamagnetism) : જ્યારે કોઈ એક પદાર્થને બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં મૂકવામાં આવે છે ત્યારે તેના ઇલેક્ટ્રૉનનું પ્રેરિત (induced) પરિભ્રમણ (circulation) ઉદભવે છે, જે પ્રયુક્ત ક્ષેત્ર(Ho)ની વિરુદ્ધ દિશામાં ચોખ્ખું ચુંબકીય આઘૂર્ણ ઉત્પન્ન કરે છે. આને પ્રતિચુંબકત્વ કહે છે. તેમાં પ્રયુક્ત ક્ષેત્રની વિરુદ્ધ દિશામાં ચુંબકન (magnetisation) જોવા મળે છે (પ્રયુક્ત ક્ષેત્રનો વિરોધ કરે છે). તે નમૂનામાં રહેલા યુગ્મિત (paired) ઇલેક્ટ્રૉનને કારણે ઉત્પન્ન થાય છે. સંયોજનો/પદાર્થો કેટલાક યુગ્મિત ઇલેક્ટ્રૉન ધરાવતા હોવાથી પ્રતિચુંબકત્વ એ દ્રવ્યનો સાર્વત્રિક (universal) ગુણધર્મ છે. જો પદાર્થ ફક્ત યુગ્મિત ઇલેક્ટ્રૉન જ ધરાવતો હોય તો આ અસર પ્રભાવકારી હોઈ પદાર્થને પ્રતિચુંબકીય પદાર્થ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. તેની સુગ્રાહિતા ઋણાત્મક (negative) હોઈ તે ચુંબકીય ક્ષેત્ર દ્વારા અપાકર્ષણ અનુભવશે. આવો પદાર્થ શૂન્યાવકાશની સરખામણીમાં પોતાનામાંથી ચુંબકીય બળરેખાઓ ઓછા પ્રમાણમાં પસાર થવા દેશે. અને તેથી નિમ્નતમ (lowest) ક્ષેત્ર-સામર્થ્ય(field strength)વાળા ભાગમાં જવાનું પસંદ કરશે. આવા પદાર્થની ચુંબકશીલતા (પારગમ્યતા, permeability, P) એક (1) કરતાં ઓછી (P < 1) હોય છે. જો નમૂનામાં પ્રેરિત થયેલું ક્ષેત્ર (ચુંબકીય પ્રેરણ) B હોય અને મુક્તક્ષેત્ર (free field) H_o હોય તો બે વચ્ચેનો તફાવત DH નીચે પ્રમાણે દર્શાવી શકાય :

પ્રતિચુંબકીય પદાર્થો માટે D H ઋણાત્મક (B < Ho) હોય છે. સામાન્ય રીતે પ્રયુક્ત ક્ષેત્ર અને નમૂનામાં પ્રેરિત થયેલા ક્ષેત્ર વચ્ચેનો તફાવત ચુંબકનની તીવ્રતા (intensity of magnetisation), I વડે દર્શાવવામાં આવે છે. અહીં I એ એકમ કદદીઠ ચુંબકીય આઘૂર્ણ છે.

B અને I બાહ્ય ક્ષેત્રના અનુપાતમાં હોવાની વૃત્તિ ધરાવતા હોવાથી ઉપરના સમીકરણને H_o વડે ભાગવાથી ગુણોત્તર  મળે છે; જે જે-તે પદાર્થ માટે અચળ હોય છે. ને ચુંબકીય પારગમ્યતા અથવા ચુંબકશીલતા (P) કહે છે. તે નમૂનાની હાજરીમાં અને ગેરહાજરીમાં ચુંબકીય બળરેખાઓની ઘનતાનો ગુણોત્તર છે. શૂન્યાવકાશ માટે P = 1 થશે.  ને એકમ કદદીઠ ચુંબકીય સુગ્રાહિતા, k કહે છે. તે એમ દર્શાવે છે કે નમૂનો કેટલે અંશે ચુંબકન પામેલો છે. આમ

પ્રતિચુંબકીય પદાર્થ માટે kનું મૂલ્ય ઋણ હોય છે.

