Paramagnetism: definiție și exemple

Paramagnetismul este proprietatea unor materiale în care, atunci când sunt supuse unui câmp magnetic, se generează o forță, care dispare atunci când câmpul este îndepărtat. Înainte de a explica paramagnetismul, să ne uităm mai întâi la câteva idei despre magnetism și câmpuri magnetice.

Magnetismul și câmpurile magnetice

Magnetismul este una dintre cele trei interacțiuni ale materiei pe care le-a contemplat fizica clasică, adică fizica newtoniană, împreună cu atracția gravitațională și interacțiunile electrice. În vremuri trecute se observase deja că anumite materiale atrag fierul și tocmai în Grecia antică își are originea termenul „magnetic”, asociat cu un mineral de fier cu proprietăți feromagnetice. Atunci a fost descoperită în China o aplicație fundamentală a magnetismului, busola, care aliniază un ac magnetizat în câmpul magnetic al pământului permițând orientarea în orice mediu geografic. Magnetismul și electricitatea sunt legate, așa cum a demonstrat Hans Christian Oersted pentru prima dată în 1820, când a observat că un curent electric produce o forță magnetică. O sarcină electrică în mișcare generează un câmp magnetic, în timp ce un câmp magnetic în mișcare generează un curent electric. Această ultimă afirmație este principiul de funcționare al generatoarelor electrice, care prin rotirea unui câmp magnetic cu un motor generează un curent electric. Această asociere între sarcinile electrice în mișcare și câmpurile magnetice este esențială pentru înțelegerea comportamentului materialelor magnetice și a paramagnetismului.

Un electron este o sarcină electrică negativă, iar mișcarea într-un atom generează un câmp magnetic; aceasta este originea proprietăților magnetice ale materialelor. Electronii și mișcarea lor sunt cele care generează magnetismul materialelor. Câmpul magnetic este înțeles ca distribuția forțelor în fiecare punct în jurul sursei câmpului , care va avea o magnitudine , o direcție și o direcție .; Figura de prezentare a articolului prezintă câmpul magnetic al unei bare magnetice, cu cei doi poli ai săi de atracție. Electronii și mișcarea lor generează câmpuri magnetice în două moduri, asociate cu tipurile de mișcare pe care le dezvoltă în atom: mișcarea orbitală în jurul nucleului și rotația pe sine, spinul acestuia. Acesta din urmă, momentul magnetic de spin, este cel mai important datorită mărimii sale. Momentul magnetic al atomului este suma momentelor magnetice ale electronilor. Electronii ocupă orbitalii atomici în perechi, cu spini în direcții opuse; momentul magnetic de spin al perechilor de electroni din același orbital va fi zero. întrucât se anulează când au direcții opuse. Prin urmare, numai atomi cu orbitali care nu sunt complet, care au un singur electron, vor avea un moment magnetic net, iar intensitatea va depinde de numărul de orbitali cu un singur electron. Fierul, de exemplu, are 26 de electroni și 4 3 orbitali.d sunt ocupate de un singur electron; Cobaltul, cu 27 de electroni, are 3 orbitali 3d ocupați de un singur electron.

Materiale feromagnetice și ferimagnetice

Într-un material, momentele magnetice atomice sunt dezordonate, urmând direcții diferite. Când toate momentele magnetice atomice ale unui material sunt ordonate în aceeași direcție și în același sens, ele se adună și generează magnetizarea materialului. În acest caz avem un material feromagnetic, care are un câmp magnetic permanent. Această ordonare a momentelor magnetice atomice este generată spontan în unele materiale, dar nu depinde doar de element, ci și de modul în care este organizat microscopic, și în special de structura cristalină. Un material care generează magnetizare permanentă spontană poate fi compus din sectoare microscopice cu direcții de magnetizare diferite, așa cum se arată în figura următoare. În acest caz,

Fierul (Fe), cobaltul și nichelul sunt câteva elemente care, fie formând structuri cristaline ca elemente, fie ca parte a moleculelor, constituie materiale feromagnetice. Un compus feromagnetic format din fier este oxidul feros diferit, Fe ₃ O ₄ , așa-numita magnetită, care a dat naștere termenului de magnetic.

