चुंबकीय आकारांतर : लोहचुंबकीय पदार्थाचे चुंबकीकरण केले असता किंवा त्याच्या चुंबकीकरणात कोणत्याही उपयांनी बदल घडविला असता त्या पदार्थाच्या लांबी-रुंदीत फरक होतो. चुंबकीकरणातील बदल बाह्य चुंबकीय क्षेत्राने घडवून आणला असता होणाऱ्या परिणामास चुंबकीय आकारांतर म्हणतात. स्थितिस्थापक (पदार्थात विकृती निर्माण करणाऱ्या प्रेरणा काढून घेतल्यास पदार्थ मूळ स्थितीत जाऊ शकेल अशा) ताणाने चुंबकित पदार्थाच्या चुंबकीकरणात फरक केला असता त्याच्या स्थितिस्थापक गुणांकात (विकृती उत्पन्न करणारी एकक क्षेत्रफळावरील प्रेरणा आणि एकक लांबीत होणारा बदल यांच्या गुणोत्तरात) बदल होतो. (या नोंदीतील लोहचुंबकीय, चुंबकीय परिबल, चुंबकीय पार्यता इ. चुंबकत्वासंबंधीच्या संज्ञांच्या स्पष्टीकरणासाठी ‘चुंबकत्व’ ही नोंद पहावी).
या परिणामात लोहचुंबकीय पदार्थाच्या विकृतीची स्थिती ही चुंबकीकरणाची दिशा व मान यांवर अवलंबून असते. चुंबकीय क्षेत्र व अणूंचे चुंबकीय परिबल यांत अन्योन्य क्रिया होऊन आकारांतर होते. चुंबकीय क्षेत्र आवर्ती (ठराविक कालानंतर पुन्हा पुन्हा उलटसुलट होणारे) असल्यास लांबीतील बदलसुद्धा आवर्ती होतात. रोहित्रातील (विद्युत् दाब बदलण्याच्या साधनातील) गूं ऽऽ अशा ऐकू येणाऱ्या आवाजाचे कारण त्याच्या अंतरकाचे (ज्याच्या भोवती तारांची गुंडाळी असते त्या गाभ्याचे) चुंबकीय आकारांतर होय. ध्वनिनिर्मिती, ध्वनीचा शोध घेणे व ऊर्जापरिवर्तक (एका प्रकारच्या ऊर्जेचे दुसऱ्या प्रकारच्या ऊर्जेत रूपांतर करणारे साधन, उदा., ग्रामोफोन) हे चुंबकीय आकारांतराचे व्यावहारिक उपयोग आहेत. पाण्याखालील वस्तूंचे स्थान ठरविण्याकरिता वापरल्या जाणाऱ्या अपकरणात (सोनारमध्ये) हेच तत्त्व अवलंबिले आहे. याचाच उपयोग करून दृढ पदार्थांना छिद्रे – विशेषकरून वर्तुळाकार नसलेली – पाडण्यासाठी एक औद्योगिक यंत्र बनविण्यात आले आहे.
फार पूर्वीपासून लोहचुंबकीय पदार्थ हा स्थायी लघुचुंबकांचा समुच्चय गणला गेला आहे. लोहचुंबकीय पदार्थ हा अनेक लघुक्षेत्रांचा (अणूंच्या किंवा रेणूंच्या समुदायांचा) बनलेला असतो. अशा पदार्थाचे चुंबकीकरण केल्यास लघुक्षेत्रातील अणूंचे अक्ष आपापसातील समांतर स्थिती कायम ठेवून वलन पावतात व शेवटी चुंबकीय क्षेत्रास समांतर होतात [→ चुंबकत्व].