(2) અનુચુંબકત્વ (paramagnetism) : અનુચુંબકત્વ એ નમૂનામાં રહેલા અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રૉન દ્વારા ઉદભવે છે. આ ઇલેક્ટ્રૉનના પ્રચક્રણ (spin) અને કક્ષકીય ગતિ (orbital motion) એવાં કાયમી આણ્વિક ચુંબકીય આઘૂર્ણ (molecular magnetic moment) ઉત્પન્ન કરે છે, જે પોતાને પ્રયુક્ત ચુંબકીય ક્ષેત્રની દિશામાં ગોઠવવાની વૃત્તિ ધરાવે છે અથવા ગોઠવવાનું શક્ય બનાવે છે. પ્રતિચુંબકીય અસર કરતાં આ અસર ઘણી મોટી હોવાથી અનુચુંબકીય અસર પ્રયુક્ત ક્ષેત્ર અને નમૂનામાંના યુગ્મિત ઇલેક્ટ્રૉન વચ્ચેના અપાકર્ષણને રદ કરે છે. આમ અણુદીઠ ફક્ત એક જ અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રૉન ધરાવતા પદાર્થો પણ ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં ચોખ્ખું આકર્ષણ દર્શાવશે. તેઓ ધનાત્મક, પણ ઓછી, સુગ્રાહિતા અને એક (1) કરતાં વધુ સાપેક્ષ ચુંબકશીલતા (P) ધરાવે છે (P > 1) (જુઓ આકૃતિ 1 ક). અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રૉન ધરાવતા સઘળા પરમાણુઓ અને અણુઓમાં અનુચુંબકત્વ જોવા મળે છે. આવા પદાર્થો ઉચ્ચતમ ચુંબકીય ક્ષેત્રવાળા ભાગમાં જવાનું પસંદ કરે છે અથવા તેમાંથી ચુંબકીય બળરેખાઓ વધુ પ્રમાણમાં પસાર થાય છે.

અનુચુંબકીય અસર ફક્ત બાહ્ય ક્ષેત્રની હાજરીમાં જ જોવા મળે છે. જ્યારે ક્ષેત્ર દૂર કરવામાં આવે ત્યારે વૈયક્તિક આઘૂર્ણ ઉષ્મીય ગતિને કારણે યાદૃચ્છિક બનતાં હોવાથી સ્થૂળ (bulk) નમૂનો સમગ્રતયા આઘૂર્ણ ધરાવતો નથી. ક્ષેત્રની હાજરીમાં આ યાદૃચ્છિકપણા તરફ દોરી જતી ઉષ્મીય વૃત્તિ અને હારબંધ ગોઠવણી લાગુ કરવાની ક્ષેત્રની ક્ષમતા વચ્ચે સ્પર્ધા થાય છે. આથી તાપમાનમાં વધારો થાય ત્યારે અનુચુંબકીય અસરોની માત્રા (magnitude) ઘટે છે.

સામાન્ય રીતે ચુંબકત્વનાં પ્રાયોગિક માપનો દ્વારા જે રાશિ વારંવાર મેળવાય છે તે વિશિષ્ટ (specific) અથવા દળ કે દ્રવ્યમાન (mass) સુગ્રાહિતા, χ, છે. કદસુગ્રાહિતા (k) સાથે તે ઘનતા (d) દ્વારા સંકળાયેલી છે.

સંયોજનની વિશિષ્ટ સુગ્રાહિતાને તેના અણુભાર (MW) વડે ગુણવાથી મળતી રાશિને મોલર સુગ્રાહિતા (molar susceptibility) કહે છે.

1895માં પિયરી ક્યુરીએ પ્રસ્થાપિત કર્યું કે અનુચુંબકીય સુગ્રાહિતા એ નિરપેક્ષ (કેલ્વિન) તાપમાનના વ્યસ્ત (inverse) અનુપાતમાં હોય છે.

આ સમીકરણ ક્યુરીના નિયમ તરીકે જાણીતું છે. આ નિયમ ચુંબકીય રીતે મંદ (dilute) (જેમાં અનુચુંબકીય કેન્દ્રો પ્રતિચુંબકીય પરમાણુઓ વડે એકબીજાંથી અલગ કરાયેલાં હોય તેવા) અનુચુંબકીય પદાર્થો દ્વારા સારી રીતે પળાય છે. જે પદાર્થો ચુંબકીય રીતે મંદ ન હોય તેવા પદાર્થોમાં બાજુમાં આવેલા પરમાણુઓ પરના અયુગ્મિત પ્રચક્રણો એકબીજાં સાથે સંકળાઈ શકે છે (ચુંબકીય વિનિમય, magnetic exchange). જે પદાર્થો આવી વિનિમય વર્તણૂક પ્રદર્શિત કરે તેમને માટે ક્યુરી-વાઇઝ નિયમ વપરાય છે.

