Paramagnetisme: definisjon og eksempler

Paramagnetisme er egenskapen til noen materialer der det, når de utsettes for et magnetisk felt, genereres en kraft, som forsvinner når feltet fjernes. Før vi forklarer paramagnetisme, la oss først se på noen ideer om magnetisme og magnetiske felt.

Magnetisme og magnetiske felt

Magnetisme er en av de tre interaksjonene av materie som klassisk fysikk tenkte på, det vil si newtonsk fysikk, sammen med gravitasjonsattraksjon og elektriske interaksjoner. I tidligere tider hadde det allerede blitt observert at visse materialer tiltrakk seg jern, og det er i antikkens Hellas hvor begrepet «magnetisk» stammer fra, assosiert med et jernmineral med ferromagnetiske egenskaper. Så ble en grunnleggende anvendelse av magnetisme oppdaget i Kina, kompasset, som retter inn en magnetisert nål i jordens magnetfelt som tillater orientering i ethvert geografisk miljø. Magnetisme og elektrisitet er relatert, som Hans Christian Oersted først demonstrerte i 1820 da han observerte at en elektrisk strøm produserte en magnetisk kraft. En elektrisk ladning i bevegelse genererer et magnetfelt, mens et bevegelig magnetfelt genererer en elektrisk strøm. Denne siste uttalelsen er prinsippet om drift av elektriske generatorer, som ved å rotere et magnetfelt med en motor genererer en elektrisk strøm. Denne assosiasjonen mellom elektriske ladninger i bevegelse og magnetiske felt er avgjørende for å forstå oppførselen til magnetiske materialer og paramagnetisme.

Et elektron er en negativ elektrisk ladning, og bevegelse i et atom genererer et magnetfelt; dette er opprinnelsen til de magnetiske egenskapene til materialer. Det er elektronene og deres bevegelse som genererer magnetismen til materialer. Magnetfeltet forstås som fordelingen av krefter ved hvert punkt rundt kilden til feltet , som vil ha en størrelse , en retning og en retning .; Presentasjonsfiguren til artikkelen viser magnetfeltet til en magnetstang, med sine to tiltrekningspoler. Elektroner og deres bevegelse genererer magnetiske felt på to måter, assosiert med bevegelsestypene de utvikler i atomet: orbital bevegelse rundt kjernen og rotasjon på seg selv, dens spinn. Det siste, det spinnmagnetiske momentet, er det viktigste på grunn av dets størrelse. Atomets magnetiske moment er summen av de magnetiske momentene til elektronene. Elektroner okkuperer atomorbitaler i par, med spinn i motsatte retninger; det magnetiske spinnmomentet til elektronpar i samme orbital vil være null. siden de avbryter når de har motsatt retning. Derfor er det bare atomer med orbitaler som ikke er komplette, som bare har ett elektron, de vil ha et netto magnetisk moment, og intensiteten vil avhenge av antall orbitaler med bare ett elektron. Jern har for eksempel 26 elektroner og 4 3 orbitaler.d er okkupert av et enkelt elektron; Kobolt, med 27 elektroner, har 3 3d orbitaler okkupert av et enkelt elektron.

Ferromagnetiske og ferrimagnetiske materialer

I et materiale er de atomiske magnetiske momentene uordnet, og følger forskjellige retninger. Når alle de atomiske magnetiske momentene til et materiale er ordnet i samme retning og i samme forstand, legger de sammen og genererer magnetiseringen av materialet. I dette tilfellet har vi et ferromagnetisk materiale, som har et permanent magnetfelt. Denne rekkefølgen av atomiske magnetiske momenter genereres spontant i noen materialer, men den avhenger ikke bare av grunnstoffet, men også av hvordan det er organisert mikroskopisk, og spesielt av den krystallinske strukturen. Et materiale som genererer spontan permanent magnetisering kan være sammensatt av mikroskopiske sektorer med forskjellige magnetiseringsretninger, som vist i følgende figur. I dette tilfellet,

Jern (Fe), kobolt og nikkel er noen grunnstoffer som enten danner krystallinske strukturer som elementer eller som en del av molekyler, utgjør ferromagnetiske materialer. En ferromagnetisk forbindelse som består av jern er diferrisk jernoksid, Fe ₃ O ₄ , den såkalte magnetitten, som ga opphav til begrepet magnetisk.

