Paramagnetyzm: przyczyny, materiały paramagnetyczne, przykłady i różnice z diamagnetyzmem

Paramagnetyzm jest formą magnetyzmu, w którym pewne materiały są słabo przyciągane przez zewnętrzne pole magnetyczne i tworzą wewnętrzne pola magnetyczne indukowane w kierunku przyłożonego pola magnetycznego.

W przeciwieństwie do tego, co wielu ludzi często uważa, właściwości magnetyczne nie ograniczają się tylko do substancji ferromagnetycznych. Wszystkie substancje mają właściwości magnetyczne, choć w słabszej formie. Substancje te nazywane są paramagnetycznymi i diamagnetycznymi.

W ten sposób można wyróżnić dwa rodzaje substancji: paramagnetyczny i diamagnetyczny. W obecności pola magnetycznego te paramagnetyczne są przyciągane do obszaru, w którym natężenie pola jest większe. Z drugiej strony, diamagnetyczne są przyciągane do obszaru pola, w którym intensywność jest niższa.

W obecności pól magnetycznych materiały paramagnetyczne doświadczają tego samego rodzaju przyciągania i odpychania, jakich doświadczają magnesy. Jednak gdy pole magnetyczne znika, entropia kończy indukowane ustawienie magnetyczne.

Innymi słowy, materiały paramagnetyczne są przyciągane przez pola magnetyczne, chociaż nie są przekształcane w materiały trwale namagnesowane. Niektóre przykłady substancji paramagnetycznych to: powietrze, magnez, platyna, aluminium, tytan, wolfram i lit, między innymi.

Przyczyny

Paramagnetyzm wynika z faktu, że niektóre materiały składają się z atomów i cząsteczek, które mają trwałe momenty magnetyczne (lub dipole), nawet jeśli nie są w obecności pola magnetycznego.

Momenty magnetyczne powstają w wyniku niesparowanych elektronów metali i innych materiałów, które mają właściwości paramagnetyczne.

W czystym paramagnetyzmie dipole nie oddziałują ze sobą, ale są zorientowane losowo pod nieobecność zewnętrznego pola magnetycznego w wyniku mieszania termicznego. Generuje moment zerowy magnetyczny.

Jednakże, gdy stosuje się pole magnetyczne, dipole dążą do wyrównania z zastosowanym polem, co powoduje moment magnetyczny netto w kierunku wspomnianego pola i dodanie do pola zewnętrznego.

W każdym przypadku wyrównaniu dipoli można przeciwdziałać przez wpływ temperatury.

W ten sposób, gdy materiał jest ogrzewany, mieszanie termiczne jest w stanie przeciwdziałać efektowi, jaki pole magnetyczne ma na dipole, a momenty magnetyczne są reorientowane w sposób chaotyczny, zmniejszając intensywność indukowanego pola.

Prawo Curie

Prawo Curie zostało opracowane eksperymentalnie przez francuskiego fizyka Pierre'a Curie w roku 1896. Można je stosować tylko wtedy, gdy występują wysokie temperatury, a substancja paramagnetyczna jest w obecności słabych pól magnetycznych.

Dzieje się tak, ponieważ nie opisuje on paramagnetyzmu, gdy duża część momentów magnetycznych jest wyrównana.

Zgodnie z prawem magnetyzacja materiału paramagnetycznego jest wprost proporcjonalna do natężenia pola magnetycznego. Jest to tak zwane prawo Curie:

M = X ∙ H = CH / T

W poprzednim wzorze M jest magnetyzacją, H jest gęstością strumienia magnetycznego stosowanego pola magnetycznego, T jest temperaturą mierzoną w stopniach Kelvina, a C jest stałą, która jest specyficzna dla każdego materiału i nazywana jest stałą Curie.

Z obserwacji prawa Curie wynika również, że namagnesowanie jest odwrotnie proporcjonalne do temperatury. Z tego powodu, gdy materiał jest ogrzewany, dipole i momenty magnetyczne tracą orientację uzyskaną przez obecność pola magnetycznego.

Materiały paramagnetyczne

Materiały paramagnetyczne to wszystkie materiały o przenikalności magnetycznej (zdolność substancji do przyciągania lub przechodzenia przez pole magnetyczne) podobne do przenikalności magnetycznej próżni. Takie materiały wykazują nieznaczny poziom ferromagnetyzmu.

Pod względem fizycznym stwierdza się, że jego względna przenikalność magnetyczna (iloraz między przepuszczalnością materiału lub ośrodka a przepuszczalnością próżni) jest w przybliżeniu równa 1, co jest przenikalnością magnetyczną próżni.

Wśród materiałów paramagnetycznych istnieje szczególny rodzaj materiałów nazywanych superparamagnetycznymi. Chociaż są zgodne z prawem Curie, materiały te mają dość wysoką wartość stałej Curie.

Różnice między paramagnetyzmem a diamagnetyzmem

To Michael Faraday, który we wrześniu 1845 roku zdał sobie sprawę, że w rzeczywistości wszystkie materiały (nie tylko ferromagnetyki) reagują na obecność pól magnetycznych.

W każdym razie prawda jest taka, że ​​większość substancji ma charakter diamagnetyczny, ponieważ pary elektronów sparowane - a zatem o przeciwnych obrotach - słabo faworyzują diamagnetyzm. Przeciwnie, tylko gdy występują niesparowane elektrony, pojawia się diamagnetyzm.

Zarówno materiały paramagnetyczne, jak i diamagnetyczne mają słabą podatność na pola magnetyczne, ale podczas gdy w pierwszym są dodatnie w tym drugim, są ujemne.

Materiały diamagnetyczne są lekko odpychane przez pole magnetyczne; Z drugiej strony, te paramagnetyczne są przyciągane, choć także z niewielką siłą. W obu przypadkach, po usunięciu pola magnetycznego, efekty magnetyzacji znikają.

Jak już powiedziano, ogromna większość elementów składających się na układ okresowy jest diamagnetyczna. Tak więc przykładami substancji diamagnetycznych są woda, wodór, hel i złoto.

Aplikacje

Ponieważ materiały paramagnetyczne mają zachowanie podobne do próżni przy braku pola magnetycznego, ich zastosowania w przemyśle są nieco ograniczone.

Jednym z najciekawszych zastosowań paramagnetyzmu jest elektroniczny rezonans paramagnetyczny (RPE), który jest szeroko stosowany w fizyce, chemii i archeologii. Jest to technika spektroskopowa, w której możliwe jest wykrywanie gatunków z niesparowanymi elektronami.

Technika ta jest stosowana w fermentacjach, w przemysłowej produkcji polimerów, w zużyciu olejów silnikowych i w produkcji piw, między innymi. W ten sam sposób ta technika jest szeroko stosowana w datowaniu pozostałości archeologicznych.