Un alt mod de orientare a momentelor magnetice atomice dintr-un material poate fi în aceeași direcție, dar în sens opus în linii alternative, așa cum se arată în figura următoare. Deoarece mărimea momentului magnetic este diferită pentru fiecare direcție, ansamblul are o magnetizare netă. Aceste materiale sunt numite ferimagnetice și, ca și feromagneticele, sunt magnetizate permanent. Feritele sunt cel mai răspândit material ferimagnetic. Feritele sunt un grup de compuși de fier aliați cu bariu, zinc, cobalt, stronțiu, mangan, molibden sau nichel, care formează structuri cristaline cubice centrate. Importanta lor rezida in faptul ca sunt materiale cu magnetizare permanenta dar nu sunt conductori de electricitate, si au proprietati mecanice foarte bune. Aplicațiile sale variază de la magneți în frigidere la cerneală în imprimantele laser. Ei au format nucleul de memorie al computerelor timpurii, iar sub formă de pulbere sunt utilizați în benzi și benzi de înregistrare a datelor, în vopsele și în multe alte aplicații.

materiale paramagnetice

Un material paramagnetic este unul ale cărui momente magnetice atomice sunt ordonate într-un câmp magnetic și care, prin urmare, va fi supus unei forțe atunci când este plasat într-un câmp magnetic, dar când câmpul magnetic extern încetează, momentele sale magnetice atomice revin să devină dezordonate și nu nu rețin magnetizarea. Câteva exemple de materiale paramagnetice sunt oxidul de fier (FeO) și complexele de metale tranziționale: crom, cupru, mangan, scandiu, titan și vanadiu. Dar toate materialele feromagnetice și ferimagnetice devin paramagnetice atunci când sunt încălzite peste o anumită temperatură, numită temperatura Curie (T c ₎ . De exemplu, temperatura Curie a fierului este de 770 ^o C, cea a cobaltului este de 1127 ^oC și cel al magnetitului 585 ^o C.

În materialele paramagnetice, temperatura afectează forța magnetică care este generată în material atunci când se aplică un câmp magnetic extern, deoarece pe măsură ce temperatura crește, ordonarea momentelor magnetice atomice scade. Acest lucru este exprimat în legea lui Curie. prin următoarea expresie:

χ = C/T

unde χ este susceptibilitatea magnetică, T este temperatura absolută (în Kelvin) și C este un parametru dependent de material, constanta Curie.

Magnetizarea M a unui material paramagnetic depinde și de intensitatea câmpului magnetic extern H. Expresia magnetizării este:

M = χH = (C/T)H

Această expresie este valabilă pentru temperaturi ridicate și pentru câmpuri magnetice externe slabe; cu toate acestea, își pierde valabilitatea atunci când toate momentele magnetice atomice sunt aproape de a fi complet aliniate. În acel moment, chiar dacă câmpul magnetic extern este crescut sau temperatura scade, nu va exista niciun efect asupra magnetizării materialului, deoarece nu va exista nicio schimbare în ordonarea momentelor magnetice atomice. Acesta este un punct de saturație magnetică .

Ideea de saturație se observă clar în extinderea legii lui Curie la materiale feromagnetice în așa-numita lege Curie-Weiss, introducând temperatura Curie T _c pe care am văzut-o mai înainte:

χ = C/(TT _c )

Această expresie are sens numai pentru valorile temperaturii mai mari decât temperatura Curie, situație în care materialul se comportă ca paramagnetic; pentru valori de temperatură mai mici sau egale cu temperatura Curie, materialul este feromagnetic și magnetizarea lui ia valoarea maximă posibilă.

Surse

Amikam Aharoni. Introducere în teoria feromagnetismului . A doua editie. Oxford University Press, 2000.

Rolf E. Hummel. Proprietățile electronice ale materialelor . Springer, 2011.

WKH Panofski și M. Philips. Electricitate clasică și magnetism . New York: Dover, 2005.

Curs Fundamentele materialelor, UPV. https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm10/trb10_2.html