Paramagnetismi: määritelmä ja esimerkkejä

Paramagnetismi on joidenkin materiaalien ominaisuus, jossa magneettikenttään joutuessaan syntyy voima, joka häviää, kun kenttä poistetaan. Ennen kuin selitämme paramagnetismin, katsotaanpa ensin joitain ideoita magnetismista ja magneettikentistä.

Magnetismi ja magneettikentät

Magnetismi on yksi kolmesta aineen vuorovaikutuksesta, joita klassinen fysiikka, toisin sanoen newtonilainen fysiikka, pohti, gravitaatiovoiman ja sähköisten vuorovaikutusten ohella. Aikaisemmin oli jo havaittu, että tietyt materiaalit vetivät puoleensa rautaa, ja antiikin Kreikassa termi ”magneettinen” on peräisin, ja se yhdistettiin rautamineraattiin, jolla on ferromagneettisia ominaisuuksia. Sitten Kiinassa löydettiin magnetismin perustavanlaatuinen sovellus, kompassi, joka kohdistaa magnetoidun neulan maan magneettikenttään mahdollistaen suuntautumisen missä tahansa maantieteellisessä ympäristössä. Magnetismi ja sähkö liittyvät toisiinsa, kuten Hans Christian Oersted osoitti ensimmäisen kerran vuonna 1820, kun hän havaitsi, että sähkövirta synnytti magneettisen voiman. Liikkuva sähkövaraus synnyttää magneettikentän, kun taas liikkuva magneettikenttä tuottaa sähkövirran. Tämä viimeinen väite on sähkögeneraattoreiden toimintaperiaate, jotka pyörittämällä magneettikenttää moottorilla tuottavat sähkövirran. Tämä yhteys liikkeessä olevien sähkövarausten ja magneettikenttien välillä on olennainen magneettisten materiaalien käyttäytymisen ja paramagnetismin ymmärtämiseksi.

Elektroni on negatiivinen sähkövaraus, ja liikkuminen atomissa synnyttää magneettikentän; tämä on materiaalien magneettisten ominaisuuksien alkuperä. Elektronit ja niiden liike synnyttävät materiaalien magnetismin. Magneettikenttä ymmärretään voimien jakautumiseksi kussakin pisteessä kentän lähteen ympärillä , jolla on suuruus , suunta ja suunta .; Artikkelin esityskuvassa on esitetty magneettitangon magneettikenttä ja sen kaksi vetonapaa. Elektronit ja niiden liike synnyttävät magneettikenttiä kahdella tavalla, jotka liittyvät niiden liiketyyppeihin, joita ne kehittävät atomissa: kiertoradalla liike ytimen ympäri ja pyöriminen itsensä päällä, sen spin. Jälkimmäinen, spin-magneettinen momentti, on sen suuruudesta johtuen tärkein. Atomin magneettinen momentti on elektronien magneettisten momenttien summa. Elektronit miehittävät atomikiertoradat pareittain pyörien vastakkaisiin suuntiin; samalla kiertoradalla olevien elektroniparien spin-magneettinen momentti on nolla. koska ne peruuntuvat, kun niillä on vastakkaiset suunnat. Siksi vain atomit, joiden kiertoradat eivät ole täydellisiä ja joilla on vain yksi elektroni, niillä on nettomagneettinen momentti, ja intensiteetti riippuu vain yhden elektronin sisältävien kiertoratojen lukumäärästä. Esimerkiksi raudalla on 26 elektronia ja 43 orbitaalia.d ovat yhden elektronin miehittämiä; Koboltilla, jossa on 27 elektronia, on 3 3d-orbitaalia, joissa yksi elektroni on käytössä .

Ferromagneettiset ja ferrimagneettiset materiaalit

Materiaalissa atomien magneettiset momentit ovat epäjärjestyksessä eri suuntiin. Kun kaikki materiaalin atomimagneettiset momentit on järjestetty samaan suuntaan ja samassa mielessä, ne summautuvat ja synnyttävät materiaalin magnetisoitumisen. Tässä tapauksessa meillä on ferromagneettinen materiaali, jolla on pysyvä magneettikenttä. Tämä atomien magneettisten momenttien järjestys syntyy joissakin materiaaleissa spontaanisti, mutta se ei riipu vain alkuaineesta, vaan myös siitä, miten se on mikroskooppisesti organisoitunut, ja erityisesti kiderakenteesta. Spontaania kestomagnetoitumista synnyttävä materiaali voi koostua mikroskooppisista sektoreista, joilla on eri magnetointisuunnat, kuten seuraavassa kuvassa näkyy. Tässä tapauksessa,

Rauta (Fe), koboltti ja nikkeli ovat joitakin alkuaineita, jotka joko muodostavat kiteisiä rakenteita alkuaineina tai osana molekyylejä, muodostavat ferromagneettisia materiaaleja. Raudasta koostuva ferromagneettinen yhdiste on diferriferrooksidi, Fe ₃ O ₄ , niin kutsuttu magnetiitti, josta syntyi termi magneettinen.

