الاستقطاب الكهرومغناطيسي: نظرة عامة

وهو مفهوم أساسي في مجال علم المواد الحديث، ويشرح قدرة بعض المواد على ازدواج الاستجابات الكهربائية والمغناطيسية داخل بنية واحدة. ويستتبع ذلك أن المجال الكهربائي المطبق من شأنه أن يؤثر على الحالة المغناطيسية للمادة، وعلى العكس، يتأثر الاستقطاب الكهربائي بالمجال المغناطيسي. وبما أنه في معظم المواد، يتم التعامل مع الكهرباء والمغناطيسية كخاصيتين مستقلتين، فإن القدرة على ضبط إحداهما باستخدام الأخرى تفتح آفاقاً عديدة للتقنيات الناشئة، خاصة تلك التي تتطلب تحكماً دقيقاً باستهلاك منخفض جداً للطاقة.

على المستوى المجهري، تنشأ قابلية الاستقطاب الكهرومغناطيسي على المستوى المجهري من تفاعلات ثنائيات الأقطاب الكهربائية مع العزوم المغناطيسية. وتكون التفاعلات منظمة واتجاهية، حيث يتم وصف قوة الاقتران بواسطة الموتر الكهرومغناطيسي. ويلتقط هذا الموتر حجم واتجاه استجابة المادة وبالتالي يوفر للعلماء طريقة كمية لفحص المواد من حيث ملاءمتها للتطبيقات المتعلقة بتخزين الذاكرة والاستشعار والأجهزة الإلكترونية المغناطيسية.

المعادلة الرئيسية

إحدى المعادلات الشائعة الاستخدام لوصف السلوك الكهرومغناطيسي هي التالية:

P = χe ε0 E + α H

في هذه المعادلة

- P هو الاستقطاب الكهربائي

- χـ χـ هي قابلية التأثر الكهربائي,

- ε ₀ هي السماحية الفراغية,

- E يمثل المجال الكهربي المطبق.

- α هو معامل الاقتران الكهرومغناطيسي,

- H هي شدة المجال المغناطيسي.

يمثل المصطلح الذي يحتوي على αH التأثير الكهرومغناطيسي المغناطيسي: يتسبب المجال المغناطيسي المطبق، بالإضافة إلى ذلك، في الاستقطاب الكهربائي. تُظهر المواد ذات α الأعلى اقترانًا تبادليًا أقوى، وبالتالي فهي ذات أهمية أكبر لهندسة الأجهزة المتقدمة.

تاريخ الأبحاث الكهرومغناطيسية المغناطيسية وتطورها

على الرغم من أن العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية معروفة منذ القرن التاسع عشر، لم تبدأ الأبحاث في المواد التي تُظهر تأثيرًا كهرومغناطيسيًا مغناطيسيًا خطيًا مباشرًا إلا في منتصف القرن العشرين. قدم لانداو وليفشيتز القاعدة النظرية في عام 1959 للإشارة إلى أن بعض التماثلات في البلورات تسمح بالاقتران المتبادل بين المجالين الكهربائي والمغناطيسي. وأخيراً، تم التأكيد التجريبي في عام 1960 من قبل دزيالوشينسكي، الذي تنبأ بالتأثير في Cr₂O₃، وقد لوحظ تجريبياً بعد ذلك بوقت قصير من قبل رادو وفولين.

أدى هذا الاكتشاف إلى موجة من النشاط في البحث عن استجابات كهرومغناطيسية مغناطيسية جديدة أقوى وأكثر قابلية للضبط. وطوال الثمانينيات والتسعينيات من القرن العشرين، انتقلت الأبحاث إلى ما هو أبعد من الأكاسيد البسيطة المضادة للمغناطيسية لتشمل دراسات على البيروفسكايت المعقدة، والمنجنيتات الأرضية النادرة، والمركبات ذات الطبقات. وفي أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، أعيد اكتشاف المواد متعددة البيروفلورويات - مواد مثل BiFeO₃ التي لها ترتيب مغناطيسي وكهربائي حديدي على خطين -. وقد وسّعت هذه المواد متعددة البوليمرات بشكل كبير من إمكانية التطبيقات في درجة حرارة الغرفة.

وتؤدي الأجهزة الموفرة للطاقة، والحوسبة العصبية الشكل، والمشغلات النانوية، والبنى الإلكترونية المغناطيسية الجديدة إلى زيادة الطلب على الأبحاث الكهرومغناطيسية المغناطيسية اليوم. وتشمل الاختراقات الحديثة المواد الطوبولوجية، والبنى المتغايرة الاصطناعية، والأغشية الرقيقة المصممة بالإجهاد التي تُظهر سلوكًا كهرومغناطيسيًا مغناطيسيًا أكثر غرابة. وما بدأ كفضول نظري أصبح موضوعًا محوريًا في فيزياء المادة المكثفة والجيل القادم من الإلكترونيات.

الكهرومغناطيسية مقابل الكهرومغناطيسية: الفرق بينهما

كثيرًا ما يتم الخلط بين التأثير الكهرومغناطيسي المغناطيسي والظواهر الكهرومغناطيسية العامة، لكن هناك فرقًا واضحًا بين الاثنين بطرق ذات مغزى. تصف الكهرومغناطيسية الكهرومغناطيسية كيفية تأثير المجالات الكهربائية والمغناطيسية على بعضها البعض في الفضاء، كما هو مشفّر في معادلات ماكسويل. والاقتران بين المجالين الكهربي والمغناطيسي المتغيرين عالمي ويحدث في جميع الأوساط، بما في ذلك الفضاء الفارغ.

