Paramagnetismus und Diamagnetismus

Um zu wissen, ob ein Element paramagnetisch oder diamagnetisch ist, muss man verstehen, wie diese Verhaltensweisen auftreten und was sie sind. Zunächst sollten Sie wissen, dass alle Materialien auf Magnetfelder reagieren. Das heißt, alle Materialien haben ein magnetisches Moment. Das magnetische Moment misst die Stärke und Richtung des Magnetismus eines Elements. Sie ist also eine Vektorgröße, also mit Betrag und Richtung. Andererseits ist Magnetismus die Kraft, die von Magneten erzeugt wird, wenn sie sich anziehen oder abstoßen.

Nun besteht jede Substanz aus kleinen Einheiten, die Atome genannt werden. Atome enthalten Elektronen, die elektrisch geladene Teilchen sind. Elektronen drehen sich wie Kreisel um den Atomkern. Der durch diese Bewegung erzeugte elektrische Strom bewirkt, dass jedes Elektron wie ein kleiner Magnet wirkt. Somit sind es die Elektronen, die die magnetischen Eigenschaften der Materie hervorrufen.

Der Magnetismus einer Substanz kann aufgehoben werden, da die meisten von ihnen eine gleiche Anzahl von Elektronen haben, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen. Damit es jedoch Magnetismus gibt, muss eine andere starke Substanz in das Magnetfeld eines vorhandenen Magneten eindringen.

Alle Magnete haben zwei Pole: Nordpol und Südpol. Bekanntlich ziehen sich entgegengesetzte Pole an und gleiche Pole stoßen sich ab. Wenn ein Stück Eisen über einen Magneten gerieben wird, richten sich die Nordpole der Eisenatome in die gleiche Richtung aus. Die von den ausgerichteten Atomen erzeugte Kraft erzeugt ein Magnetfeld. Hier ist das Eisenstück zum Magneten geworden.

Diese magnetische Kraft hat unterschiedliche Verhaltensweisen, darunter Paramagnetismus, Diamagnetismus und Ferromagnetismus.

Was ist Diamagnetismus?

Diese Art von Magnetismus ist charakteristisch für Materialien, die sich rechtwinklig zu einem ungleichmäßigen Magnetfeld ausrichten. Ebenso vertreiben die diamagnetischen Elemente das Magnetfeld, in dem sie sich befinden, teilweise aus ihrem Inneren. Diamagnetismus wurde erstmals 1778 von SJ Brugmans beobachtet, aber er wurde benannt und ab 1845 von Michael Faraday untersucht. Dieser und andere Wissenschaftler entdeckten, dass die meisten Verbindungen sowie einige Elemente diese Art von Magnetismus aufweisen, den sie „negativen“ Magnetismus nannten.

Dies liegt daran, dass diamagnetische Materialien kein magnetisches Nettomoment haben. Daher müssen sie das Vorhandensein eines angelegten Magnetfelds (H) aufweisen. Wenn jedoch ein externes Magnetfeld an ein diamagnetisches Material angelegt wird, erfahren die sich drehenden Elektronen eine Bewegung. Diese Bewegung, die einen elektrischen Strom erzeugt, wird als Bearbeitung bezeichnet und führt als Ergebnis zu einer Magnetisierung (M) in entgegengesetzter Richtung zu der des äußeren Magnetfelds. Daher haben diamagnetische Materialien eine kleine negative magnetische Suszeptibilität (χ) und eine etwas höhere Permeabilität als Vakuum (μ0). Der Suszeptibilitätswert ist jedoch temperaturunabhängig, was den Diamagnetismus nicht beeinflusst.

Diamagnetismus in festen Materialien wird auch durch das Lenzsche Gesetz erklärt. Darin heißt es, dass ein induzierter Strom die Elektronen, die die Atome umkreisen, beschleunigt oder verlangsamt, so dass sie der Wirkung des äußeren Feldes entgegenwirken. Das heißt, diamagnetische Atome werden von einem Magnetfeld nicht angezogen, sondern abgestoßen.

