Paramágnesesség: meghatározás és példák

A paramágnesesség egyes anyagok azon tulajdonsága, hogy mágneses térnek kitéve erő keletkezik, amely a mező eltávolításával eltűnik. Mielőtt elmagyaráznánk a paramágnesességet, először nézzünk meg néhány ötletet a mágnesességről és a mágneses mezőkről.

Mágnesesség és mágneses mezők

A mágnesesség egyike annak a három anyagkölcsönhatásnak, amelyet a klasszikus fizika, azaz a newtoni fizika a gravitációs vonzás és az elektromos kölcsönhatások mellett szemléltetett. Már régebben is megfigyelték, hogy bizonyos anyagok vonzzák a vasat, és az ókori Görögországból származik a „mágneses” kifejezés, amely egy ferromágneses tulajdonságokkal rendelkező vasásványhoz kapcsolódik. Aztán Kínában felfedezték a mágnesesség egyik alapvető alkalmazását, az iránytűt, amely egy mágnesezett tűt igazít a Föld mágneses mezőjébe, lehetővé téve a tájékozódást bármilyen földrajzi környezetben. A mágnesesség és az elektromosság összefügg egymással, amint azt Hans Christian Oersted először 1820-ban bizonyította, amikor megfigyelte, hogy az elektromos áram mágneses erőt hoz létre. A mozgó elektromos töltés mágneses teret, míg a mozgó mágneses mező elektromos áramot hoz létre. Ez az utolsó megállapítás az elektromos generátorok működési elve, amelyek egy mágneses mező motorral történő forgatásával elektromos áramot generálnak. A mozgásban lévő elektromos töltések és a mágneses mezők közötti kapcsolat elengedhetetlen a mágneses anyagok viselkedésének és a paramágnesességnek a megértéséhez.

Az elektron negatív elektromos töltés, és az atomban mozogva mágneses teret hoz létre; innen ered az anyagok mágneses tulajdonságai. Az elektronok és mozgásuk generálják az anyagok mágnesességét. Mágneses mező alatt az erők eloszlását értjük a mező forrása körüli egyes pontokban , amelyeknek megvan a nagysága , iránya és iránya .; A cikk bemutató ábrája egy mágnesrúd mágneses terét mutatja, annak két vonzási pólusával. Az elektronok és mozgásuk kétféleképpen hoznak létre mágneses teret, az atomban kifejlődött mozgástípusokkal összefüggésben: az atommag körüli keringési mozgás és önmagán való forgás, annak spinje. Ez utóbbi, a spin mágneses momentum, nagysága miatt a legfontosabb. Az atom mágneses momentuma az elektronok mágneses momentumainak összege. Az elektronok párban foglalják el az atompályákat, ellentétes irányú spinekkel; ugyanazon a pályán lévő elektronpárok spin mágneses momentuma nulla lesz. mivel akkor törlődnek, ha ellentétes irányuk van. Ezért csak a nem teljes pályájú atomok, amelyeknek csak egy elektronja van, nettó mágneses nyomatékuk lesz, és az intenzitás az egyetlen elektront tartalmazó pályák számától függ. A vasnak például 26 elektronja és 4 3 pályája van.d -t egyetlen elektron foglalja el; A 27 elektronból álló kobaltnak 3 3d pályája van, amelyeket egyetlen elektron foglal el .

Ferromágneses és ferrimágneses anyagok

Egy anyagban az atomi mágneses momentumok rendezetlenek, különböző irányokat követnek. Ha egy anyag összes atomi mágneses momentuma ugyanabban az irányban és ugyanabban az értelemben van elrendezve, összeadódnak, és az anyag mágnesezettségét generálják. Ebben az esetben van egy ferromágneses anyagunk, amelynek állandó mágneses mezője van. Az atomi mágneses momentumok ilyen sorrendje bizonyos anyagokban spontán módon jön létre, de ez nem csak az elemtől függ, hanem attól is, hogy mikroszkóposan hogyan szerveződik, és különösen a kristályszerkezettől. A spontán permanens mágnesezést generáló anyag különböző mágnesezési irányú mikroszkopikus szektorokból állhat, amint az a következő ábrán látható. Ebben az esetben,

A vas (Fe), a kobalt és a nikkel olyan elemek, amelyek akár elemként, akár molekulák részeként kristályos szerkezeteket alkotnak, és ferromágneses anyagokat alkotnak. A vasból álló ferromágneses vegyület a diferri vas-oxid, az Fe ₃ O ₄ , az úgynevezett magnetit, amelyből a mágneses kifejezés született.