وفي حين أن السلوك الكهرومغناطيسي هو خاصية تتعلق بالمواد، فإن هذه الكهرومغناطيسية تحدث فقط في المواد الصلبة حيث يتعايش أو يتفاعل المجالان الكهربائي والمغناطيسي عبر الشبكة البلورية. وهنا، لا يكون الاقتران نتيجة لقانون من قوانين الطبيعة، بل نتيجة لكسر التناظر أو تفاعلات المدار المغزلي أو تشوهات الشبكة. وبعبارة أخرى، تخضع جميع المواد لقوانين الكهرومغناطيسية الكهرومغناطيسية، ولكن القليل منها فقط يمتلك اقترانًا كهرومغناطيسيًا مغناطيسيًا جوهريًا.

وهذا هو الفرق الجوهري الذي يلعب دورًا في التطبيقات. فبالرغم من أن الموجات الكهرومغناطيسية تحدد المجالات في الهواء أو الفراغ، إلا أن قابلية الاستقطاب الكهرومغناطيسي تسمح للمهندسين بالتلاعب بخصائص المواد: على سبيل المثال، تبديل المغنطة بالجهد بدلاً من التيار. تقلل المغنطة التي يتم التحكم فيها بالجهد بشكل كبير من استهلاك الطاقة، وهو سبب رئيسي لدمج المواد الكهرومغناطيسية المغناطيسية في أجهزة الذاكرة والمنطق منخفضة الطاقة.

أمثلة على المواد الكهرومغناطيسية المغناطيسية

تُظهر العديد من المواد التي تمت دراستها بالتفصيل قابلية استقطاب كهرومغناطيسي قوية:

• Cr₂O₃ (أكسيد الكروم) - المادة الكهرومغناطيسية الأصلية ، مستقرة ومضادة للمغناطيسية.
• BiFeO₃ (BiFeO₃) هو متعدد الكهرومغناطيسية في درجة حرارة الغرفة مع وجود نظام كهرومغناطيسي حديدي ومضاد للمغناطيسية.
• TbMnO3 عبارة عن تيربيوم مانجنيت تيربيوم له تراكيب مغناطيسية معقدة، مما يؤدي إلى تفاعلات كهرومغناطيسية مغناطيسية قابلة للضبط.

لمعرفة المزيد عن المواد الكهرومغناطيسية المغناطيسية، تفضل بزيارة Stanford Advanced Materials (SAM).

تطبيقات الاستقطاب الكهرومغناطيسي المغناطيسي

تنبع قيمة المواد الكهرومغناطيسية المغناطيسية من التنوع الكبير في التقنيات التي يتيحها الاقتران المباشر بين الاستجابات الكهربائية والمغناطيسية. ويعتمد الاستشعار والتشغيل على التحكم في الحالة المغناطيسية الحساسة للغاية من خلال المجالات الكهربائية للكشف عن المجالات أو الحركة الميكانيكية. وتستخدم الذاكرة غير المتطايرة الكتابة الكهرومغناطيسية المغناطيسية كبديل للتخزين باستخدام المجالات المغناطيسية، مما يقلل من استهلاك الطاقة عند الاحتفاظ بالمعلومات بشكل ثابت. وتتيح المواد الكهرومغناطيسية المغناطيسية في الإلكترونيات المغناطيسية بشكل أساسي التلاعب في نقل المغناطيسات بالجهد بدلاً من التيار، مما يساعد على تحسين الكفاءة وتقليل تبديد الحرارة.

مع انخفاض في بنية الأجهزة وزيادة متطلبات الكفاءة، أصبحت المواد ذات الاقتران الكهرومغناطيسي القوي جزءًا لا يتجزأ من الأنظمة الإلكترونية من الجيل التالي.

الأسئلة المتداولة

ما هي قابلية الاستقطاب الكهرومغناطيسي؟

هي خاصية لبعض المواد التي تسمح للمجالات الكهربائية بإحداث استقطاب مغناطيسي والمجالات المغناطيسية بإحداث استقطاب كهربائي.

ما أهمية الاستقطاب الكهرومغناطيسي المغناطيسي؟

تنطوي التطبيقات على التحكم في الحالة المغناطيسية منخفضة الطاقة، وهو أمر ضروري للغاية في أجهزة الاستشعار وأجهزة الذاكرة والتقنيات السنترونيك.

هل تُظهر جميع المواد سلوكًا كهرومغناطيسيًا مغناطيسيًا؟

لا، يمكن فقط للمواد الكهرومغناطيسية المغناطيسية أو المواد متعددة الكهرومغناطيسية التي لديها تناظر وترتيب بلوري مناسب أن تُظهر هذا التأثير.

كيف تُقاس قابلية الاستقطاب الكهرومغناطيسي؟

يطبق الباحثون مجالات كهربائية ومغناطيسية محكومة ويقيسون الاستقطاب أو المغنطة المستحثة.

ما هي المشكلات المتعلقة بالتطبيقات العملية؟

تشمل التحديات الرئيسية العثور على مواد ذات اقتران كهرومغناطيسي قوي في درجة حرارة الغرفة ودمج هذه المواد في بنى الأجهزة الحالية.