Paramágnesesség és diamágnesesség

Ahhoz, hogy megtudjuk, hogy egy elem paramágneses-e vagy diamágneses-e, meg kell értenünk, hogyan fordulnak elő ezek a viselkedések és mik azok. Először is tudnia kell, hogy minden anyag valamilyen reakciót tapasztal a mágneses mezőkre. Vagyis minden anyagnak van mágneses momentuma. A mágneses momentum az elem mágnesességének erősségét és irányát méri. Ez tehát egy vektormennyiség, azaz nagyságrenddel és irányvonallal. Másrészt a mágnesesség az az erő, amelyet a mágnesek generálnak, amikor vonzzák vagy taszítják egymást.

Most minden anyag kis egységekből, úgynevezett atomokból áll. Az atomok elektronokat tartalmaznak, amelyek elektromosan töltött részecskék. Az elektronok csúcsként forognak az atommag körül. Az e mozgás által generált elektromos áram hatására minden elektron kis mágnesként működik. Így az elektronok okozzák az anyag mágneses tulajdonságait.

Egy anyag mágnesessége érvényteleníthető, mivel ezek többségében azonos számú elektron van, amelyek ellentétes irányban forognak. Ahhoz azonban, hogy mágneses legyen, egy másik erős anyagnak kell belépnie egy meglévő mágnes mágneses terébe.

Minden mágnesnek két pólusa van: északi és déli pólus. Mint ismeretes, az ellentétes pólusok vonzzák, az azonos pólusok taszítják. Amikor egy vasdarabot dörzsölnek át egy mágnesen, a vasatomok északi irányú pólusai ugyanabba az irányba helyezkednek el. Az egymáshoz igazodó atomok által generált erő mágneses teret hoz létre. Itt a vasdarab mágnessé vált.

Az említett mágneses erőnek különböző viselkedése van, köztük a paramágnesesség, a diamágnesesség és a ferromágnesesség.

Mi a diamágnesesség?

Ez a fajta mágnesesség olyan anyagokra jellemző, amelyek derékszögben helyezkednek el egy nem egyenletes mágneses térrel. Hasonlóképpen, a diamágneses elemek részben kiszorítják belsejéből azt a mágneses teret, amelyben megtalálhatók. A diamagnetizmust először 1778-ban SJ Brugmans figyelte meg, de 1845-től Michael Faraday nevezte el és tanulmányozta. Ez és más tudósok felfedezték, hogy a legtöbb vegyület, valamint egyes elemek ilyen típusú mágnesességet mutatnak, amelyet „negatív” mágnesességnek neveztek.

Ennek az az oka, hogy a diamágneses anyagoknak nincs nettó mágneses momentuma. Ezért alkalmazniuk kell egy alkalmazott mágneses mezőt (H). Ha azonban külső mágneses mezőt alkalmaznak egy diamágneses anyagra, a forgó elektronok mozgást tapasztalnak. Ezt a mozgást, amely elektromos áramot hoz létre, feldolgozásnak nevezik , és ennek eredményeként mágnesezést (M) idéz elő, a külső mágneses tér irányával ellentétes irányban. Ezért a diamágneses anyagoknak kicsi a negatív mágneses szuszceptibilitása (χ) és valamivel nagyobb a permeabilitása, mint a vákuumé (μ0). A szuszceptibilitási érték azonban független a hőmérséklettől, ami nem befolyásolja a diamágnesességet.

A szilárd anyagok diamágnesességét szintén Lenz törvénye magyarázza. Ebben az áll, hogy az indukált áram felgyorsítja vagy lelassítja az atomok körül keringő elektronokat, így azok szembeszállnak a külső tér hatásával. Vagyis a diamágneses atomokat nem vonzza a mágneses tér, hanem taszítja.

paramágnesesség és ferromágnesesség

Egyrészt a paramágnesesség egy olyan atom mágneses állapotára vonatkozik, amely egy vagy több párosítatlan elektront tartalmaz. A párosítatlan elektronokat mágneses tér vonzza. Ez az elektronok mágneses dipólusmomentumainak (két atom közötti vonzási erőnek) köszönhető. Hund szabálya szerint az elektronoknak egyenként minden pályát el kell foglalniuk, mielőtt bármelyik pályát kétszer elfoglalnák. Ha a pályák megfelelően meg vannak töltve, az atomok párosítatlan elektronokkal maradnak, amelyek bármely irányba mozognak. Így a mágneses momentumok is bármilyen irányba hatnak, lehetővé téve a paramágneses atomok mágneses terek általi vonzását.

Másrészt, ha egy elektron egyedül van egy pályán, akkor az orbitálnak nettó spinje van. Ennek az az oka, hogy a magányos elektron spinje nem törlődik. Ezért egy atomot akkor tekintünk paramágnesesnek, ha legalább egy paramágneses elektront tartalmaz. Egyszerűen fogalmazva, egy atomnak tíz páros (diamágneses) elektronja és egy párosítatlan (paramágneses) elektronja lehet. Az ilyen atomot továbbra is paramágneses atomnak tekintenék.

Lássuk most, miből áll a ferromágnesesség. Ha egy anyag rácsában lévő atomok mágneses momentumai párhuzamosak egymással, akkor ezeket ferromágnesesnek nevezzük. Ennek az az oka, hogy az anyag mágneses tartományai csak egy irányban helyezkednek el. Az anyag doménjei határozzák meg a mágnesességét a mágneses tér alkalmazásával. A diamágnesességgel ellentétben a ferromágneses anyagban a mágneses momentumok egymáshoz igazodása a hőmérséklettel csökken. Hasonlóképpen, a ferromágneses anyagok érzékenysége magas.

Ahogy a diamágneses atomokat kissé taszítja a mágneses tér, a paramágneses atomokat enyhén vonzza a mágneses tér.

Hogyan lehet tudni, hogy egy anyag paramágneses vagy diamágneses?

Amint azt most látni fogjuk, egy anyag mágneses tulajdonságainak meghatározásához elegendő megvizsgálni annak elektronikus konfigurációját. Így:

• Ha párosítatlan elektronjai vannak, az anyag paramágneses.
• Ha egy anyagban az összes elektron párosodik, akkor az anyag diamágneses.

Ez az ellenőrzési folyamat három lépésben hajtható végre:

1. Írja le az anyag elektronikus konfigurációját.
2. Rajzolja meg a vegyértékpályákat!
3. Határozza meg, hogy az anyagban vannak-e párosítatlan elektronok.

Ezekkel a lépésekkel meg tudja határozni, hogy egy anyag milyen mágneses viselkedést mutat.

Példák diamágneses elemekre

• Bizmut.
• Higany.
• Ezüst.
• Szén.
• Vezet.
• Réz.

Példák ferromágneses elemekre

• Vas.
• Nikkel.
• Kobalt.
• Gadolínium.
• diszprózium.

Példák paramágneses elemekre

• Uránium.
• Platina.
• Alumínium.
• Nátrium.
• Oxigén.

Források

• Magnetism in the Geographic Information System (GIS) a National Geographic Education Resource Library-ból.
• Mágneses tulajdonságok a LibreTexts könyvtárakban, elérve 2021. február 15-én.