(3) લોહચુંબકત્વ : મોટાભાગના અનુચુંબકીય પદાર્થોમાં તેમના ચુંબકીય ગુણધર્મો સંપૂર્ણપણે તેમનાં વૈયક્તિક ચુંબકીય કેન્દ્રોમાંથી ઉદભવે છે, એટલે કે પાસે આવેલાં ચુંબકીય કેન્દ્રો સાથે તેમની દ્વિતીયક (secondary) ચુંબકીય આંતરક્રિયા થતી નથી. આવા પદાર્થને ચુંબકીય દૃષ્ટિએ મંદ (dilute) ગણવામાં આવે છે. પરંતુ એવા પણ ચુંબકીય પદાર્થો છે કે જેમાં પડોશમાંના ચુંબકીય કેન્દ્રો સાથે આંતરક્રિયા થાય છે. આવા પદાર્થોને ચુંબકીય દૃષ્ટિએ સંકેન્દ્રિત (concentrated) ગણવામાં આવે છે. તેઓમાંની પારસ્પરિક ક્રિયા ચુંબકીય આઘૂર્ણમાં (ક) વધારો કે (ખ) ઘટાડો કરી શકે. (ક) પ્રકારના પદાર્થને લોહચુંબકીય અને (ખ) પ્રકારનાને પ્રતિલોહચુંબકીય કહે છે.

આમ જો ચુંબકીય ક્ષેત્રની હાજરીમાં પાસપાસે આવેલા પરમાણુઓ પરના પારસ્પરિક ક્રિયા કરતા ચુંબકીય દ્વિધ્રુવો (dipoles) સમાંતર ગોઠવણી (alignment) ધારણ કરે તો તે પદાર્થને લોહચુંબકીય (ferromagnetic) કહે છે. આવા પદાર્થો તાપમાનની અમુક સીમામાં ચોખ્ખું પારમાણ્વિક આઘૂર્ણ ધરાવે છે. તેઓ એવી રીતે ગોઠવાય છે કે પ્રયુક્ત ક્ષેત્ર દૂર કર્યા બાદ પણ તેમનું ચુંબકન ચાલુ રહે છે. આમ લોહચુંબકીય પદાર્થો બાહ્ય ક્ષેત્રની ગેરહાજરીમાં પણ પ્રબળ, કાયમી ચુંબકન ધરાવી શકે છે. તેની સરખામણીમાં અનુચુંબકત્વ અને પ્રતિચુંબકત્વ ઘણાં નબળાં હોય છે અને પ્રયુક્ત ક્ષેત્ર દૂર થતાં તે અદૃશ્ય થાય છે.

વાસ્તવિક (real) લોહચુંબક(ferromagnet)ની અગત્યની લાક્ષણિકતા એ તેનો શૈથિલ્ય (hysteresis) વક્ર છે, જે પદાર્થના ચુંબકનમાં બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્રના વધારા (પ્રથમ એક દિશામાં અને પછી બીજી દિશામાં) સાથે થતો ફેરફાર દર્શાવે છે. જ્યારે પ્રયુક્ત ચુંબકીય ક્ષેત્ર શૂન્ય પર આવે ત્યારે ઘણા લોહચુંબકીય પદાર્થો તેમનું ચુંબકન જાળવી રાખે છે અને એ રીતે નમૂનો કાયમી ચુંબકત્વ પ્રાપ્ત કરી શકે છે. જ્યારે લોહચુંબકીય પદાર્થોને ક્યુરી તાપમાન (T_c) તરીકે ઓળખાતા તાપમાનથી વધુ ગરમ કરવામાં આવે ત્યારે કાયમી ચુંબકત્વ ધરાવવાની ક્ષમતા અદૃશ્ય થાય છે અને પદાર્થ અનુચુંબક તરીકે વર્તે છે. જોકે ઠંડો પાડતાં લોહચુંબકીય ગુણધર્મો પુન: જોવા મળે છે. આ અસર આયર્ન(લોહ)ની બાબતમાં પિયરી ક્યુરી દ્વારા 770° સે.એ જોવામાં આવી હતી. તે પછી તો કોબાલ્ટ (1120° સે.), વિરલ-મૃદા (rare earth) ધાતુઓ જેવી કે ગેડોલિનિયમ (20° સે.), ટર્બિયમ (-51° સે.), ડિસ્પોશિયમ (-188° સે.), હૉલ્મિયમ (-153° સે.), અર્બિયમ (-153° સે.) અને થુલિયમ (-148° સે.) તથા અધાત્વિકીય વિસંવાહક (insulator) યુરોપિયમ ઑક્સાઇડ(-196° સે.)ની બાબતમાં પણ આ અસર જોવા મળી છે.

