ความเป็นแม่เหล็ก

ความเป็นแม่เหล็ก () ในทางฟิสิกส์ หมายถึง คุณสมบัติอย่างหนึ่งของวัสดุที่สามารถสร้างแรงดูดหรือผลักกับวัสดุอีกอย่างหนึ่งได้ วัสดุที่ทราบกันดีว่ามักจะมีความเป็นแม่เหล็กคือ เหล็ก เหล็กกล้า และโลหะบางชนิด อย่างไรก็ตาม วัสดุต่างๆ จะเกิดความเป็นแม่เหล็กมากหรือน้อยแค่ไหนนั้นขึ้นอยู่กับสนามแม่เหล็ก(ดูในตารางที่ 1)

 ประเภท 
Class      magnetic susceptibilityMoment magnetizationDiamagneticมีค่าต่ำ  และเป็นค่าลบไม่มีParamagneticมีค่าต่ำ  และเป็นค่าบวกมีและมีการเรียงตัวระเกะระกะFerromagneticมีค่าสูงมาก  และเป็นค่าบวกมีและมีการเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบในทิศทางเดียวกันAntiferromagneticมีค่าต่ำ  และเป็นค่าบวกมีและมีการเรียงในทิศทางตรงกันข้ามกัน  มีขนาดเท่ากันFerrimagneticมีค่าสูง  และเป็นค่าบวกมีและมีการเรียงตัวทิศทางตรงกันข้ามกัน  มีขนาดแตกต่างกัน

 ไดอะแม็กเนติก 

วัตถุจำพวกไดอะแมกเนติก (diamagnetic material) เป็นวัตถุที่แสดงคุณสมบัติแม่เหล็กในเชิงด้านกับสนามแม่เหล็กภายนอก ไม่มีโมเมนต์แม่เหล็กถาวรในโครงสร้างอะตอม โดยที่เมื่อมีสนามแม่เหล็กภายนอกกระทำต่ออะตอมของวัตถุ จะทำให้อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เป็นวงโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมเสียสมดุล เกิดขั้วแม่เหล็กขนาดเล็กขึ้นในอะตอมขั้วแม่เหล็กจะต้านกับสนามแม่เหล็กภายนอก ทำให้เกิดผลในเชิงลบ วัตถุจำพวกนี้มีคุณสมบัติค่าสภาพรับไว้ในเชิงแม่เหล็กของวัตถุมีค่าเป็นลบ ตัวอย่างแร่ที่มีคุณสมบัติแม่เหล็กประเภทนี้ได้แก่ ควอตซ์ เกลือหิน แคลไซ เป็นต้น

 พาราแม็กเนติก 

วัตถุจำพวกพาราแมกเนติก (paramagnetic material) เป็นวัตถุที่เมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็กภายนอก วัตถุจะถูกเหนียวนำให้มีสภาพเป็นแม่เหล็ก นั่นคือ ในโครงสร้างอะตอมของวัตถุจำพวกนี้มีโมเมนต์แม่เหล็กถาวรประกอบอยู่ แต่การเรียงตัวไม่เป็นระเบียบ (ดูในรูปที่ 1)  ดังนั้นเมื่อถูกเหนียวนำจึงมีการเรียงตัวของโมเมนต์แม่เหล็กไปตามสนามแม่เหล็กที่มีห้องนำ การเรียงตัวจะไม่เป็นระเบียบอย่างสมบูรณ์ และเมื่อนำสนามแม่เหล็กออกไป วัตถุนั้นก็จะไม่มีความเป็นแม่เหล็กอีกต่อไป วัตถุจำพวกนี้มีคุณสมบัติของสภาพรับไว้เชิงแม่เหล็กของวัตถุเป็นค่าบวกและมีค่าอยู่ระหว่าง   วัตถุที่มีคุณสมบัติแม่เหล็กจำพวกนี้ได้แก่วัตถุทุกชนิดที่ไม่ใช่วัตถุจำพวกไดอะแมกเนติก

