Paramagnetisme og diamagnetisme

For å vite om et element er paramagnetisk eller diamagnetisk, er det nødvendig å forstå hvordan disse atferdene oppstår og hva de er. Til å begynne med bør du vite at alle materialer opplever en form for reaksjon på magnetiske felt. Det vil si at alle materialer har et magnetisk moment. Det magnetiske momentet måler styrken og retningen til et elements magnetisme. Dermed er det en vektormengde, det vil si med størrelse og retning. På den annen side er magnetisme kraften som genereres av magneter når de tiltrekker eller frastøter hverandre.

Nå er alt stoff bygd opp av små enheter kalt atomer. Atomer inneholder elektroner, som er elektrisk ladede partikler. Elektroner spinner som topper rundt atomkjernen. Den elektriske strømmen som genereres av denne bevegelsen får hvert elektron til å fungere som en liten magnet. Dermed er det elektronene som gir opphav til materiens magnetiske egenskaper.

Magnetismen til et stoff kan oppheves, siden de fleste av disse har like mange elektroner som spinner i motsatte retninger. Men for at det skal være magnetisme, må et annet sterkt stoff komme inn i magnetfeltet til en eksisterende magnet.

Alle magneter har to poler: nordpol og sørpol. Som kjent tiltrekker motsatte poler og identiske poler frastøter. Når et stykke jern gnis over en magnet, retter de nordvendte polene til jernatomene seg i samme retning. Kraften som genereres av de justerte atomene genererer et magnetfelt. Her har jernbiten blitt en magnet.

Nevnte magnetiske kraft har forskjellig oppførsel, blant dem er paramagnetisme, diamagnetisme og ferromagnetisme.

Hva er diamagnetisme?

Denne typen magnetisme er karakteristisk for materialer som retter seg i rette vinkler til et uensartet magnetfelt. På samme måte driver de diamagnetiske elementene delvis ut fra sitt indre magnetfeltet de er funnet i. Diamagnetisme ble først observert i 1778 av SJ Brugmans, men den ble navngitt og studert fra 1845 av Michael Faraday. Denne og andre forskere oppdaget at de fleste forbindelser, så vel som noen grunnstoffer, viser denne typen magnetisme, som de kalte «negativ» magnetisme.

Dette er fordi diamagnetiske materialer ikke har et netto magnetisk moment. Derfor må de ha tilstedeværelsen av et påført magnetfelt (H). Men når et eksternt magnetfelt påføres et diamagnetisk materiale, opplever de spinnende elektronene bevegelse. Denne bevegelsen, som produserer en elektrisk strøm, er kjent som prosessering og gir som et resultat opphav til en magnetisering (M), i motsatt retning av det eksterne magnetfeltet. Derfor har diamagnetiske materialer en liten negativ magnetisk susceptibilitet (χ) og en litt høyere permeabilitet enn vakuum (μ0). Imidlertid er susceptibilitetsverdien uavhengig av temperatur, noe som ikke påvirker diamagnetismen.

Diamagnetisme i faste materialer er også forklart av Lenz’s lov. I denne står det at en indusert strøm akselererer eller bremser elektronene som går i bane rundt atomene, slik at de motsetter seg virkningen av det ytre feltet. Det vil si at diamagnetiske atomer ikke tiltrekkes av et magnetfelt, men frastøtes.

paramagnetisme og ferromagnetisme

På den ene siden refererer paramagnetisme til den magnetiske tilstanden til et atom som har ett eller flere uparrede elektroner. Uparede elektroner tiltrekkes av et magnetfelt. Dette skyldes de magnetiske dipolmomentene (tiltrekningskraften mellom to atomer) til elektronene. Hunds regel sier at elektroner må okkupere alle orbitaler individuelt før noen orbital er okkupert to ganger. Når orbitalene er riktig fylt, står atomene igjen med uparrede elektroner som beveger seg i alle retninger. Dermed virker magnetiske momenter også i alle retninger, slik at paramagnetiske atomer kan tiltrekkes av magnetiske felt.

På den annen side, når et elektron er alene i en orbital, har orbitalen et netto spinn. Dette er fordi spinnet til det ensomme elektronet ikke kansellerer. Derfor anses et atom for å være paramagnetisk når det inneholder minst ett paramagnetisk elektron. Med enkle ord kan et atom ha ti parede (diamagnetiske) elektroner og ett uparet (paramagnetisk) elektron. Et slikt atom vil fortsatt betraktes som et paramagnetisk atom.

La oss nå se hva ferromagnetisme består av. Når de magnetiske momentene til alle atomene i et materiales gitter er parallelle med hverandre, er de kjent som ferromagnetiske. Dette er fordi de magnetiske domenene til materialet er justert i bare én retning. Domenene til materialet bestemmer dets magnetisering ved påføring av magnetfeltet. I motsetning til diamagnetisme, avtar justeringene av magnetiske momenter i ferromagnetisk materiale med temperaturen. På samme måte er følsomheten til ferromagnetiske materialer høy.

Akkurat som diamagnetiske atomer blir litt frastøtt av et magnetfelt, blir paramagnetiske atomer litt tiltrukket av et magnetfelt.

Hvordan vite om et stoff er paramagnetisk eller diamagnetisk

Som vi skal se nå, for å bestemme de magnetiske egenskapene til et stoff, er det nok å undersøke dets elektroniske konfigurasjon. Så:

• Hvis den har uparrede elektroner, er stoffet paramagnetisk.
• Hvis alle elektronene i et stoff er sammenkoblet, er det stoffet diamagnetisk.

Denne bekreftelsesprosessen kan gjøres i tre trinn:

1. Skriv ned den elektroniske konfigurasjonen av stoffet.
2. Tegn valensorbitalene.
3. Identifiser om stoffet har uparrede elektroner.

Med disse trinnene vil du kunne bestemme hva slags magnetisk oppførsel et stoff har.

Eksempler på diamagnetiske elementer

• Vismut.
• Merkur.
• Sølv.
• Karbon.
• Lede.
• Kobber.

Eksempler på ferromagnetiske elementer

• Jern.
• Nikkel.
• Kobolt.
• Gadolinium.
• dysprosium.

Eksempler på paramagnetiske elementer

• Uran.
• Platina.
• Aluminium.
• Natrium.
• Oksygen.

Kilder

• Magnetism in the Geographic Information System (GIS) fra National Geographic Education Resource Library.
• Magnetic Properties på LibreTexts Libraries, åpnet 15. februar 2021.