Paramagnetismus: Definition und Beispiele

Paramagnetismus ist die Eigenschaft einiger Materialien, bei denen, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden, eine Kraft erzeugt wird, die verschwindet, wenn das Feld entfernt wird. Bevor wir den Paramagnetismus erklären, schauen wir uns zunächst einige Ideen über Magnetismus und Magnetfelder an.

Magnetismus und Magnetfelder

Magnetismus ist neben der Gravitationsanziehung und den elektrischen Wechselwirkungen eine der drei Wechselwirkungen der Materie, die in der klassischen Physik, d. h. in der Newtonschen Physik, berücksichtigt wurden. Schon in früheren Zeiten wurde beobachtet, dass bestimmte Materialien Eisen anziehen, und aus dem antiken Griechenland stammt der Begriff „magnetisch“, verbunden mit einem Eisenmineral mit ferromagnetischen Eigenschaften. Dann wurde in China eine grundlegende Anwendung des Magnetismus entdeckt, der Kompass, der eine magnetisierte Nadel im Magnetfeld der Erde ausrichtet, um eine Orientierung in jeder geografischen Umgebung zu ermöglichen. Magnetismus und Elektrizität sind verwandt, wie Hans Christian Oersted erstmals 1820 demonstrierte, als er beobachtete, dass ein elektrischer Strom eine magnetische Kraft erzeugt. Eine sich bewegende elektrische Ladung erzeugt ein Magnetfeld, während ein sich bewegendes Magnetfeld einen elektrischen Strom erzeugt. Diese letzte Aussage ist das Funktionsprinzip von elektrischen Generatoren, die durch Drehen eines Magnetfelds mit einem Motor einen elektrischen Strom erzeugen. Diese Assoziation zwischen elektrischen Ladungen in Bewegung und Magnetfeldern ist wesentlich, um das Verhalten von magnetischen Materialien und Paramagnetismus zu verstehen.

Ein Elektron ist eine negative elektrische Ladung, und die Bewegung in einem Atom erzeugt ein Magnetfeld; Dies ist der Ursprung der magnetischen Eigenschaften von Materialien. Es sind die Elektronen und ihre Bewegung, die den Magnetismus von Materialien erzeugen. Das Magnetfeld wird als die Verteilung von Kräften an jedem Punkt um die Quelle des Feldes verstanden , die eine Größe , eine Richtung und eine Richtung haben .; Die Präsentationsfigur des Artikels zeigt das Magnetfeld eines Magnetstabes mit seinen zwei Anziehungspolen. Elektronen und ihre Bewegung erzeugen Magnetfelder auf zwei Arten, die mit den Bewegungsarten zusammenhängen, die sie im Atom entwickeln: Orbitalbewegung um den Kern und Rotation um sich selbst, seinen Spin. Letzteres, das magnetische Moment des Spins, ist aufgrund seiner Größe das wichtigste. Das magnetische Moment des Atoms ist die Summe der magnetischen Momente der Elektronen. Elektronen besetzen Atomorbitale paarweise mit Spins in entgegengesetzte Richtungen; Das magnetische Spinmoment von Elektronenpaaren im selben Orbital ist Null. da sie sich aufheben, wenn sie entgegengesetzte Richtungen haben. Daher sind nur Atome mit nicht vollständigen Orbitalen, die nur ein Elektron haben, Sie haben ein magnetisches Nettomoment, und die Intensität hängt von der Anzahl der Orbitale mit nur einem Elektron ab. Eisen zum Beispiel hat 26 Elektronen und 4 3 Orbitale.d sind von einem einzelnen Elektron besetzt; Kobalt mit 27 Elektronen hat 3 3d-Orbitale, die von einem einzelnen Elektron besetzt sind .

Ferromagnetische und ferrimagnetische Materialien

In einem Material sind die atomaren magnetischen Momente ungeordnet und folgen unterschiedlichen Richtungen. Wenn alle atomaren magnetischen Momente eines Materials in die gleiche Richtung und im gleichen Sinn geordnet sind, addieren sie sich und erzeugen die Magnetisierung des Materials. In diesem Fall haben wir ein ferromagnetisches Material, das ein permanentes Magnetfeld hat. Diese Anordnung atomarer magnetischer Momente wird in einigen Materialien spontan erzeugt, hängt aber nicht nur vom Element ab, sondern auch von seiner mikroskopischen Organisation und insbesondere von der Kristallstruktur. Ein Material, das spontane Permanentmagnetisierung erzeugt, kann aus mikroskopisch kleinen Sektoren mit unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen bestehen, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. In diesem Fall,

Eisen (Fe), Kobalt und Nickel sind einige Elemente, die entweder als Elemente oder als Teil von Molekülen kristalline Strukturen bilden und ferromagnetische Materialien darstellen. Eine ferromagnetische Verbindung aus Eisen ist Dieisen(III)-Eisenoxid, Fe ₃ O ₄ , das sogenannte Magnetit, aus dem der Begriff Magnet entstand.