(4) પ્રતિલોહચુંબકત્વ (antiferromagnetism) : જો પદાર્થમાંનાં યુગ્મિત પ્રચક્રણો પ્રતિસમાંતર (antiparallel) રીતે ગોઠવાવાની વૃત્તિ ધરાવે તો તેવો પદાર્થ પ્રતિલોહચુંબકીય (antiferromagnetic) કહેવાય છે. કેટલીક ધાતુઓ, મિશ્રધાતુઓ, અને સંક્રમણ (transition)-તત્ત્વોના ક્ષારો પ્રતિલોહચુંબકત્વ તરીકે ઓળખાતું આવું સ્વરૂપ પ્રદર્શિત કરે છે. ચુંબકીય વિનિમય (magnetic exchange) પ્રદર્શિત કરતાં કોઈ પણ પદાર્થમાં પ્રચક્રણની હારબંધ ગોઠવણીની વૃત્તિ પ્રચક્રણની યાદૃચ્છિક ગોઠવણી પસંદ કરતી ઉષ્મીય વૃત્તિ સાથે હરીફાઈ કરશે અને તેથી એક તાપમાન એવું હશે કે જેનાથી નીચે ચુંબકીય વિનિમય પ્રભાવકારી હશે. જો આ વિનિમય લોહચુંબકીય પ્રકારનો હોય તો તે તાપમાનને ક્યુરી તાપમાન (T_c) અને જો તે પ્રતિલોહચુંબકીય હોય તો તેને નીલ (Neel) તાપમાન (T_N) કહે છે. આમ પ્રતિચુંબકીય અસર નીલ તાપમાનથી નીચે જોવા મળે છે. તેમાં પારમાણ્વિક ચુંબકીય આઘૂર્ણની વ્યવસ્થિત હારમાળા સ્વયંભૂપણે એવી રીતે રચાય છે કે જેમાં એકાંતરિક (alternate) આઘૂર્ણ વિરુદ્ધ દિશા ધરાવે છે. આથી પ્રયુક્ત ક્ષેત્રની ગેરહાજરીમાં ચોખ્ખું પરિણામી આઘૂર્ણ હોતું નથી; દા.ત., મૅંગેનીઝ ફ્લોરાઇડમાં આવી પ્રતિસમાંતર ગોઠવણી 72 Kના નીલ તાપમાન નીચે જોવા મળે છે. તેનાથી ઊંચા તાપમાને પદાર્થ અનુચુંબકીય હોય છે. પ્રતિલોહચુંબકીય પદાર્થોનાં ઉદાહરણો તરીકે મૅંગેનીઝ, ટાઇટેનિયમ ટ્રાઇક્લોરાઇડ, યુરેનિયમ ટ્રાઇક્લોરાઇડ, અને નેપ્ચુનિયમ ડાયૉક્સાઇડને ગણાવી શકાય.

પ્રતિલોહચુંબકત્વનો એક વિશિષ્ટ પ્રકાર ફેરીચુંબકત્વ (ferrimagnetism) તરીકે ઓળખાય છે. ફેરાઇટ જેવા પદાર્થો આવો ગુણ પ્રદર્શિત કરે છે. આવા પદાર્થોમાં પાસપાસેના આયનોનાં ચુંબકીય આઘૂર્ણ પ્રતિસમાંતર અને અસમાન સામર્થ્ય(strength)-વાળાં હોય છે. અથવા એક દિશામાંનાં ચુંબકીય આઘૂર્ણ તેનાથી વિરુદ્ધ દિશામાંનાં આઘૂર્ણ કરતાં મોટાં હોય છે.

આગળ જણાવ્યા પ્રમાણે પ્રતિચુંબકીય પદાર્થની ચુંબકીય સુગ્રાહિતા તાપમાન પ્રત્યે નિશ્ર્ચર (invariant) હોય છે, જ્યારે અનુચુંબકીય પદાર્થની સુગ્રાહિતા તાપમાન સાથે વ્યસ્ત પ્રમાણમાં બદલાય છે. લોહચુંબકીય પદાર્થ એક એવું તાપમાન, ક્યુરી તાપમાન (T_c) ધરાવે છે, જેનાથી ઉપર તે અનુચુંબકીય રીતે વર્તે છે પણ તેથી નીચે તેની સુગ્રાહિતા ઝડપથી વધે છે. પ્રતિલોહચુંબક (antiferromagnet) નીલ તાપમાન (T_N) તરીકે ઓળખાતું એક એવું તાપમાન ધરાવે છે, જેનાથી ઉપર તે અનુચુંબક તરીકે વર્તે છે પણ તેથી નીચે તેની સુગ્રાહિતા તાપમાન ઘટવા સાથે ઘટે છે.

ચુંબકત્વના સિદ્ધાંતો : ચુંબકીય ઘટનાઓ એ મૂળભૂત રીતે વૈદ્યુતિક પ્રકૃતિની છે તેનો સૌપ્રથમ ખ્યાલ 1825માં એમ્પિયરને આવ્યો હતો. તેણે ચુંબકનો પ્રત્યેક પરમાણુ આંતરિક વીજપ્રવાહ-પાશ (current loop) વડે ઘેરાયેલો હોવાનો વિચાર રજૂ કર્યો હતો. 1852માં વિલ્હેમ વેબરને એવો વિચાર સ્ફુર્યો કે ચુંબકીય પદાર્થનો પ્રત્યેક પરમાણુ એ નાનો ચુંબક અથવા દ્વિધ્રુવ (dipole) છે અને જ્યારે વૈયક્તિક (individual) પારમાણ્વિક ચુંબકો એક ચોક્કસ ભાત(pattern)માં ગોઠવાઈ જાય ત્યારે સમગ્રતયા (overall) ચુંબકન જોવા મળે છે.

