Paramagnetism: definition och exempel

Paramagnetism är egenskapen hos vissa material där, när de utsätts för ett magnetfält, genereras en kraft, som försvinner när fältet avlägsnas. Innan vi förklarar paramagnetism, låt oss först titta på några idéer om magnetism och magnetfält.

Magnetism och magnetfält

Magnetism är en av de tre interaktioner av materia som klassisk fysik övervägde, det vill säga newtonsk fysik, tillsammans med gravitationsattraktion och elektriska interaktioner. Förr i tiden hade det redan observerats att vissa material attraherade järn, och det är i antikens Grekland som termen ”magnetisk” har sitt ursprung, förknippat med ett järnmineral med ferromagnetiska egenskaper. Sedan upptäcktes en grundläggande tillämpning av magnetism i Kina, kompassen, som riktar in en magnetiserad nål i jordens magnetfält som tillåter orientering i vilken geografisk miljö som helst. Magnetism och elektricitet är relaterade, som Hans Christian Oersted först visade 1820 när han observerade att en elektrisk ström producerade en magnetisk kraft. En rörlig elektrisk laddning genererar ett magnetfält, medan ett rörligt magnetfält genererar en elektrisk ström. Detta sista uttalande är principen för drift av elektriska generatorer, som genom att rotera ett magnetfält med en motor genererar en elektrisk ström. Detta samband mellan elektriska laddningar i rörelse och magnetiska fält är avgörande för att förstå beteendet hos magnetiska material och paramagnetism.

En elektron är en negativ elektrisk laddning, och rör sig i en atom genererar ett magnetfält; detta är ursprunget till materialens magnetiska egenskaper. Det är elektronerna och deras rörelse som genererar materialens magnetism. Magnetfältet förstås som fördelningen av krafter vid varje punkt runt fältets källa, som kommer att ha en storlek , en riktning och en riktning .; Presentationsfiguren i artikeln visar magnetfältet hos en magnetstav, med dess två attraktionspoler. Elektroner och deras rörelse genererar magnetiska fält på två sätt, förknippade med de typer av rörelser de utvecklar i atomen: orbital rörelse runt kärnan och rotation på sig själv, dess spinn. Det senare, det spinnmagnetiska momentet, är det viktigaste på grund av dess storlek. Atomens magnetiska moment är summan av elektronernas magnetiska moment. Elektroner upptar atomära orbitaler i par, med snurr i motsatta riktningar; det magnetiska spinsmomentet för elektronpar i samma orbital kommer att vara noll. eftersom de avbryter när de har motsatt riktning. Därför är det bara atomer med orbitaler som inte är kompletta, som bara har en elektron, de kommer att ha ett nettomagnetiskt moment, och intensiteten kommer att bero på antalet orbitaler med endast en elektron. Järn har till exempel 26 elektroner och 4 3 orbitaler.d är upptagna av en enda elektron; Kobolt, med 27 elektroner, har 3 3d-orbitaler upptagna av en enda elektron.

Ferromagnetiska och ferrimagnetiska material

I ett material är de atomära magnetmomenten oordnade och följer olika riktningar. När alla atomiska magnetiska moment i ett material är ordnade i samma riktning och i samma bemärkelse, adderas de och genererar magnetiseringen av materialet. I det här fallet har vi ett ferromagnetiskt material, som har ett permanent magnetfält. Denna ordning av atomiska magnetiska moment genereras spontant i vissa material, men det beror inte bara på elementet, utan också på hur det är organiserat mikroskopiskt, och i synnerhet på den kristallina strukturen. Ett material som genererar spontan permanent magnetisering kan vara sammansatt av mikroskopiska sektorer med olika magnetiseringsriktningar, som visas i följande figur. I detta fall,

Järn (Fe), kobolt och nickel är några grundämnen som antingen bildar kristallina strukturer som element eller som en del av molekyler, utgör ferromagnetiska material. En ferromagnetisk förening som består av järn är diferri järnoxid, Fe ₃ O ₄ , den så kallade magnetiten, som gav upphov till termen magnetisk.

