Παραμαγνητισμός: ορισμός και παραδείγματα

Ο παραμαγνητισμός είναι η ιδιότητα ορισμένων υλικών στα οποία, όταν υποβάλλονται σε μαγνητικό πεδίο, δημιουργείται μια δύναμη, η οποία εξαφανίζεται όταν αφαιρεθεί το πεδίο. Πριν εξηγήσουμε τον παραμαγνητισμό, ας δούμε πρώτα μερικές ιδέες για τον μαγνητισμό και τα μαγνητικά πεδία.

Μαγνητισμός και μαγνητικά πεδία

Ο μαγνητισμός είναι μία από τις τρεις αλληλεπιδράσεις της ύλης που εξέτασε η κλασική φυσική, δηλαδή η Νευτώνεια φυσική, μαζί με τη βαρυτική έλξη και τις ηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις. Σε παλαιότερες εποχές είχε ήδη παρατηρηθεί ότι ορισμένα υλικά προσέλκυαν τον σίδηρο, και στην αρχαία Ελλάδα προέρχεται ο όρος «μαγνητικός», που σχετίζεται με ένα ορυκτό σιδήρου με σιδηρομαγνητικές ιδιότητες. Στη συνέχεια, μια θεμελιώδης εφαρμογή του μαγνητισμού ανακαλύφθηκε στην Κίνα, η πυξίδα, η οποία ευθυγραμμίζει μια μαγνητισμένη βελόνα στο μαγνητικό πεδίο της γης επιτρέποντας τον προσανατολισμό σε οποιοδήποτε γεωγραφικό περιβάλλον. Ο μαγνητισμός και ο ηλεκτρισμός σχετίζονται, όπως έδειξε για πρώτη φορά ο Hans Christian Oersted το 1820 όταν παρατήρησε ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα παρήγαγε μια μαγνητική δύναμη. Ένα κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο, ενώ ένα κινούμενο μαγνητικό πεδίο παράγει ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτή η τελευταία δήλωση είναι η αρχή λειτουργίας των ηλεκτρικών γεννητριών, οι οποίες περιστρέφοντας ένα μαγνητικό πεδίο με έναν κινητήρα δημιουργούν ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτή η συσχέτιση μεταξύ ηλεκτρικών φορτίων σε κίνηση και μαγνητικών πεδίων είναι απαραίτητη για την κατανόηση της συμπεριφοράς των μαγνητικών υλικών και του παραμαγνητισμού.

Ένα ηλεκτρόνιο είναι ένα αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο και η κίνηση σε ένα άτομο δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο. Αυτή είναι η προέλευση των μαγνητικών ιδιοτήτων των υλικών. Είναι τα ηλεκτρόνια και η κίνησή τους που δημιουργούν τον μαγνητισμό των υλικών. Ως μαγνητικό πεδίο νοείται η κατανομή των δυνάμεων σε κάθε σημείο γύρω από την πηγή του πεδίου , η οποία θα έχει μέγεθος , κατεύθυνση και κατεύθυνση .; Το σχήμα παρουσίασης του άρθρου δείχνει το μαγνητικό πεδίο μιας μαγνητικής ράβδου, με τους δύο πόλους έλξης της. Τα ηλεκτρόνια και η κίνησή τους δημιουργούν μαγνητικά πεδία με δύο τρόπους, που σχετίζονται με τους τύπους κίνησης που αναπτύσσουν στο άτομο: τροχιακή κίνηση γύρω από τον πυρήνα και περιστροφή στον εαυτό του, το σπιν του. Η τελευταία, η μαγνητική ροπή σπιν, είναι η πιο σημαντική λόγω του μεγέθους της. Η μαγνητική ροπή του ατόμου είναι το άθροισμα των μαγνητικών ροπών των ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν ατομικά τροχιακά σε ζεύγη, με σπιν σε αντίθετες κατευθύνσεις. η μαγνητική ροπή σπιν των ζευγών ηλεκτρονίων στο ίδιο τροχιακό θα είναι μηδέν. αφού ακυρώνουν όταν έχουν αντίθετες κατευθύνσεις. Επομένως, μόνο άτομα με τροχιακά που δεν είναι πλήρη, που έχουν μόνο ένα ηλεκτρόνιο, θα έχουν μια καθαρή μαγνητική ροπή και η ένταση θα εξαρτηθεί από τον αριθμό των τροχιακών με ένα μόνο ηλεκτρόνιο. Ο σίδηρος, για παράδειγμα, έχει 26 ηλεκτρόνια και 4 3 τροχιακά.d καταλαμβάνονται από ένα μόνο ηλεκτρόνιο. Το κοβάλτιο, με 27 ηλεκτρόνια, έχει 3 τρισδιάστατα τροχιακά που καταλαμβάνονται από ένα μόνο ηλεκτρόνιο.