લોહચુંબકીય પદાર્થની એક લાક્ષણિકતા એ છે કે ક્યુરી તાપમાનથી નીચે પ્રયુક્ત ક્ષેત્રની હાજરીમાં તે સ્વયંભૂ (spontaneous) ચુંબકન ધરાવી શકે છે. નબળું ચુંબકીય ક્ષેત્ર પ્રયુક્ત કરવામાં આવતાં પણ ચુંબકન ઝડપથી વધે છે અને તે સંતૃપ્તિ (saturation)-ચુંબકન તરીકે ઓળખાતા એક ઉચ્ચ મૂલ્યે પહોંચે છે. આ સંતૃપ્તિ-ચુંબકન એ તાપમાનનો ફલન (function) છે. ક્યુરીબિંદુથી નીચે જોવા મળતા સ્વયંભૂ ચુંબકન, સંતૃપ્તિ-ચુંબકનની તાપમાન-આધારિતતા, અને ચુંબકનની પ્રકૃતિ અથવા ચુંબકન-વક્રને સમજાવવા લોહચુંબકત્વ અંગેના જુદા જુદા સિદ્ધાંતો રજૂ થયા છે.

ચુંબકત્વને લગતા આધુનિક ખ્યાલો, બે ફ્રેન્ચ ભૌતિકવિદો, પોલ લૅન્ગેવિન (1905) દ્વારા રજૂ થયેલા અનુચુંબકત્વ અને પ્રતિચુંબકત્વ અંગેના અને પિયરી વાઇઝ (1907) દ્વારા રજૂ થયેલા લોહચુંબકત્વ અંગેના માત્રાત્મક (quantitative) સિદ્ધાંતોને આભારી છે. ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકી દ્વારા તેમનાં કેટલાંક પરિણામોમાં સુધારા કરવામાં આવ્યા છે, પણ મૂળ ખ્યાલો યથાર્થ રહ્યા છે.

1905માં પોલ લૅન્ગેવિન દ્વારા એમ્પિયરનો અભિગમ પુનર્જીવિત કરવામાં આવ્યો. અનુચુંબકીય પદાર્થોની પ્રકૃતિ અંગે તેણે એમ જણાવ્યું કે તેમાંનો પ્રત્યેક પરમાણુ આંતરિક રીતે અસંતુલિત ઇલેક્ટ્રૉન-પ્રવાહ ધરાવે છે. તેણે માન્યું કે આવા પ્રવાહો બહુ નાનાં ચુંબકો ઉત્પન્ન કરી શકે, જે બાહ્ય ક્ષેત્રની ગેરહાજરીમાં શક્ય તે સઘળી દિશાઓમાં, ચીંધાયેલા હશે. પણ જ્યારે ક્ષેત્ર પ્રયુક્ત થાય ત્યારે તેઓ ઘૂમીને ક્ષેત્ર સાથે મેળમાં ગોઠવાય છે. વધુમાં લૅન્ગેવિને ચુંબકીય આઘૂર્ણનો ખ્યાલ વિકસાવ્યો, જે વૈયક્તિક પારમાણ્વિક ચુંબક માટે ધ્રુવ-સામર્થ્ય (ધ્રુવ-પ્રાબલ્ય, pole strength) અને ધ્રુવો વચ્ચેના અંતરનો ગુણાકાર છે.

વાઇઝનો સિદ્ધાંત : 1907માં પિયરી વાઇઝે લૅન્ગેવિનના સંશોધનને આગળ વધારી લોહચુંબકત્વને આવરી લેવાનો પ્રયત્ન કર્યો. તેણે ‘પ્રભાવક્ષેત્રો’(domains)ના ખ્યાલને દાખલ કર્યો. આ પ્રભાવક્ષેત્રો એટલે પોતાનું અલગ આઘૂર્ણ એકબીજાને સમાંતર રીતે અભિબંધિત (locked) થયેલું હોય તેવા પરમાણુઓ ધરાવતા નાના પ્રદેશો અથવા સમૂહો કે જે સંતૃપ્તિ મૂલ્ય સુધી ચુંબકિત થઈ શકે છે. આણ્વિક ક્ષેત્ર સિદ્ધાંત તરીકે ઓળખાતો વાઇઝનો સિદ્ધાંત બે પરિકલ્પનાઓ (hypotheses) પર અવલંબે છે :

(1) ક્યુરીબિંદુથી નીચે લોહચુંબકીય પદાર્થ પ્રભાવક્ષેત્રો તરીકે ઓળખાતા નાના (1.0થી 0.1 મિમી.), સ્વયંભૂપણે ચુંબકિત પ્રદેશોનો બનેલો હોય છે અને દ્રવ્યનું કુલ ચુંબકીય આઘૂર્ણ એ વૈયક્તિક પ્રભાવક્ષેત્રોના ચુંબકીય આઘૂર્ણના સદિશ (vector) સરવાળા બરાબર હોય છે.