 เฟร์โรแม็กเนติก 
เฟอร์โรแมกเนติก (Ferromagnetism) เป็นสมบัติทางแม่เหล็กที่มีในวัสดุบางชนิด เช่น เหล็ก (Fe), โคบอลต์ (Co), และนิกเกิล (Ni) ซึ่งสามารถแสดงแรงแม่เหล็กถาวรได้โดยไม่ต้องอาศัยสนามแม่เหล็กภายนอก โดยสมบัตินี้เกี่ยวข้องกับการเรียงตัวของโมเมนต์แม่เหล็กในระดับอะตอม ซึ่งอยู่ภายในโครงสร้างที่เรียกว่า โดเมนแม่เหล็ก (Magnetic Domains)

การค้นพบสมบัติเฟอร์โรแมกเนติก

           สมบัติเฟอร์โรแมกเนติกได้รับการศึกษาและมากขึ้นในศตวรรษที่ 19 และ 20 โดยมีนักวิทยาศาสตร์หลายคนที่มีบทบาทสำคัญ ได้แก่

           1. วิลเลียม กิลเบิร์ต (William Gilbert) โดยในปี 1600 กิลเบิร์ตเป็นผู้เริ่มต้นศึกษาคุณสมบัติของแม่เหล็กในหนังสือ De Magnete ซึ่งวางรากฐานสำหรับการศึกษาแม่เหล็กในอนาคต

           2. ปิแอร์ คูรี (Pierre Curie) ในช่วงปี1895-1900 ปิแอร์ คูรีค้นพบว่าแม่เหล็กเฟอร์โรจะสูญเสียสมบัติแม่เหล็กเมื่ออุณหภูมิสูงกว่าจุดวิกฤตที่เรียกว่า อุณหภูมิคูรี (Curie Temperature) ซึ่งตั้งชื่อตาม ปิแอร์ คูรี

           3. เวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก (Werner Heisenberg) ในปี 1928 ไฮเซนเบิร์กได้อธิบายสมบัติเฟอร์โรแมกเนติกในเชิงกลศาสตร์ควอนตัมโดยใช้แนวคิดของ แรงแลกเปลี่ยน (Exchange Interaction) ซึ่งช่วยอธิบายการจัดเรียงตัวของโมเมนต์แม่เหล็กในวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก

คุณสมบัติสำคัญของวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก

           1. โมเมนต์แม่เหล็กสุทธิสูง ในแต่ละโดเมนแม่เหล็กโมเมนต์แม่เหล็กเรียงตัวในทิศทางเดียวกัน ซึ่งจะทำให้เกิดโมเมนต์แม่เหล็กรวมที่แข็งแรง

           2. อุณหภูมิคูรี (Curie Temperature) เมื่อวัสดุมีอุณหภูมิสูงกว่าจุดนี้ โมเมนต์แม่เหล็กในโดเมนจะกระจัดกระจายและสูญเสียสมบัติทางแม่เหล็ก

           3. ฮิสเทอรีซิส (Hysteresis) หลังจากนำสนามแม่เหล็กภายนอกออก วัสดุเฟอร์โรแมกเนติกยังคงมีแรงแม่เหล็กหลงเหลืออยู่   

กลไกการเกิดสมบัติเฟอร์โรแมกเนติก

           สมบัติเฟอร์โรแมกเนติกเกิดจาก แรงแลกเปลี่ยน (Exchange Interaction) ซึ่งเป็นผลจากกลศาสตร์ควอนตัมที่ทำให้อิเล็กตรอนในอะตอมที่อยู่ใกล้กันจัดเรียงตัวแบบขนานในทิศทางเดียวกันเพื่อลดพลังงานรวมของระบบ ส่งผลให้วัสดุมีสนามแม่เหล็กรวมที่แข็งแกร่ง

การใช้งานวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก

           1. แม่เหล็กถาวร: ใช้ในมอเตอร์ไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้า และลำโพง

           2. หม้อแปลงไฟฟ้า: ใช้ในแกนหม้อแปลงเพื่อลดการสูญเสียพลังงาน

           3. อุปกรณ์บันทึกข้อมูล: เช่น ฮาร์ดดิสก์หรือแถบบันทึกข้อมูลChatterjee, S. (2004). Heisenberg and Ferromagnetism. Resonance, 9(8), 57-66. 

