Paramagnetyzm: definicja i przykłady

Paramagnetyzm jest właściwością niektórych materiałów, w których pod wpływem pola magnetycznego generowana jest siła, która zanika po usunięciu pola. Zanim wyjaśnimy paramagnetyzm, przyjrzyjmy się najpierw kilku pomysłom na temat magnetyzmu i pól magnetycznych.

Magnetyzm i pola magnetyczne

Magnetyzm jest jednym z trzech oddziaływań materii, które rozważała fizyka klasyczna, czyli fizyka newtonowska, obok przyciągania grawitacyjnego i oddziaływań elektrycznych. Już w przeszłości zauważono, że pewne materiały przyciągają żelazo i to właśnie w starożytnej Grecji wywodzi się termin „magnetyczny”, związany z minerałem żelaza o właściwościach ferromagnetycznych. Następnie w Chinach odkryto podstawowe zastosowanie magnetyzmu, kompas, który ustawia namagnesowaną igłę w ziemskim polu magnetycznym, umożliwiając orientację w dowolnym środowisku geograficznym. Magnetyzm i elektryczność są ze sobą powiązane, co po raz pierwszy wykazał Hans Christian Oersted w 1820 r., kiedy zauważył, że prąd elektryczny wytwarza siłę magnetyczną. Poruszający się ładunek elektryczny wytwarza pole magnetyczne, podczas gdy poruszające się pole magnetyczne generuje prąd elektryczny. To ostatnie stwierdzenie jest zasadą działania generatorów elektrycznych, które poprzez wirowanie pola magnetycznego wraz z silnikiem generują prąd elektryczny. Ten związek między ładunkami elektrycznymi w ruchu a polami magnetycznymi jest niezbędny do zrozumienia zachowania materiałów magnetycznych i paramagnetyzmu.

Elektron ma ujemny ładunek elektryczny, a poruszanie się w atomie generuje pole magnetyczne; stąd biorą się właściwości magnetyczne materiałów. To elektrony i ich ruch generują magnetyzm materiałów. Pole magnetyczne jest rozumiane jako rozkład sił w każdym punkcie wokół źródła pola , który będzie miał wielkość , kierunek i kierunek .; Rysunek prezentacyjny artykułu przedstawia pole magnetyczne pręta magnetycznego z dwoma biegunami przyciągania. Elektrony i ich ruch generują pola magnetyczne na dwa sposoby, związane z rodzajami ruchu, jaki rozwijają w atomie: ruchem orbitalnym wokół jądra i ruchem obrotowym wokół siebie, czyli jego spinem. Ten ostatni, spinowy moment magnetyczny, jest najważniejszy ze względu na swoją wielkość. Moment magnetyczny atomu jest sumą momentów magnetycznych elektronów. Elektrony zajmują orbitale atomowe parami, ze spinami w przeciwnych kierunkach; spinowy moment magnetyczny par elektronów na tym samym orbicie będzie równy zeru. ponieważ znoszą się, gdy mają przeciwne kierunki. Dlatego tylko atomy z orbitalami, które nie są kompletne, które mają tylko jeden elektron, będą miały wypadkowy moment magnetyczny, a intensywność będzie zależała od liczby orbitali z tylko jednym elektronem. Na przykład żelazo ma 26 elektronów i 4 3 orbitale.d są zajęte przez pojedynczy elektron; Kobalt z 27 elektronami ma 3 orbitale 3d zajmowane przez pojedynczy elektron.

Materiały ferromagnetyczne i ferrimagnetyczne

W materiale atomowe momenty magnetyczne są nieuporządkowane i podążają w różnych kierunkach. Kiedy wszystkie atomowe momenty magnetyczne materiału są uporządkowane w tym samym kierunku iw tym samym kierunku, sumują się i generują namagnesowanie materiału. W tym przypadku mamy do czynienia z materiałem ferromagnetycznym, który ma stałe pole magnetyczne. To uporządkowanie atomowych momentów magnetycznych jest generowane spontanicznie w niektórych materiałach, ale nie zależy tylko od pierwiastka, ale także od tego, jak jest on zorganizowany mikroskopowo, aw szczególności od struktury krystalicznej. Materiał, który generuje spontaniczne namagnesowanie trwałe, może składać się z mikroskopijnych sektorów o różnych kierunkach namagnesowania, jak pokazano na poniższym rysunku. W tym przypadku,

Żelazo (Fe), kobalt i nikiel to niektóre pierwiastki, które tworząc struktury krystaliczne jako pierwiastki lub jako część cząsteczek, stanowią materiały ferromagnetyczne. Związek ferromagnetyczny składający się z żelaza to dwutlenek żelazawy Fe ₃ O ₄ , tak zwany magnetyt, od którego pochodzi termin magnetyczny.