(2) પ્રબળ આણ્વિક ક્ષેત્ર પ્રભાવક્ષેત્રોમાંના વૈયક્તિક ચુંબકીય આઘૂર્ણને વ્યવસ્થિત ગોઠવતું હોવાથી દરેક પ્રભાવક્ષેત્ર સ્વયંભૂપણે ચુંબકિત થાય છે.

આ અનુમાનોનું પરિણામ એ આવે છે કે ભલે દરેક પ્રભાવક્ષેત્ર સ્વયંભૂપણે ચુંબકિત થાય પણ તેમના ચુંબકનની દિશાઓ સંપાતી હોતી નથી. આથી નમૂનાનું સમગ્રતયા ચુંબકન નમૂનો એક પ્રભાવક્ષેત્ર ધરાવતો હોય અને જોવા મળે તેના કરતાં ઘણું ઓછું હશે. 100થી 1000 ઑર્સ્ટીડ જેટલા (ઘણી વાર તેથી પણ ઓછા), પ્રમાણમાં નબળાં ક્ષેત્રો પ્રભાવક્ષેત્રોની દિશાઓને ગોઠવવા માટે પૂરતાં થઈ પડે છે અને તેનાથી ઊંચું ચુંબકન પ્રાપ્ત થાય છે.

વાઇઝના સિદ્ધાંતની બીજી પરિકલ્પના ક્યુરી તાપમાનના અસ્તિત્વનો નિર્દેશ કરે છે. જો પ્રભાવક્ષેત્ર સ્વયંભૂપણે ચુંબકિત થતું હોય તો પારમાણ્વિક ચુંબકીય આઘૂર્ણો વચ્ચે કોઈક પ્રકારની આંતરક્રિયા થવી જોઈએ કે જે તેમને વ્યવસ્થિતપણે ગોઠવે. અન્યથા પ્રભાવક્ષેત્ર અનુચુંબકીય રીતે વર્તશે. આ આંતરક્રિયાના સરેરાશ પ્રાબલ્ય(strength)ને આંતરિક ચુંબકીય ક્ષેત્ર (વાઇઝના આણ્વિક- ક્ષેત્ર) કે જે પ્રભાવક્ષેત્રના ચુંબકનના અનુપાતમાં હોય છે તેના વડે દર્શાવી શકાય. આમ પ્રભાવક્ષેત્રમાંના પારમાણ્વિક ચુંબકીય આઘૂર્ણ પર લાગતું અસરકારક બળ નીચેના સમીકરણ વડે દર્શાવી શકાય :

જ્યાં Ho એ બાહ્ય રીતે પ્રયુક્ત ચુંબકીય ક્ષેત્ર, અને lM એ વાઇઝ આણ્વિક ક્ષેત્ર છે. લોહ માટે આ આણ્વિક ક્ષેત્ર 107 ઑર્સ્ટીડના માનની કોટિ(order of magnitude)નું હોય છે.

ક્યુરીબિંદુથી ઉપરના તાપમાને ચુંબકીય સુગ્રાહિતા તારવવાનું પ્રમાણમાં સરળ છે, કારણ કે તેનાથી ઊંચા તાપમાને લોહચુંબકીય પદાર્થ અનુચુંબક તરીકે વર્તે છે. જો ક્યુરીનો નિયમ લાગુ પડતો હોય તો નીચેનું સમીકરણ યથાર્થ છે :

જ્યાં C એ ક્યુરી-અચળાંક છે. ક્યુરીના નિયમમાં H એ પારમાણ્વિક ચુંબકીય આઘૂર્ણ પર લાગતું અસરકારક ચુંબકીય બળ છે. ઉપરનાં બે સમીકરણો પરથી નીચેનું સમીકરણ મળે છે :

હવે સુગ્રાહિતા c એ એકમ પ્રયુક્ત ક્ષેત્ર Ho દીઠ મળતું ચુંબકન હોવાથી (એકમોની વીજચુંબકીય પ્રણાલી પ્રમાણે)

આમ ક્યુરી-તાપમાન Tc વડે વ્યાખ્યાયિત થાય છે અને સુગ્રાહિતા ક્યુરી-વાઇઝ નિયમને અનુસરે છે. આ નિયમનું સ્વરૂપ જ્યારે Tc તાપમાને H_o = 0 હોય ત્યારે અશૂન્ય (nonzero) ચુંબકન દર્શાવે છે.