Paramagnetismus und Ferromagnetismus

Einerseits bezieht sich Paramagnetismus auf den magnetischen Zustand eines Atoms, das ein oder mehrere ungepaarte Elektronen besitzt. Ungepaarte Elektronen werden von einem Magnetfeld angezogen. Dies liegt an den magnetischen Dipolmomenten (Anziehungskraft zwischen zwei Atomen) der Elektronen. Die Hundsche Regel besagt, dass Elektronen alle Orbitale einzeln besetzen müssen, bevor ein Orbital zweimal besetzt wird. Wenn die Orbitale richtig gefüllt sind, bleiben die Atome mit ungepaarten Elektronen, die sich in jede Richtung bewegen. Somit wirken auch magnetische Momente in alle Richtungen, wodurch paramagnetische Atome von Magnetfeldern angezogen werden können.

Wenn sich andererseits ein Elektron allein in einem Orbital befindet, hat das Orbital einen Nettospin. Dies liegt daran, dass sich der Spin des einsamen Elektrons nicht aufhebt. Daher gilt ein Atom als paramagnetisch, wenn es mindestens ein paramagnetisches Elektron enthält. In einfachen Worten, ein Atom kann zehn gepaarte (diamagnetische) Elektronen und ein ungepaartes (paramagnetisches) Elektron haben. Ein solches Atom würde immer noch als paramagnetisches Atom betrachtet werden.

Lassen Sie uns nun sehen, woraus Ferromagnetismus besteht. Wenn die magnetischen Momente aller Atome im Gitter eines Materials parallel zueinander sind, werden sie als ferromagnetisch bezeichnet. Dies liegt daran, dass die magnetischen Domänen des Materials nur in eine Richtung ausgerichtet sind. Die Domänen des Materials bestimmen seine Magnetisierung mit dem Anlegen des Magnetfelds. Im Gegensatz zum Diamagnetismus nimmt die Ausrichtung magnetischer Momente in ferromagnetischem Material mit der Temperatur ab. Ebenso ist die Suszeptibilität von ferromagnetischen Materialien hoch.

So wie diamagnetische Atome von einem Magnetfeld leicht abgestoßen werden, werden paramagnetische Atome von einem Magnetfeld leicht angezogen.

Wie erkennt man, ob ein Stoff paramagnetisch oder diamagnetisch ist?

Wie wir gleich sehen werden, reicht es zur Bestimmung der magnetischen Eigenschaften einer Substanz aus, ihre elektronische Konfiguration zu untersuchen. So:

• Wenn es ungepaarte Elektronen hat, ist die Substanz paramagnetisch.
• Wenn alle Elektronen in einem Stoff gepaart sind, ist dieser Stoff diamagnetisch.

Dieser Verifizierungsprozess kann in drei Schritten durchgeführt werden:

1. Notieren Sie die elektronische Konfiguration des Stoffes.
2. Zeichnen Sie die Valenzorbitale.
3. Identifizieren Sie, ob die Substanz ungepaarte Elektronen hat.

Mit diesen Schritten können Sie bestimmen, welches magnetische Verhalten eine Substanz hat.

Beispiele für diamagnetische Elemente

• Wismut.
• Quecksilber.
• Silber.
• Kohlenstoff.
• Führen.
• Kupfer.

Beispiele für ferromagnetische Elemente

• Eisen.
• Nickel.
• Kobalt.
• Gadolinium.
• Dysprosium.

Beispiele für paramagnetische Elemente

• Uran.
• Platin.
• Aluminium.
• Natrium.
• Sauerstoff.

Quellen

• Magnetismus im geografischen Informationssystem (GIS) aus der National Geographic Education Resource Library.
• Magnetic Properties in LibreTexts Libraries, aufgerufen am 15. Februar 2021.