कोणत्याही लघुक्षेत्राचे चुंबकीय परिबल हे त्याच्या चुंबकीकरणाचे मान व दिशा आणि लघुक्षेत्राचे घनफळ यांवर अवलंबून असते. यांपैकी कोणतीही राशी बदलल्यास चुंबकीय परिबल बदलते. त्याच्या घनफळातील बदल हा महत्त्वाचा असतो. जर चुंबकीय क्षेत्र अल्प किंवा मध्यम तीव्रतेचे असेल, तर एका विवक्षित लघुक्षेत्रातील चुंबकीकरणाची दिशा ही स्फटिक संरचना, विकृति-स्थिती, क्षेत्राचे मान व दिशा यांवर अवलंबून असते. चुंबकीकरण केल्यावर पदार्थाची लांबी सापेक्षतः जास्त प्रमाणात वाढत असेल, तर त्याच पदार्थात विकृती निर्माण केल्यास चुंबकीकरणात सापेक्षतः जास्त बदल होतो. म्हणून चुंबकीय आकारांतर व विकृति-संवेदनशीलता हे अन्योन्य गुणधर्म आहेत. विकृतीने चुंबकीकरण वक्राच्या (पदार्थाचा लोहचुंबकीय गुणधर्म दाखविणाऱ्या – चुंबकीय प्रवर्तन व चुंबकीय क्षेत्राची तीव्रता यांच्या – आलेखाच्या) प्रारंभिक आणि मध्य भागावर परिणाम होतो. त्यामुळे क्षेत्र उलट करण्याचे आंतर-लघुक्षेत्र-सीमा किती सुलभतेने सरकेल हे चुंबकीय आकारांतर व विकृती यांमुळे ठरविता येते. ८०% निकेल असलेल्या पर्म-ॲलॉय या मिश्रधातूमध्ये न्यूनतम चुंबकीय आकारांतर व अधिकतम प्रारंभिक चुंबकीय पार्यताही दिसून येते.
प्रतिबले व चुंबकीय आकारांतर : कित्येक लोहचुंबकीय पदार्थांचे चुंबकीय गुणधर्म त्यांना लावण्यात येणाऱ्या प्रतिबलाला (एकक क्षेत्रफळावरील प्रेरणेला) इतके संवेदनशील असतात की, प्रतिबलाची गणना चुंबकीय क्षेत्रतीव्रता, तापमान इ. चुंबकीय बदल करणाऱ्या प्राथमिक घटकांबरोबर करावी लागते. प्रामुख्याने दोन प्रकारच्या प्रतिबलांचा विचार करावा लागतो : (१) ज्यायोगे पदार्थात स्थायी आकारांतर होते व चुंबकीय पार्यतेत निश्चित ऱ्हास होतो अशी स्थितिस्थापकतेच्या पलीकडील प्रतिबले आणि (२) ज्यायोगे पदार्थाच्या नैसर्गिक गुणधर्मानुसार त्याच्या चुंबकीय पार्यतेत वृद्धी अथवा ऱ्हास घडतो, अशी स्थितिस्थापकतेच्या मर्यादेतील प्रतिबले.
निकेल धातूला साधारण ताण-प्रेरणा लावली असता तिची चुंबकीय पार्यता कमी होते. ताण-प्रेरणा असताना काढलेला चुंबकीकरण वक्र हा अविकृत निकेलाच्या वक्राच्या खाली असतो व जसजशी ताण-प्रेरणा वाढवावी तसतसा वक्र अधिक अधिक खाली सरकतो. वक्राच्या मध्यभागावर प्रतिबलाचा परिणाम अधिकतम होतो. हा परिणाम पदार्थाच्या अचुंबकीय किंवा संपृक्त स्थितीत (कमाल चुंबकीत स्थितीत) न्यूनतम असतो.
आ. १ मध्ये २ किग्रॅ./मिमी.२ एवढे प्रतिबल स्थिर ठेवून चुंबकीय क्षेत्राचे मान वाढविला असता ६८ पर्म- ॲलॉय (६८% निकेल आणि ३२% लोह) व निकेल यांत प्रतिबलाचा चुंबकीकरणावर कसा विरुद्ध परिणाम होतो हे दाखविले आहे. पर्म- ॲलॉयमध्ये ताणप्रेरणा लावली असता चुंबकीय पार्यता खूपच वाढते. २ किग्रॅ./मिमी.२ इतके प्रतिबल असताना त्याची चुंबकीय पार्यता वक्राच्या मध्यभागी ताणशून्य स्थितीतील चुंबकीय पार्यतेपेक्षा आठपट व स्थितिस्थापकतेच्या मर्यादेत असणारे प्रतिबल ११ किग्रॅ. मिमी.२ एवढे असताना ती तीसपट होते. स्थितिस्थापकतेच्या मर्यादाबाहेरचे प्रतिबल असताना पर्म- ॲलॉयची किंबहुना इतर कोठल्याही पदार्थाची चुंबकीय पार्यता द्रुत गतीने ऱ्हास पावते.