Σιδηρομαγνητικά και σιδηρομαγνητικά υλικά

Σε ένα υλικό, οι ατομικές μαγνητικές ροπές είναι διαταραγμένες, ακολουθώντας διαφορετικές κατευθύνσεις. Όταν όλες οι ατομικές μαγνητικές ροπές ενός υλικού ταξινομούνται στην ίδια κατεύθυνση και με την ίδια έννοια, αθροίζονται και δημιουργούν τη μαγνήτιση του υλικού. Σε αυτή την περίπτωση έχουμε ένα σιδηρομαγνητικό υλικό, το οποίο έχει μόνιμο μαγνητικό πεδίο. Αυτή η διάταξη των ατομικών μαγνητικών ροπών δημιουργείται αυθόρμητα σε ορισμένα υλικά, αλλά δεν εξαρτάται μόνο από το στοιχείο, αλλά και από το πώς οργανώνεται μικροσκοπικά, και ειδικότερα από την κρυσταλλική δομή. Ένα υλικό που δημιουργεί αυθόρμητη μόνιμη μαγνήτιση μπορεί να αποτελείται από μικροσκοπικούς τομείς με διαφορετικές κατευθύνσεις μαγνήτισης, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σε αυτήν την περίπτωση,

Ο σίδηρος (Fe), το κοβάλτιο και το νικέλιο είναι μερικά στοιχεία που, είτε σχηματίζοντας κρυσταλλικές δομές ως στοιχεία είτε ως μέρος μορίων, αποτελούν σιδηρομαγνητικά υλικά. Μια σιδηρομαγνητική ένωση που αποτελείται από σίδηρο είναι το δισθενές οξείδιο του σιδήρου, Fe ₃ O ₄ , ο λεγόμενος μαγνητίτης, από τον οποίο προέκυψε ο όρος μαγνητικός.

Ένας άλλος τρόπος προσανατολισμού των ατομικών μαγνητικών ροπών σε ένα υλικό μπορεί να είναι στην ίδια κατεύθυνση αλλά στην αντίθετη κατεύθυνση σε εναλλασσόμενες γραμμές, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Δεδομένου ότι το μέγεθος της μαγνητικής ροπής είναι διαφορετικό για κάθε κατεύθυνση, το συγκρότημα έχει καθαρή μαγνήτιση. Αυτά τα υλικά ονομάζονται σιδηρομαγνητικά και, όπως τα σιδηρομαγνητικά, μαγνητίζονται μόνιμα. Οι φερρίτες είναι το πιο διαδεδομένο σιδηρομαγνητικό υλικό. Οι φερρίτες είναι μια ομάδα ενώσεων σιδήρου σε κράμα με βάριο, ψευδάργυρο, κοβάλτιο, στρόντιο, μαγγάνιο, μολυβδαίνιο ή νικέλιο, οι οποίες σχηματίζουν κεντραρισμένες κυβικές κρυσταλλικές δομές. Η σημασία τους έγκειται στο ότι είναι υλικά με μόνιμη μαγνήτιση αλλά δεν είναι αγωγοί του ηλεκτρισμού και έχουν πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες. Οι εφαρμογές του κυμαίνονται από μαγνήτες στα ψυγεία μέχρι μελάνι σε εκτυπωτές λέιζερ. Αποτέλεσαν τον πυρήνα μνήμης των πρώιμων υπολογιστών και σε μορφή σκόνης χρησιμοποιούνται σε ταινίες και ταινίες εγγραφής δεδομένων, σε χρώματα και σε πολλές άλλες εφαρμογές.

