Парамагнетизъм: определение и примери

Парамагнетизмът е свойство на някои материали, при които, когато са подложени на магнитно поле, се генерира сила, която изчезва, когато полето се премахне. Преди да обясним парамагнетизма, нека първо да разгледаме някои идеи за магнетизма и магнитните полета.

Магнетизъм и магнитни полета

Магнетизмът е едно от трите взаимодействия на материята, които класическата физика разглежда, тоест Нютоновата физика, заедно с гравитационното привличане и електрическите взаимодействия. В минали времена вече е било наблюдавано, че определени материали привличат желязото и именно в древна Гърция произлиза терминът „магнитен“, свързан с железен минерал с феромагнитни свойства. Тогава в Китай беше открито основно приложение на магнетизма, компасът, който подравнява намагнетизирана стрелка в земното магнитно поле, което позволява ориентация във всяка географска среда. Магнетизмът и електричеството са свързани, както за първи път демонстрира Ханс Кристиан Ерстед през 1820 г., когато забеляза, че електрическият ток създава магнитна сила. Движещ се електрически заряд генерира магнитно поле, докато движещо се магнитно поле генерира електрически ток. Това последно твърдение е принципът на работа на електрически генератори, които чрез въртене на магнитно поле с двигател генерират електрически ток. Тази връзка между електрическите заряди в движение и магнитните полета е от съществено значение за разбирането на поведението на магнитните материали и парамагнетизма.

Електронът е отрицателен електрически заряд и движението в атом генерира магнитно поле; това е произходът на магнитните свойства на материалите. Електроните и тяхното движение генерират магнетизма на материалите. Магнитното поле се разбира като разпределението на силите във всяка точка около източника на полето , което ще има величина , посока и посока .; Фигурата за представяне на статията показва магнитното поле на магнитен прът с неговите два полюса на привличане. Електроните и тяхното движение генерират магнитни полета по два начина, свързани с видовете движение, което развиват в атома: орбитално движение около ядрото и въртене върху себе си, неговото въртене. Последният, спиновият магнитен момент, е най-важен поради своята величина. Магнитният момент на атома е сумата от магнитните моменти на електроните. Електроните заемат атомни орбитали по двойки, със завъртания в противоположни посоки; спиновият магнитен момент на двойки електрони в една и съща орбитала ще бъде нула. тъй като те се отменят, когато имат противоположни посоки. Следователно само атоми с орбитали, които не са пълни, които имат само един електрон, те ще имат нетен магнитен момент и интензитетът ще зависи от броя на орбиталите само с един електрон. Желязото, например, има 26 електрона и 4 3 орбитали.d са заети от един електрон; Кобалтът, с 27 електрона, има 3 3d орбитали, заети от един електрон.

Феромагнитни и феримагнитни материали

В даден материал атомните магнитни моменти са неподредени, следвайки различни посоки. Когато всички атомни магнитни моменти на даден материал са подредени в една и съща посока и в същия смисъл, те се сумират и генерират намагнитването на материала. В този случай имаме феромагнитен материал, който има постоянно магнитно поле. Това подреждане на атомните магнитни моменти се генерира спонтанно в някои материали, но не зависи само от елемента, но и от това как е организиран микроскопски, и по-специално от кристалната структура. Материал, който генерира спонтанно постоянно намагнитване, може да бъде съставен от микроскопични сектори с различни посоки на намагнитване, както е показано на следващата фигура. В такъв случай,

Желязото (Fe), кобалтът и никелът са някои елементи, които, образувайки кристални структури като елементи или като част от молекули, представляват феромагнитни материали. Феромагнитно съединение, съставено от желязо, е двуферен железен оксид, Fe ₃ O ₄ , така нареченият магнетит, което е довело до термина магнитен.

Друг начин за ориентация на атомните магнитни моменти в даден материал може да бъде в същата посока, но в противоположна посока в редуващи се линии, както е показано на следващата фигура. Тъй като големината на магнитния момент е различна за всяка посока, модулът има нетно намагнитване. Тези материали се наричат ​​феримагнитни и, подобно на феромагнетиците, са постоянно намагнетизирани. Феритите са най-разпространеният феримагнитен материал. Феритите са група железни съединения, легирани с барий, цинк, кобалт, стронций, манган, молибден или никел, които образуват центрирани кубични кристални структури. Тяхното значение се крие във факта, че те са материали с постоянно намагнитване, но не са проводници на електричество и имат много добри механични свойства. Приложенията му варират от магнити в хладилници до мастило в лазерни принтери. Те формират ядрото на паметта на ранните компютри и в прахообразна форма се използват в ленти и ленти за запис на данни, в бои и в много други приложения.

парамагнитни материали

Парамагнитен материал е този, чиито атомни магнитни моменти са подредени в магнитно поле и който следователно ще бъде подложен на сила, когато бъде поставен в магнитно поле, но когато външното магнитно поле спре, неговите атомни магнитни моменти се връщат, за да станат неподредени и не запазва магнетизация. Някои примери за парамагнитни материали са железен оксид (FeO) и комплекси от преходни метали: хром, мед, манган, скандий, титан и ванадий. Но всички феромагнитни и феримагнитни материали стават парамагнитни при нагряване над определена температура, наречена температура на Кюри (T c ₎ . Например, температурата на Кюри на желязото е 770 ^o C, тази на кобалта е 1127 ^{o C}C и тази на магнетита 585 ^o C.

В парамагнитните материали температурата влияе върху магнитната сила, която се генерира в материала, когато се прилага външно магнитно поле, тъй като с повишаването на температурата подреждането на атомните магнитни моменти намалява. Това е изразено в закона на Кюри. чрез следния израз:

χ = C/T

където χ е магнитната чувствителност, T е абсолютната температура (в Келвин) и C е зависим от материала параметър, константата на Кюри.

Намагнитването M на парамагнитния материал също зависи от интензитета на външното магнитно поле H. Изразът за намагнитването е:

M = χH = (C/T)H

Този израз е валиден за високи температури и за слаби външни магнитни полета; обаче, той губи своята валидност, когато всички атомни магнитни моменти са почти напълно подравнени. В този момент, дори ако външното магнитно поле се увеличи или температурата се намали, няма да има ефект върху намагнитването на материала, тъй като няма да има промяна в подреждането на атомните магнитни моменти. Това е точка на магнитно насищане .

Идеята за насищане се наблюдава ясно в разширяването на закона на Кюри към феромагнитни материали в така наречения закон на Кюри-Вайс, въвеждайки температурата на Кюри T _c , която видяхме преди:

χ = C/(TT _c )

Този израз има смисъл само за температурни стойности, по-високи от температурата на Кюри, ситуация, в която материалът се държи като парамагнитен; за температурни стойности, по-малки или равни на температурата на Кюри, материалът е феромагнитен и неговата магнетизация приема максималната възможна стойност.

Източници

Амикам Ахарони. Въведение в теорията на феромагнетизма . Второ издание. Oxford University Press, 2000 г.

Ролф Е. Хумел. Електронни свойства на материалите . Springer, 2011.

WKH Panofski и M. Philips. Класическо електричество и магнетизъм . Ню Йорк: Доувър, 2005 г.

Курс по основи на материалите, UPV. https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm10/trb10_2.html