Toinen tapa atomien magneettisten momenttien suuntaamiseksi materiaalissa voi olla samassa suunnassa, mutta vastakkaisessa suunnassa vuorotellen, kuten seuraavassa kuvassa näkyy. Koska magneettisen momentin suuruus on erilainen joka suunnassa, kokoonpanossa on nettomagnetointi. Näitä materiaaleja kutsutaan ferrimagneettisiksi ja ne ovat ferromagneettisten tavoin pysyvästi magnetoituneita. Ferriitit ovat yleisin ferrimagneettinen materiaali. Ferriitit ovat ryhmä rautayhdisteitä, jotka on seostettu bariumin, sinkin, koboltin, strontiumin, mangaanin, molybdeenin tai nikkelin kanssa ja jotka muodostavat keskitettyjä kuutiokiteisiä rakenteita. Niiden merkitys on siinä, että ne ovat kestomagnetoituneita materiaaleja, mutta ne eivät ole sähkönjohtimia, ja niillä on erittäin hyvät mekaaniset ominaisuudet. Sen sovellukset vaihtelevat jääkaapin magneeteista lasertulostimien musteeseen. Ne muodostivat varhaisten tietokoneiden muistiytimen, ja jauhemaisessa muodossa niitä käytetään tiedontallennusnauhoissa ja -nauhoissa, maaleissa ja monissa muissa sovelluksissa.

paramagneettiset materiaalit

Paramagneettinen materiaali on materiaalia, jonka atomiset magneettiset momentit ovat järjestyneet magneettikentässä ja johon siksi kohdistuu voima, kun se asetetaan magneettikenttään, mutta kun ulkoinen magneettikenttä lakkaa, sen atomiset magneettiset momentit palaavat epäjärjestyneiksi ja muuttuvat ei säilytä magnetointia. Joitakin esimerkkejä paramagneettisista materiaaleista ovat rautaoksidi (FeO) ja siirtymämetallikompleksit: kromi, kupari, mangaani, skandium, titaani ja vanadiini. Mutta kaikki ferromagneettiset ja ferrimagneettiset materiaalit muuttuvat paramagneettisiksi, kun niitä kuumennetaan yli tietyn lämpötilan, jota kutsutaan Curie-lämpötilaksi (T c ₎ . Esimerkiksi raudan Curie-lämpötila on 770 ^o C, koboltin 1127 ^{o C.}C ja magnetiitin 585 ^o C.

Paramagneettisissa materiaaleissa lämpötila vaikuttaa magneettiseen voimaan, joka syntyy materiaalissa, kun ulkoinen magneettikenttä kohdistetaan, koska lämpötilan noustessa atomien magneettisten momenttien järjestys vähenee. Tämä ilmaistaan ​​Curien laissa. seuraavalla lausekkeella:

χ = C/T

missä χ on magneettinen susceptibiliteetti, T on absoluuttinen lämpötila (kelvineinä) ja C on materiaalista riippuva parametri, Curie-vakio.

Paramagneettisen materiaalin magnetoituminen M riippuu myös ulkoisen magneettikentän H intensiteetistä. Magnetoitumisen lauseke on:

M = χH = (C/T)H

Tämä lauseke pätee korkeille lämpötiloille ja heikoille ulkoisille magneettikentille; Se kuitenkin menettää pätevyyden, kun kaikki atomin magneettiset momentit ovat lähellä täysin kohdakkain. Siinä vaiheessa, vaikka ulkoista magneettikenttää lisättäisiin tai lämpötilaa laskettaisiin, materiaalin magnetoitumiseen ei ole vaikutusta, koska atomien magneettisten momenttien järjestykseen ei tapahdu muutosta. Tämä on magneettinen kyllästyspiste .

Kyllästymisen ajatus on selvästi havaittavissa Curien lain laajentamisessa ferromagneettisiin materiaaleihin ns. Curie-Weissin laissa, jossa otetaan käyttöön Curie-lämpötila T _c , jonka näimme aiemmin:

χ = C/(TT _c )

Tämä lauseke on järkevä vain Curie-lämpötilaa suuremmille lämpötila-arvoille, tilanteessa, jossa materiaali käyttäytyy paramagneettisena; lämpötila-arvoille, jotka ovat pienempiä tai yhtä suuria kuin Curie-lämpötila, materiaali on ferromagneettista ja sen magnetointi saa suurimman mahdollisen arvon.

Lähteet

Amikam Aharoni. Johdatus ferromagnetismin teoriaan . Toinen painos. Oxford University Press, 2000.

Rolf E. Hummel. Materiaalien elektroniset ominaisuudet . Springer, 2011.

WKH Panofski ja M. Philips. Klassinen sähkö ja magnetismi . New York: Dover, 2005.

Materiaalin perusteet -kurssi, UPV. https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm10/trb10_2.html