παραμαγνητικά υλικά

Ένα παραμαγνητικό υλικό είναι εκείνο του οποίου οι ατομικές μαγνητικές ροπές ταξινομούνται σε ένα μαγνητικό πεδίο, και το οποίο επομένως θα υπόκειται σε μια δύναμη όταν τοποθετηθεί σε ένα μαγνητικό πεδίο, αλλά όταν το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο παύει, οι ατομικές μαγνητικές ροπές του επιστρέφουν για να γίνουν διαταραγμένες και δεν διατηρούν μαγνήτιση. Μερικά παραδείγματα παραμαγνητικών υλικών είναι το οξείδιο του σιδήρου (FeO) και τα σύμπλοκα μετάλλων μεταπτώσεως: χρώμιο, χαλκός, μαγγάνιο, σκάνδιο, τιτάνιο και βανάδιο. Αλλά όλα τα σιδηρομαγνητικά και σιδηρομαγνητικά υλικά γίνονται παραμαγνητικά όταν θερμαίνονται πάνω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, που ονομάζεται θερμοκρασία Κιουρί (T c ₎ . Για παράδειγμα, η θερμοκρασία Curie του σιδήρου είναι 770 ^o C, αυτή του κοβαλτίου είναι 1127 ^oC και αυτό του μαγνητίτη 585 ^o C.

Στα παραμαγνητικά υλικά, η θερμοκρασία επηρεάζει τη μαγνητική δύναμη που δημιουργείται στο υλικό όταν εφαρμόζεται εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, καθώς όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, η σειρά των ατομικών μαγνητικών ροπών μειώνεται. Αυτό εκφράζεται στο νόμο του Κιουρί. με την ακόλουθη έκφραση:

χ = C/T

όπου χ είναι η μαγνητική επιδεκτικότητα, T είναι η απόλυτη θερμοκρασία (σε Kelvin) και C είναι μια εξαρτώμενη από το υλικό παράμετρος, η σταθερά Κιουρί.

Η μαγνήτιση M ενός παραμαγνητικού υλικού εξαρτάται επίσης από την ένταση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου H. Η έκφραση για τη μαγνήτιση είναι:

Μ = χΗ = (C/T)H

Αυτή η έκφραση ισχύει για υψηλές θερμοκρασίες και για ασθενή εξωτερικά μαγνητικά πεδία. Ωστόσο, χάνει την εγκυρότητά του όταν όλες οι ατομικές μαγνητικές ροπές πλησιάζουν στο να ευθυγραμμιστούν πλήρως. Σε αυτό το σημείο, ακόμη και αν το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο αυξηθεί ή μειωθεί η θερμοκρασία, δεν θα υπάρξει καμία επίδραση στη μαγνήτιση του υλικού, αφού δεν θα υπάρξει αλλαγή στη σειρά των ατομικών μαγνητικών ροπών. Αυτό είναι ένα μαγνητικό σημείο κορεσμού .

Η ιδέα του κορεσμού παρατηρείται ξεκάθαρα στην επέκταση του νόμου του Κιουρί στα σιδηρομαγνητικά υλικά στον λεγόμενο νόμο Curie-Weiss, εισάγοντας τη θερμοκρασία Curie T c _που είδαμε πριν:

χ = C/(TT _c )

Αυτή η έκφραση έχει νόημα μόνο για τιμές θερμοκρασίας μεγαλύτερες από τη θερμοκρασία Curie, μια κατάσταση στην οποία το υλικό συμπεριφέρεται ως παραμαγνητικό. για τιμές θερμοκρασίας μικρότερες ή ίσες με τη θερμοκρασία Κιουρί, το υλικό είναι σιδηρομαγνητικό και η μαγνήτισή του λαμβάνει τη μέγιστη δυνατή τιμή.

Πηγές

Amikam Aharoni. Εισαγωγή στη θεωρία του σιδηρομαγνητισμού . Δεύτερη έκδοση. Oxford University Press, 2000.

Rolf E. Hummel. Ηλεκτρονικές Ιδιότητες Υλικών . Springer, 2011.

WKH Panofski και M. Philips. Κλασικός ηλεκτρισμός και μαγνητισμός . Νέα Υόρκη: Dover, 2005.

Μάθημα βασικών υλικών, UPV. https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm10/trb10_2.html