प्रतिबलाचा चुंबकीकरणावरील परिणाम व चुंबकीय पदार्थाचे चुंबकीकरण केले असता त्याच्या लांबी-रुंदीत होणारा बदल यांचा घनिष्ट संबंध आहे म्हणजेच विकृतीचा चुंबकीकरणावरील परिणाम व चुंबकीकरणाने होणारी विकृती ह्या परस्परावलंबी आहेत. उदा., निकेलाचे चुंबकीकरण केले असता त्यात मूळ लांबीच्या अतिशय कमी प्रमाणात, ४० भाग प्रती १०६ भाग इतकेच आकुंचन होते. सुरुवातीला चुंबकीय क्षेत्रतीव्रता अल्प असताना लांबीतील आंशिक बदल δl / l ( l – मूळ लांबी, δl – लांबीतील सूक्ष्म बदल) मंदपणे होतो. क्षेत्रतीव्रता वाढविली असता हा बदल द्रुत गतीने होतो. शेवटी तीव्रता वाढविली असतानाही हा बदल जवळजवळ स्थिर राहतो. ह्या स्थिर बदलला ‘संपृक्त चुंबकीय आकारांतर’ (δl /l )s म्हणतात. पर्म-ॲलॉयचे चुंबकीकरण केले असता त्याच्या लांबीत वाढ होते व निकेलामध्ये ऱ्हास होतो (आ. २). निकेल व ६८ पर्म-ॲलॉय हे अनुक्रमे ऋण व धन चुंबकीय आकारांतर दर्शविणारे प्रातिनिधिक पदार्थ होत. ताण-प्रेरणा वाढविली असता धन चुंबकीय आकारांतर होणाऱ्या पदार्थाचे चुंबकीकरण वाढते आणि ऋण चुंबकीय आकारांतर होणाऱ्या पदार्थाचे चुंबकीकरण घटते. शेलफर्ड, बिडवेल आदी शास्त्रज्ञांना असे दिसून आले की, लोह व कोबाल्ट यांत होणारे चुंबकीय आकारांतर कधी धन तर कधी ऋण असते. लोहाचे चुंबकीय आकारांतर क्षीण क्षेत्रात धन असते आणि तीव्र ऋण असते. कोबाल्टच्या बाबतीत याउलट असते (आ. ३).
संपीडन-प्रेरणेचा (दाब देऊन संकोचन करणाऱ्या प्रेरणेचा) परिणाम ताण-प्रेरणेच्या विरुद्ध असतो. म्हणून दाब वाढविला असता धन चुंबकीय आकारांतर होणाऱ्या पदार्थाचे (उदा., पर्म-ॲलॉयचे) चुंबकीकरण कमी होते व ऋण चुंबकीय आकारांतर होणाऱ्या पदार्थाचे (उदा., निकेलाचे) चुंबकीकरण वाढते. या ठिकाणी ताण-प्रेरणा व संपीडन-प्रेरणा या चुंबकीय क्षेत्रांच्या दिशेशी समांतर असलेल्या रेषेत लावल्या जातात, हे लक्षात ठेवले पाहिजे. क्षेत्राच्या लंबदिशेत संपीडन-प्रेरणा लावल्यास चुंबकीकरणावर होणारा परिणाम, ती संपीडन-प्रेरणा क्षेत्रदिशेत लावल्यास होणाऱ्या परिणामाच्या विरुद्ध असतो जसे निकेल धातूला क्षेत्राच्या लंबदिशेत संपीडन-प्रेरणा लावल्यास तिचे क्षेत्रदिशेतील चुंबकीकरण वाढते.
सामान्यतः चुंबकीय आकारांतर, चुंबकीकरण वक्राच्या संपृक्त स्थितीखालील वळणाजवळ, क्षेत्र तीव्रतेप्रमाणेच वाढते. त्याचप्रमाणे जेव्हा चुंबकीकरणाचे मूल्य संपृक्त मूल्याच्या १/२ ते २/३ होते तेव्हा चुंबकीय आकारांतराचे मूल्य संपृक्त मूल्याच्या १/४ ते १/३ इतकेच असते.