Eine andere Art der Orientierung der atomaren magnetischen Momente in einem Material kann in der gleichen Richtung, aber in entgegengesetzter Richtung in abwechselnden Linien sein, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Da die Größe des magnetischen Moments für jede Richtung unterschiedlich ist, hat die Baugruppe eine Nettomagnetisierung. Diese Materialien werden als ferrimagnetisch bezeichnet und sind wie Ferromagnetika permanent magnetisiert. Ferrite sind das am weitesten verbreitete ferrimagnetische Material. Ferrite sind eine Gruppe von Eisenverbindungen, die mit Barium, Zink, Kobalt, Strontium, Mangan, Molybdän oder Nickel legiert sind und kubisch zentrierte Kristallstrukturen bilden. Ihre Bedeutung liegt darin, dass sie Materialien mit permanenter Magnetisierung, aber keine elektrischen Leiter sind, und sie haben sehr gute mechanische Eigenschaften. Seine Anwendungen reichen von Magneten in Kühlschränken bis hin zu Tinte in Laserdruckern. Sie bildeten den Speicherkern früher Computer und werden in Pulverform in Datenaufzeichnungsbändern und -bändern, in Farben und in vielen anderen Anwendungen verwendet.

paramagnetische Materialien

Ein paramagnetisches Material ist ein Material, dessen atomare magnetische Momente in einem Magnetfeld geordnet sind und das daher einer Kraft ausgesetzt wird, wenn es in ein Magnetfeld gebracht wird, aber wenn das äußere Magnetfeld aufhört, kehren seine atomaren magnetischen Momente zurück, um ungeordnet zu werden, und dies tut es auch Magnetisierung nicht behalten. Einige Beispiele für paramagnetische Materialien sind Eisenoxid (FeO) und Übergangsmetallkomplexe: Chrom, Kupfer, Mangan, Scandium, Titan und Vanadium. Aber alle ferromagnetischen und ferrimagnetischen Materialien werden paramagnetisch, wenn sie über eine bestimmte Temperatur erhitzt werden, die Curie-Temperatur (T c ₎ genannt wird . Beispielsweise beträgt die Curie-Temperatur von Eisen 770 ^o C, die von Kobalt 1127 ^oC und die von Magnetit 585 ^o C.

In paramagnetischen Materialien beeinflusst die Temperatur die magnetische Kraft, die im Material erzeugt wird, wenn ein externes Magnetfeld angelegt wird, da mit steigender Temperatur die Ordnung der atomaren magnetischen Momente abnimmt. Dies kommt im Curieschen Gesetz zum Ausdruck. durch den folgenden Ausdruck:

χ = C/T

wobei χ die magnetische Suszeptibilität, T die absolute Temperatur (in Kelvin) und C ein materialabhängiger Parameter, die Curie-Konstante, ist.

Die Magnetisierung M eines paramagnetischen Materials hängt auch von der Stärke des äußeren Magnetfeldes H ab. Der Ausdruck für die Magnetisierung lautet:

M = χH = (C/T)H

Dieser Ausdruck gilt für hohe Temperaturen und für schwache äußere Magnetfelder; es verliert jedoch seine Gültigkeit, wenn alle atomaren magnetischen Momente nahezu vollständig ausgerichtet sind. Selbst wenn das externe Magnetfeld an diesem Punkt erhöht oder die Temperatur verringert wird, wird es keine Auswirkung auf die Magnetisierung des Materials geben, da es keine Änderung in der Reihenfolge der atomaren magnetischen Momente geben wird. Dies ist ein magnetischer Sättigungspunkt .

Die Idee der Sättigung wird deutlich in der Erweiterung des Curie-Gesetzes auf ferromagnetische Materialien im sogenannten Curie-Weiss-Gesetz beobachtet, wobei die Curie-Temperatur T _c eingeführt wird , die wir zuvor gesehen haben:

χ = C/(TT _c )

Dieser Ausdruck ist nur für Temperaturwerte größer als die Curie-Temperatur sinnvoll, eine Situation, in der sich das Material wie paramagnetisch verhält; bei Temperaturwerten kleiner oder gleich der Curie-Temperatur ist das Material ferromagnetisch und seine Magnetisierung nimmt den maximal möglichen Wert an.

Quellen

Amikam Aharoni. Einführung in die Theorie des Ferromagnetismus . Zweite Ausgabe. Oxford University Press, 2000.

Rolf E. Hummel. Elektronische Eigenschaften von Materialien . Springer, 2011.

WKH Panofski und M. Philips. Klassische Elektrizität und Magnetismus . NewYork: Dover, 2005.

Grundlagen der Werkstoffkunde, UPV. https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm10/trb10_2.html