Ett annat sätt att orientera de atomära magnetiska momenten i ett material kan vara i samma riktning men i motsatt riktning i alternerande linjer, som visas i följande figur. Eftersom storleken på det magnetiska momentet är olika för varje riktning, har enheten en nettomagnetisering. Dessa material kallas ferrimagnetiska och är, liksom ferromagnetik, permanent magnetiserade. Ferriter är det mest utbredda ferrimagnetiska materialet. Ferriter är en grupp järnföreningar legerade med barium, zink, kobolt, strontium, mangan, molybden eller nickel, som bildar centrerade kubiska kristallina strukturer. Deras betydelse ligger i det faktum att de är material med permanent magnetisering men de är inte ledare av elektricitet, och de har mycket goda mekaniska egenskaper. Dess applikationer sträcker sig från magneter i kylskåp till bläck i laserskrivare. De utgjorde minneskärnan i tidiga datorer, och i pulverform används de i datainspelningsband och -band, i färger och i många andra applikationer.

paramagnetiska material

Ett paramagnetiskt material är ett vars atomiska magnetiska moment är ordnade i ett magnetfält, och som därför kommer att utsättas för en kraft när det placeras i ett magnetfält, men när det externa magnetfältet upphör, återgår dess atomiska magnetiska moment för att bli oordnade och gör inte behålla magnetiseringen. Några exempel på paramagnetiska material är järnoxid (FeO) och övergångsmetallkomplex: krom, koppar, mangan, skandium, titan och vanadin. _{Men alla ferromagnetiska och ferrimagnetiska material blir paramagnetiska när de värms} över en viss temperatur, kallad Curie-temperaturen (T c ) . Till exempel är Curie-temperaturen för järn 770 ^o C, den för kobolt är 1127 ^oC och magnetit 585 ^o C.

I paramagnetiska material påverkar temperaturen den magnetiska kraft som genereras i materialet när ett externt magnetfält appliceras, eftersom när temperaturen ökar minskar ordningen av atomära magnetiska moment. Detta kommer till uttryck i Curies lag. med följande uttryck:

χ = C/T

där χ är den magnetiska känsligheten, T är den absoluta temperaturen (i Kelvin) och C är en materialberoende parameter, Curie-konstanten.

Magnetiseringen M av ett paramagnetiskt material beror också på intensiteten hos det externa magnetfältet H. Uttrycket för magnetiseringen är:

M = xH = (C/T)H

Detta uttryck gäller för höga temperaturer och för svaga yttre magnetfält; men det förlorar sin giltighet när alla atommagnetiska moment är nära att vara helt inriktade. Vid den punkten, även om det externa magnetfältet ökas eller temperaturen sänks, kommer det inte att finnas någon effekt på magnetiseringen av materialet, eftersom det inte kommer att ske någon förändring i ordningen av de atomära magnetiska momenten. Detta är en magnetisk mättnadspunkt .

Idén om mättnad observeras tydligt i utvidgningen av Curies lag till ferromagnetiska material i den så kallade Curie-Weiss-lagen, som introducerar Curie-temperaturen T c _som vi såg tidigare:

χ = C/(TT _c )

Detta uttryck är meningsfullt endast för temperaturvärden högre än Curie-temperaturen, en situation där materialet beter sig som paramagnetiskt; för temperaturvärden mindre än eller lika med Curie-temperaturen är materialet ferromagnetiskt och dess magnetisering tar högsta möjliga värde.

Källor

Amikam Aharoni. Introduktion till teorin om ferromagnetism . Andra upplagan. Oxford University Press, 2000.

Rolf E. Hummel. Materialens elektroniska egenskaper . Springer, 2011.

WKH Panofski och M. Philips. Klassisk elektricitet och magnetism . New York: Dover, 2005.

Materialets grundkurs, UPV. https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm10/trb10_2.html