Az atomi mágneses momentumok orientációjának másik módja egy anyagban lehet ugyanabban az irányban, de ellenkező irányban váltakozó vonalakban, amint az a következő ábrán látható. Mivel a mágneses momentum nagysága irányonként eltérő, a szerelvény nettó mágnesezettséggel rendelkezik. Ezeket az anyagokat ferrimágnesesnek nevezik, és a ferromágnesekhez hasonlóan tartósan mágnesezettek. A ferritek a legelterjedtebb ferrimágneses anyagok. A ferritek báriummal, cinkkel, kobalttal, stronciummal, mangánnal, molibdénnel vagy nikkellel ötvözött vasvegyületek csoportja, amelyek középpontos, köbös kristályos szerkezeteket alkotnak. Jelentőségük abban rejlik, hogy állandó mágnesezettségű anyagok, de nem elektromos vezetők, és nagyon jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Alkalmazási területei a hűtőszekrények mágneseitől a lézernyomtatók tintáiig terjednek. Ők alkották a korai számítógépek memóriamagját, porított formában adatrögzítő szalagokban és szalagokban, festékekben és sok más alkalmazásban használják őket.

paramágneses anyagok

Paramágneses az az anyag, amelynek atomi mágneses momentumai egy mágneses térben vannak rendezve, és ezért mágneses térbe helyezve erő hat, de amikor a külső mágneses tér megszűnik, atomi mágneses momentumai rendezetlenné válnak, és nem tartja meg a mágnesezettséget. A paramágneses anyagok néhány példája a vas-oxid (FeO) és az átmenetifém-komplexek: króm, réz, mangán, szkandium, titán és vanádium. De minden ferromágneses és ferrimágneses anyag paramágnesessé válik, ha egy bizonyos hőmérséklet fölé melegítik, amelyet Curie-hőmérsékletnek (T c ₎ neveznek . Például a vas Curie-hőmérséklete 770 ^o C, a kobalté 1127 ^o.C, a magnetité pedig 585 ^o C.

Paramágneses anyagokban a hőmérséklet befolyásolja azt a mágneses erőt, amely külső mágneses tér hatására az anyagban keletkezik, mivel a hőmérséklet emelkedésével az atomi mágneses momentumok sorrendje csökken. Ezt Curie törvénye fejezi ki. a következő kifejezéssel:

χ = C/T

ahol χ a mágneses szuszceptibilitás, T az abszolút hőmérséklet (kelvinben), C pedig egy anyagfüggő paraméter, a Curie-állandó.

Egy paramágneses anyag M mágnesezettsége a külső H mágneses tér intenzitásától is függ. A mágnesezettség kifejezése:

M = χH = (C/T)H

Ez a kifejezés magas hőmérsékletekre és gyenge külső mágneses mezőkre érvényes; azonban érvényét veszti, ha az összes atomi mágneses momentum közel áll a teljes egyezéshez. Ekkor még a külső mágneses tér növelése vagy a hőmérséklet csökkentése esetén sem lesz hatással az anyag mágnesezettségére, mivel az atomi mágneses momentumok sorrendje nem változik. Ez egy mágneses telítési pont .

A telítettség gondolata egyértelműen megfigyelhető a Curie-törvény ferromágneses anyagokra való kiterjesztésében az úgynevezett Curie-Weiss törvényben, bevezetve a korábban látott Curie-hőmérsékletet T _{c :}

χ = C/(TT _c )

Ennek a kifejezésnek csak a Curie-hőmérsékletnél magasabb hőmérsékleti értékek esetén van értelme, olyan helyzetben, amikor az anyag paramágnesesként viselkedik; a Curie-hőmérsékletnél kisebb vagy azzal egyenlő hőmérsékleti értékek esetén az anyag ferromágneses, és mágnesezettsége a lehető legnagyobb értéket veszi fel.

Források

Amikam Aharoni. Bevezetés a ferromágnesesség elméletébe . Második kiadás. Oxford University Press, 2000.

Rolf E. Hummel. Az anyagok elektronikus tulajdonságai . Springer, 2011.

WKH Panofski és M. Philips. Klasszikus elektromosság és mágnesesség . New York: Dover, 2005.

Anyagismereti alapok tanfolyam, UPV. https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm10/trb10_2.html