สมบัติของเฟอร์โรแมกเนติก (Ferromagnetism) เป็นหนึ่งในคุณสมบัติแม่เหล็กที่สำคัญของวัสดุ โดยสามารถจำแนกได้เป็น 3 ชนิดหลัก ได้แก่ เฟอร์โรแมกเนติกแบบบริสุทธิ์ แอนติเฟอร์โรแมกเนติก และเฟอร์ริแมกเนติก ซึ่งแต่ละชนิดมีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างกันไป โดยการค้นพบและการอธิบายสมบัติแม่เหล็กเหล่านี้เป็นผลมาจากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ชั้นนำ เช่น Pierre Curie และ Louis Néel

           1. เฟอร์โรแมกเนติกแบบบริสุทธิ์ (Pure Ferromagnetism) เป็นแม่เหล็กที่วัสดุมีโมเมนต์แม่เหล็กในทุกส่วน (หรือทุกโดเมน) จัดเรียงตัวในทิศทางเดียวกัน ซึ่งทำให้วัสดุแสดงสมบัติแม่เหล็กอย่างชัดเจน โดยสมบัตินี้พบในโลหะบางชนิด เช่น เหล็ก (Fe), นิกเกิล (Ni) และ โคบอลต์ (Co)

โดยในปี ค.ศ. 1895 Pierre Curie ได้ค้นพบอุณหภูมิที่เรียกว่า Curie Temperature ซึ่งเป็นจุดที่วัสดุเฟอร์โรแมกเนติกสูญเสียสมบัติแม่เหล็กเมื่อถูกให้ความร้อนจนเกินอุณหภูมิดังกล่าว และจากการค้นพบนี้ช่วยอธิบายว่าเฟอร์โรแมกเนติกเกิดจากการจัดเรียงตัวของโมเมนต์แม่เหล็กภายในโครงสร้างของอะตอม

           2. แอนติเฟอร์โรแมกเนติก (Antiferromagnetism) เป็นแม่เหล็กที่โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมในวัสดุจัดเรียงตัวในทิศทางตรงข้ามกันแต่มีขนาดเท่ากัน ซึ่งส่งผลให้สนามแม่เหล็กสุทธิของวัสดุเท่ากับศูนย์ วัสดุแอนติเฟอร์โรแมกเนติกส่วนใหญ่เป็นสารประกอบ เช่น แมงกานีสออกไซด์ (MnO) และ นิกเกิลออกไซด์ (NiO) โดยในปี ค.ศ. 1936 Louis Néel ได้เสนอแนวคิดเกี่ยวกับสมบัตินี้ ซึ่งเขาอธิบายว่าในโครงสร้างผลึกบางประเภท โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมสามารถเรียงตัวในลักษณะดังกล่าวได้ และงานของเขาในด้านนี้ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1970

           3. เฟอร์ริแมกเนติก (Ferrimagnetism) เป็นแม่เหล็กที่คล้ายกับแอนติเฟอร์โรแมกเนติก แต่มีความแตกต่างที่เด่นชัดคือโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมในโครงสร้างจะเรียงตัวในทิศทางตรงข้ามกัน แต่มีขนาดไม่เท่ากัน ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กสุทธิที่ไม่เป็นศูนย์ โดยวัสดุประเภทนี้มักเป็นสารประกอบออกไซด์ เช่น แมกนีไทต์ (Fe₃O₄) และ เฟอร์ไรต์ (MnFe₂O₄) ซึ่งวัสดุเฟอร์ริแมกเนติกมักถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรม เช่น การผลิตหัวอ่านฮาร์ดดิสก์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์Spaldin, N. A. (2011). Magnetic materials: Fundamentals and applications (2nd ed.). Cambridge University Press.