ક્યુરીબિંદુથી નીચે ક્યુરી-વાઇઝ નિયમ નિષ્ફળ જતો હોવાથી વાઇઝનો સિદ્ધાંત સ્વયંભૂ ચુંબકન દર્શાવે છે, અને તે ઉપરાંત સંતૃપ્તિ ચુંબકનની તાપમાન આધારિતતાની આગાહી કરે છે. જો એ લક્ષમાં લેવામાં આવે કે ક્યુરીનો નિયમ એ નબળાં ક્ષેત્રો તથા ઊંચાં તાપમાનોએ યથાર્થ ઠરતું એક સન્નિકટન (approximation) છે અને તે સંતૃપ્તિ અસરોને સમાવિષ્ટ કરતો નથી તો આ બાબત સમજી શકાય છે.

હાઇઝેનબર્ગનો સિદ્ધાંત : લોહચુંબકત્વ અંગેનો હાઇઝેનબર્ગનો સિદ્ધાંત (1928) વાઇઝના આણ્વિક ક્ષેત્રના ઉદગમને પારમાણ્વિક આધાર પર મૂલવે છે. પારમાણ્વિક ચુંબકીય આઘૂર્ણો વચ્ચેની દ્વિધ્રુવ-દ્વિધ્રુવ (dipole-dipole) સામાન્ય આંતરક્રિયાઓ વાઇઝ-ક્ષેત્રને મૂલવવા માટે ઘણી નાની છે. પાઉલીનો બાકાતી-સિદ્ધાંત (Pauli’s exclusion principle) એ હાઇઝેનબર્ગના સિદ્ધાંતનો પાયો છે. એક લોહચુંબકીય પદાર્થના પાસપાસેના બે પરમાણુઓ લક્ષમાં લેવામાં આવે તો દરેક પરમાણુ તેના ઇલેક્ટ્રૉન-પ્રચક્રણ કોણીય વેગમાનને કારણે પારમાણ્વિક ચુંબકીય આઘૂર્ણ ધરાવે છે. પાઉલીના સિદ્ધાંત મુજબ પાસપાસેના પરમાણુઓ ઉપરના સમાંતર પ્રચક્રણ ધરાવતા બે ઇલેક્ટ્રૉન એકબીજાથી ઘણા દૂર રહેતા હોવાથી તેમની વચ્ચેનું સ્થિત-વૈદ્યુતિક (electrostatic) કુલંબીય અપાકર્ષણ ઘણું ઓછું હશે. આમ જ્યારે ઇલેક્ટ્રૉન પ્રચક્રણ સમાંતર હોય ત્યારે પ્રણાલી નિમ્નતમ (lowest) ઊર્જા-સ્થિતિમાં હશે અને આ ગોઠવણી પસંદ કરાશે. પણ જો ઇલેક્ટ્રૉન દૂર રાખવામાં આવ્યા હોય તો તેમની ગતિજ (kinetic) ઊર્જા વધશે અને બિનસમાંતર ગોઠવણી એ નિમ્નતમ ઊર્જાની અવસ્થા હશે. આમ આ બે અસરો વચ્ચેની સ્પર્ધા પદાર્થ લોહચુંબકીય છે કે નહિ તે નક્કી કરશે.

લોહચુંબકીય પ્રભાવક્ષેત્રો (ferromagnetic domains) : ક્યુરી-બિંદુથી નીચે ઉદભવતાં સ્વયંભૂ ચુંબકનનાં નાનાં ક્ષેત્રો અગાઉ જણાવ્યા પ્રમાણે પ્રભાવક્ષેત્રો તરીકે ઓળખાય છે. આકૃતિ (4)માં દર્શાવ્યા પ્રમાણે ચુંબકીય ઊર્જા ઓછી કરવા માટે તેઓ ઉદભવે છે. ચુંબકીય બળની રેખાઓ ટૂંકી થવાથી બે પ્રભાવક્ષેત્રો બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્રનું પ્રમાણ (extent) ઘટાડે છે. વધુ ઉપવિભાજન (subdivision) થવાથી આ ક્ષેત્ર હજુ વધુ ઘટે છે.