सुरुवातीच्या प्रयोगात बिडवेल यांनी एका दंडाचे अन्वायाम (लांबीस समांतर) दिशेत चुंबकीकरण केल्यास त्याच्या लांबीत होणारा बदल तरफ वापरून व वाढीच्या शेवटच्या टप्प्यात आरसा आणि प्रकाशकिरण वापरून मोजला. आधुनिक प्रयोगात प्रकाशाच्या व्यतिकरणाचा (दोन किंवा अधिक तरंगमालिका एकमेकींवर येऊन पडल्यामुळे एकाआड एक काळे व पांढरे पट्टे आढळणाऱ्या आविष्काराचा) उपयोग करतात. मापनासाठी मायकेलसन यांचा व्यतिकरणमापक वापरतात [→ व्यतिकरण मापन]. दंडाच्या टोकावर बसविलेला आरसा हा या व्यतिकरणमापकातील दोन आरशांपैकी एक असतो. दंडाच्या लांबीत बदल होताच आरसा विचलित होतो आणि त्यामुळे व्यतिकरण-पट्ट स्थानच्युत होतात. स्थानच्युत होणाऱ्या पट्टांची संख्या मोजून त्यावरून लांबीतील बदल मोजता येतो. अलोह चुंबकीय पदार्थाकरिता तीव्रतर चुंबकीय क्षेत्राची जरूरी असते. तसेच लोहचुंबकीय पदार्थांपेक्षा जास्त सूक्ष्ममापन पद्धतीचा अवलंब करावा लागतो.
क्षीण चुंबकीय क्षेत्रात लोहाचे चुंबकीकरण केले असता त्याची लांबी वाढते आणि लंब-छेदाचे क्षेत्रफळ त्याच प्रमाणात घटते म्हणजे घनफळ जवळजवळ स्थिरच राहते. परंतु सूक्ष्ममापनात असे आढळून आले की, घनफळातही निश्चितपणे बदल होतो – बहुशः वाढ होते. क्षेत्राची तीव्रता २,००० ओर्स्टेड असताना घनफळातील आंशिक बदल अंदाजे एक दशलक्षांश (१०-६) एवढा कमी असतो. निकेलाच्या बाबतीत याच्या १/३ बदल होतो. अंदाजे ३० टक्के निकेल असलेल्या लोह-निकेल मिश्रधातूमध्ये विशेषेकरून वाढ होते (घनफळातील आंशिक बदल = ४० × १०-६). ज्याप्रमाणे काही पदार्थांत चुंबकीय क्षेत्रामुळे घनफळात बदल होतो त्याचप्रमाणे ह्या पदार्थांवर जलस्थितिक (स्थिर स्थितीतील द्रवांचा) दाब लावला असता चुंबकीकरणात बदल होतो. घनफळ-चुंबकीय आकारांतर जसे अल्प असते, तसाच चुंबकीकरण बदलही अल्प असतो.
चुंबकीय पदार्थाला ताण-प्रेरणा लावली असता त्याच्या लांबीत होणारे प्रसरण हे त्याच्या साधारण प्रसरण हे त्याच्या साधारण प्रसरण (स्थितिस्थापकतेच्या गुणधर्मानुसार होणारे प्रसरण) व चुंबकीय आकारांतरामुळे होणारे प्रसरण यांच्या बेरजेइतके असते. त्यामुळे यंग यांचा गुणांक (ताणण्याच्या बाबतीतील स्थितिस्थापक गुणांक) हा प्रतिबलावर अवलंबून असतो, ह्या हूक यांच्या नियमास ही गोष्ट अपवादात्मक ठरते. चुंबकीय पदार्थाकरिता यंग गुणांक विकृतीचे मान व चुंबकीकरण तीव्रता यांवर अवलंबून असतो. चुंबकीकरणामुळे यंग गुणांकात १० टक्के अथवा जास्त इतका बदला मोजला गेला आहे.
लघुक्षेत्र सिद्धांताप्रमाणे धन चुंबकीय आकारांतर असलेल्या पदार्थाला ताण-प्रेरणा लावली असता प्रत्येक लघुक्षेत्रातील चुंबकीकरण ताणप्रेरणेच्या दिशेला समांतर अथवा प्रतिसमांतर (समांतर पण विरुद्ध दिशेने) होण्याचा प्रयत्न करते. ऋण चुंबकीय आकारांतर असणाऱ्या पदार्थांत सुद्धा ताण-प्रेरणा लावली असता वरील प्रमाणेच बदल होतो. लघुक्षेत्र सिद्धांताप्रमाणे पदार्थातील अशुद्धता काढून टाकली असता व त्यातील विकृती संथ शीतलनाने अल्पतम केली असता, प्रारंभिक चुंबकीय पार्यता अधिकतम असते, हे प्रयोगांनी सिद्ध झाले आहे. कर्स्टन या शास्त्रज्ञांनी चुंबकीय पार्यता व चुंबकीय आकारांतर यांचा संबंध पुढील समीकरणाद्वारे मांडला
|
μo= |
( |
4 Is2 |
)2s Y |
|
δ l |
|||
|
l |
यात µo चुंबकीय पार्यता, Is संपृक्त चुंबकीकरण, ( δl/l )s संपृक्त चुंबकीय आकारांतर व Y यंग गुणांक आहेत.