Inny sposób orientacji atomowych momentów magnetycznych w materiale może przebiegać w tym samym kierunku, ale w przeciwnym kierunku, w naprzemiennych liniach, jak pokazano na poniższym rysunku. Ponieważ wielkość momentu magnetycznego jest różna dla każdego kierunku, zespół ma namagnesowanie wypadkowe. Materiały te nazywane są ferrimagnetykami i podobnie jak ferromagnetyki są trwale namagnesowane. Ferryty są najbardziej rozpowszechnionym materiałem ferrimagnetycznym. Ferryty to grupa związków żelaza stopowych z barem, cynkiem, kobaltem, strontem, manganem, molibdenem lub niklem, które tworzą krystaliczne sześcienne struktury centrowane. Ich znaczenie polega na tym, że są materiałami o trwałym namagnesowaniu, ale nie przewodzą prądu i mają bardzo dobre właściwości mechaniczne. Jego zastosowania sięgają od magnesów w lodówkach po atrament w drukarkach laserowych. Stanowiły rdzeń pamięci wczesnych komputerów, aw postaci sproszkowanej są używane w taśmach i taśmach do zapisu danych, w farbach iw wielu innych zastosowaniach.

materiały paramagnetyczne

Materiał paramagnetyczny to taki, którego atomowe momenty magnetyczne są uporządkowane w polu magnetycznym i który w związku z tym po umieszczeniu w polu magnetycznym będzie podlegał działaniu siły, ale gdy zewnętrzne pole magnetyczne ustanie, jego atomowe momenty magnetyczne powracają do stanu nieuporządkowanego i nie nie zatrzymują namagnesowania. Przykładami materiałów paramagnetycznych są tlenek żelaza (FeO) i kompleksy metali przejściowych: chrom, miedź, mangan, skand, tytan i wanad. Ale wszystkie materiały ferromagnetyczne i ferrimagnetyczne stają się paramagnetyczne po podgrzaniu powyżej pewnej temperatury, zwanej temperaturą Curie (T c ₎ . Na przykład temperatura Curie żelaza wynosi 770 ^o C, a kobaltu 1127 ^{o C.}C i magnetytu 585 ^o C.

W materiałach paramagnetycznych temperatura wpływa na siłę magnetyczną generowaną w materiale po przyłożeniu zewnętrznego pola magnetycznego, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury zmniejsza się uporządkowanie atomowych momentów magnetycznych. Wyraża się to w prawie Curie. następującym wyrażeniem:

χ = C/T

gdzie χ to podatność magnetyczna, T to temperatura bezwzględna (w kelwinach), a C to parametr zależny od materiału, stała Curie.

Namagnesowanie M materiału paramagnetycznego zależy również od natężenia zewnętrznego pola magnetycznego H. Wyrażenie na namagnesowanie to:

M = χH = (C/T)H

To wyrażenie jest ważne dla wysokich temperatur i słabych zewnętrznych pól magnetycznych; traci jednak swoją ważność, gdy wszystkie atomowe momenty magnetyczne są bliskie całkowitego wyrównania. W tym momencie, nawet jeśli zewnętrzne pole magnetyczne zostanie zwiększone lub temperatura spadnie, nie będzie to miało wpływu na namagnesowanie materiału, ponieważ nie nastąpi zmiana kolejności atomowych momentów magnetycznych. Jest to punkt nasycenia magnetycznego .

Idea nasycenia jest wyraźnie widoczna w rozszerzeniu prawa Curie na materiały ferromagnetyczne w tzw. prawie Curie-Weissa, wprowadzając temperaturę Curie T _c , którą widzieliśmy wcześniej:

χ = C/(TT _c )

To wyrażenie ma sens tylko dla wartości temperatur większych niż temperatura Curie, czyli sytuacji, w której materiał zachowuje się jak paramagnetyk; dla wartości temperatur mniejszych lub równych temperaturze Curie materiał jest ferromagnetykiem i jego namagnesowanie przyjmuje maksymalną możliwą wartość.

Źródła

Amikam Ahroni. Wprowadzenie do teorii ferromagnetyzmu . Druga edycja. Oxford University Press, 2000.

Rolfa E. Hummela. Elektroniczne właściwości materiałów . Springera, 2011.

WKH Panofski i M. Philips. Klasyczna elektryczność i magnetyzm . Nowy Jork: Dover, 2005.

Kurs Podstawy materiałoznawstwa, UPV. https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm10/trb10_2.html