ઊર્જાના ઘટાડાને બીજી રીતે પણ વર્ણવી શકાય. પૃષ્ઠ-ધ્રુવો(surface poles)માંથી આવતાં પ્રભાવક્ષેત્રો આકૃતિ 4 (ક)માંના જાડાં પ્રભાવક્ષેત્રો કરતાં આકૃતિ 4 (ખ)માંનાં લાંબાં, પાતળાં પ્રભાવક્ષેત્રો ઘણાં નાનાં હોય છે. આ અંગે એક પ્રશ્ન એ ઉદભવે છે કે ઉપવિભાજનની આ વિધિ કેટલી લાંબી ચાલે છે. પ્રત્યેક ઉપવિભાજન સાથે ક્ષેત્ર-ઊર્જા(field energy)માં ઘટાડો થાય છે; પરંતુ વધુ ને વધુ ચુંબકીય આઘૂર્ણો પ્રતિસમાંતર ગોઠવાવાથી હાઇઝેનબર્ગની વિનિમય-ઊર્જામાં વધારો થાય છે. અંતે એક એવી સ્થિતિ આવે છે કે જેમાં વધુ ઉપવિભાજન ક્ષેત્રીય ઊર્જામાં જે ઘટાડો કરશે તેના કરતાં વિનિમય-ઊર્જામાં વધુ વધારો કરશે અને લોહચુંબક ન્યૂનતમ કુલ ઊર્જાવાળી આ અવસ્થા ધારણ કરશે.

બ્લૉચ દીવાલ (Bloch wall) : વિનિમય-ઊર્જાને કારણે પ્રભાવક્ષેત્રો વચ્ચે ચુંબકનનું ઉત્ક્રમણ (reversal) એકાએક થતું નથી, પરંતુ આકૃતિ 5માં દર્શાવ્યા પ્રમાણે બ્લૉચ દીવાલ તરીકે ઓળખાતા સંક્રમણ કટિબંધ (zone) મારફત ધીમે ધીમે થાય છે. લોહની અંદર આ દીવાલ  50 ને.મી. જાડી હોય છે અને કુલ ઊર્જા  2 અર્ગ/સેમી2 હોય છે.

પ્રભાવક્ષેત્રોના અસ્તિત્વ અંગેનો પ્રત્યક્ષ પ્રયોગાત્મક પુરાવો બિટર(Bitter)ની પાઉડર-ભાત (pattern) વડે મળે છે. આ માટે જો નમૂનો ધાતુનો હોય તો તેને પ્રથમ બારીક અપઘર્ષક અને તે પછી વિદ્યુતપૉલિશ (electropolish) વડે એક સપાટી તૈયાર કરવામાં આવે છે. તેના ઉપર ચુંબકીય Fe₂O₃ના કણોના કલિલી (colloidal) અવલંબન(નિલંબન, suspension)નું એક ટીપું મૂકી તેને સૂક્ષ્મદર્શકના આવરક કાચ (cover glass) વડે ઢાંકી દેવામાં આવે છે. જ્યાં ચુંબકીય ક્ષેત્ર વધુમાં વધુ હશે ત્યાં આ કણો કેન્દ્રિત થશે. તેમને સૂક્ષ્મદર્શક વડે જોઈ શકાય છે. પૃષ્ઠક્ષેત્ર બ્લૉચ દીવાલના કેન્દ્રમાં વધુમાં વધુ હોય છે.

નરમ (soft) અને કઠિન (hard) ચુંબકીય દ્રવ્યો : જે દ્રવ્યોનું ચુંબકન તથા વિચુંબકન સહેલાઈથી થાય છે તેમને ‘નરમ’ અને જેમનું ચુંબકન કે વિચુંબકન સહેલાઈથી થતું નથી તેમને ‘કઠિન’ દ્રવ્યો કહે છે. પહેલો પ્રકાર પ્રત્યાવર્તી વીજપ્રવાહ (alternating current) યંત્રોમાં થાય છે. જ્યાં કિંમત ગૌણ હોય [દા.ત., અંત:સમુદ્રી ટેલિગ્રાફ કેબલોનું પ્રેરણિક (inductive) ભારણ (loading)]. ત્યાં પર્મેલોય (permalloy) (21.5 % Fe, 78.5 % Ni) પ્રકારની મિશ્રધાતુઓ ઉપયોગમાં લઈ શકાય છે. બીજા પ્રકારના પદાર્થો કાયમી ચુંબકો માટે વપરાય છે. ઍલ્નિકો (Alnico) આનું ઉદાહરણ છે.

દ્રવ્યના ચુંબકીય ગુણધર્મો ઘણા જટિલ હોઈ તેમની સંપૂર્ણ સમજ માટે પરમાણુની સંરચના અંગે વિસ્તૃત પૃથક્કરણ, અણુઓમાં તેમની પારસ્પરિક ક્રિયાઓ, વાયુઓમાં એકબીજા સાથેની અથડામણો (collisions) તેમજ ઘન અને પ્રવાહીઓમાં તેમની એકબીજા ઉપરની અસરો વિશેની વિગતો જરૂરી છે.

ચિત્રા સુરેન્દ્ર દેસાઈ