समीकरणावरून असे दिसून येईल की, चुंबकीय आकारांतर अल्पतर असता चुंबकीय पार्यता अधिकतर असते.
लोह आणि निकेल यांच्या घन स्फटिकांचे चुंबकीय गुणधर्म स्फटिक अक्षाच्या सापेक्षतः वेगवेगळ्या दिशांत वेगवेगळे असतात. स्फटिकांच्या सर्व दिशांत सर्वसाधारणपणे चुंबकीय आकारांतराने होणारा लांबीतील बदल सारखा नसतो. विशेषतः लोहात (1 0 0 ) ह्या स्फटिक अक्षाशी [→ स्फटिकविज्ञान] समांतर दिशेत चुंबकीय क्षेत्र लावले असता प्रसरण होते. स्फटिक करण दिशेत (1 1 1) क्षेत्र असल्यास आकुंचन होते. फलक-कर्ण दिशेत (1 1 0 ) क्षीण चुंबकीय क्षेत्रात प्रसरण, तर तीव्र क्षेत्रात आकुंचन होते पण निकेलाच्या बाबतीत कोणत्याही मूल्याच्या क्षेत्रांत सर्व दिशांत आकुंचन होते.
अनुप्रयोग : व्हीलारी या शास्त्रज्ञांना असे आढळून आले की, क्षीण चुंबकीय क्षेत्रात लोह व पोलाद यांवर लांबीच्या दिशेने ताण प्रेरणा लावली, तर चुंबकीकरण वाढते परंतु तीव्र क्षेत्रात ताण – प्रेरणेचा परिणाम चुंबकीकरण कमी करण्याकडे होतो. ह्या परिणामाला ‘व्हीलारी विपर्यय’ अशी संज्ञा आहे. ह्या परिणामाच्या मदतीने अल्पकालिक यांत्रिक प्रतिबल मोजता येते.
चुंबकीय आकारांतराचा कल्पकतेने उपयोग करून श्राव्यातीत (ऐकू न येणारे) तरंग निर्माण करतात. या उपकरणाला चुंबकीय आकारांतर–आंदोलक म्हणतात. प्रत्येक पदार्थाच्या अन्वायाम कंपनांचा स्वाभाविक आवर्तकाल (एका कंपनास लागणारा काळ) ठराविक असतो. जर उच्च कंप्रतेच्या (एका सेकंदास होणाऱ्या कंपनांच्या संख्येच्या) प्रत्यावर्ती (उलट सुलट दिशेने वाहणाऱ्या) विद्युत् प्रवाहाच्या साहाय्याने चुंबकीकरण केले व ह्या प्रवाहाची कंप्रता त्या पदार्थाच्या अन्वायाम कंपनांच्या स्वाभाविक कंप्रतेएवढीच असेल, तर अनुस्पंदन (दोहोंची कंपने एकमेकांना पूरक होऊन अधिक मोठी कंपने निर्माण होणे) होते. त्यामुळे तुलनात्मक दृष्ट्या मोठे परमप्रसर (स्थिर स्थितीपासून लंब दिशेने होणारे कमाल स्थानांतरण) असलेले तरंग निर्माण होतात. पदार्थ पाण्यात असल्यास पाण्यात अति-उच्च कंप्रता असलेले संपीडन (संकोच) तरंग निर्माण होतात. वरील चुंबकीय गुणधर्म वापरून समुद्राची खोली मोजण्याचे एक आधुनिक ध्वनित्र (ध्वनीचा शोध घेणारे साधन) तयार करण्यात आले आहे. त्याचप्रमाणे शत्रूच्या बुडालेल्या पाणबुड्यांचे शोध घेणे, आपल्या पाणबुडीशी संदेशसंपर्क ठेवणे यासाठीही याचा उपयोग करतात [→ सोनार व सोफार].
संदर्भ : 1. Astbury, N. F. Industrial Magnetic Testing, London, 1952.
2. Bates, L. F. Modern Magnetism, Cambridge, 1951.
3. Williams, S. R. Magnetic Phenomena – An Elementary Treatise, New York, 1931.
परांजपे, य. रा.
“