En annen måte for orientering av de atomiske magnetiske momentene i et materiale kan være i samme retning, men i motsatt retning i vekslende linjer, som vist i følgende figur. Siden størrelsen på det magnetiske momentet er forskjellig for hver retning, har enheten en netto magnetisering. Disse materialene kalles ferrimagnetiske og er i likhet med ferromagnetikk permanent magnetisert. Ferritter er det mest utbredte ferrimagnetiske materialet. Ferritter er en gruppe jernforbindelser legert med barium, sink, kobolt, strontium, mangan, molybden eller nikkel, som danner sentrerte kubiske krystallinske strukturer. Deres betydning ligger i det faktum at de er materialer med permanent magnetisering, men de er ikke ledere av elektrisitet, og de har svært gode mekaniske egenskaper. Bruksområdene spenner fra magneter i kjøleskap til blekk i laserskrivere. De dannet minnekjernen til tidlige datamaskiner, og i pulverform brukes de i dataopptaksbånd og -bånd, i maling og i mange andre applikasjoner.

paramagnetiske materialer

Et paramagnetisk materiale er et materiale hvis atomiske magnetiske momenter er ordnet i et magnetfelt, og som derfor vil bli utsatt for en kraft når det plasseres i et magnetfelt, men når det ytre magnetiske feltet opphører, går dets atomiske magnetiske momenter tilbake til å bli uordnede og gjør ikke beholde magnetisering. Noen eksempler på paramagnetiske materialer er jernoksid (FeO) og overgangsmetallkomplekser: krom, kobber, mangan, skandium, titan og vanadium. Men alle ferromagnetiske og ferrimagnetiske materialer blir paramagnetiske når de varmes opp over en viss temperatur, kalt Curie-temperaturen (T c ₎ . For eksempel er Curie-temperaturen til jern 770 ^o C, den for kobolt er 1127 ^oC og magnetitt 585 ^o C.

I paramagnetiske materialer påvirker temperaturen den magnetiske kraften som genereres i materialet når et eksternt magnetfelt påføres, siden når temperaturen øker, avtar rekkefølgen av atomiske magnetiske momenter. Dette kommer til uttrykk i Curies lov. ved følgende uttrykk:

χ = C/T

hvor χ er den magnetiske susceptibiliteten, T er den absolutte temperaturen (i Kelvin) og C er en materialavhengig parameter, Curie-konstanten.

Magnetiseringen M av et paramagnetisk materiale avhenger også av intensiteten til det ytre magnetfeltet H. Uttrykket for magnetiseringen er:

M = xH = (C/T)H

Dette uttrykket er gyldig for høye temperaturer og for svake eksterne magnetiske felt; den mister imidlertid sin gyldighet når alle atommagnetiske momenter er nær ved å være helt på linje. På det tidspunktet, selv om det eksterne magnetfeltet økes eller temperaturen reduseres, vil det ikke være noen effekt på magnetiseringen av materialet, siden det ikke vil være noen endring i rekkefølgen av de atomiske magnetiske momentene. Dette er et magnetisk metningspunkt .

Ideen om metning er tydelig observert i utvidelsen av Curies lov til ferromagnetiske materialer i den såkalte Curie-Weiss-loven, og introduserer Curie-temperaturen T _c som vi så før:

χ = C/(TT _c )

Dette uttrykket gir mening bare for temperaturverdier høyere enn Curie-temperaturen, en situasjon der materialet oppfører seg som paramagnetisk; for temperaturverdier mindre enn eller lik Curie-temperaturen, er materialet ferromagnetisk og magnetiseringen tar den maksimalt mulige verdien.

Kilder

Amikam Aharoni. Introduksjon til teorien om ferromagnetisme . Andre utgave. Oxford University Press, 2000.

Rolf E. Hummel. Elektroniske egenskaper for materialer . Springer, 2011.

WKH Panofski og M. Philips. Klassisk elektrisitet og magnetisme . New York: Dover, 2005.

Grunnleggende materialkurs, UPV. https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm10/trb10_2.html