Paramagnetism och diamagnetism

För att veta om ett element är paramagnetiskt eller diamagnetiskt är det nödvändigt att förstå hur dessa beteenden uppstår och vad de är. Till att börja med bör du veta att alla material upplever någon form av reaktion på magnetfält. Det vill säga att alla material har ett magnetiskt moment. Det magnetiska momentet mäter styrkan och riktningen av ett elements magnetism. Det är alltså en vektorkvantitet, det vill säga med storlek och riktning. Å andra sidan är magnetism den kraft som genereras av magneter när de attraherar eller stöter bort varandra.

Nu är allt ämne uppbyggt av små enheter som kallas atomer. Atomer innehåller elektroner, som är elektriskt laddade partiklar. Elektroner snurrar som toppar runt atomkärnan. Den elektriska strömmen som genereras av denna rörelse får varje elektron att agera som en liten magnet. Det är alltså elektronerna som ger upphov till materiens magnetiska egenskaper.

Ett ämnes magnetism kan omintetgöras, eftersom de flesta av dessa har lika många elektroner som snurrar i motsatta riktningar. Men för att det ska finnas magnetism måste ett annat starkt ämne komma in i magnetfältet hos en befintlig magnet.

Alla magneter har två poler: nordpolen och sydpolen. Som bekant attraherar motsatta poler och identiska poler stöter bort. När en bit järn gnuggas över en magnet, riktas de nordvända polerna av järnatomerna i samma riktning. Kraften som genereras av de inriktade atomerna genererar ett magnetfält. Här har järnbiten blivit en magnet.

Nämnda magnetiska kraft har olika beteenden, bland dem är paramagnetism, diamagnetism och ferromagnetism.

Vad är diamagnetism?

Denna typ av magnetism är karakteristisk för material som riktar sig i rät vinkel mot ett ojämnt magnetfält. På samma sätt driver de diamagnetiska elementen delvis ut från sitt inre det magnetiska fältet i vilket de finns. Diamagnetism observerades första gången 1778 av SJ Brugmans, men den namngavs och studerades från 1845 av Michael Faraday. Denna och andra forskare upptäckte att de flesta föreningar, såväl som vissa grundämnen, uppvisar denna typ av magnetism, som de kallade ”negativ” magnetism.

Detta beror på att diamagnetiska material inte har ett nettomagnetiskt moment. Därför måste de ha närvaron av ett applicerat magnetfält (H). Men när ett externt magnetfält appliceras på ett diamagnetiskt material upplever de snurrande elektronerna rörelse. Denna rörelse, som producerar en elektrisk ström, är känd som bearbetning och ger som ett resultat upphov till en magnetisering (M), i motsatt riktning mot det externa magnetfältets. Därför har diamagnetiska material en liten negativ magnetisk susceptibilitet (χ) och en något högre permeabilitet än vakuum (μ0). Däremot är känslighetsvärdet oberoende av temperatur, vilket inte påverkar diamagnetismen.

Diamagnetism i fasta material förklaras också av Lenz’s lag. I denna står det att en inducerad ström accelererar eller bromsar elektronerna som kretsar kring atomerna, så att de motverkar det yttre fältets verkan. Det vill säga att diamagnetiska atomer inte attraheras av ett magnetfält, utan stöts bort.

paramagnetism och ferromagnetism

Å ena sidan hänvisar paramagnetism till det magnetiska tillståndet hos en atom som har en eller flera oparade elektroner. Oparade elektroner attraheras av ett magnetfält. Detta beror på elektronernas magnetiska dipolmoment (attraktionskraft mellan två atomer). Hunds regel säger att elektroner måste ockupera alla orbitaler individuellt innan någon orbital ockuperas två gånger. När orbitalerna är ordentligt fyllda lämnas atomerna med oparade elektroner som rör sig i vilken riktning som helst. Således verkar magnetiska moment också i vilken riktning som helst, vilket gör att paramagnetiska atomer kan attraheras av magnetfält.

Å andra sidan, när en elektron är ensam i en orbital, har orbitalen ett nettosnurr. Detta beror på att den ensamma elektronens spinn inte avbryts. Därför anses en atom vara paramagnetisk när den innehåller minst en paramagnetisk elektron. Med enkla ord kan en atom ha tio parade (diamagnetiska) elektroner och en oparad (paramagnetisk) elektron. En sådan atom skulle fortfarande betraktas som en paramagnetisk atom.

Låt oss nu se vad ferromagnetism består av. När de magnetiska momenten för alla atomer i ett materialgitter är parallella med varandra kallas de ferromagnetiska. Detta beror på att materialets magnetiska domäner är inriktade i endast en riktning. Materialets domäner bestämmer dess magnetisering med appliceringen av magnetfältet. I motsats till diamagnetism minskar inriktningen av magnetiska moment i ferromagnetiskt material med temperaturen. Likaså är känsligheten för ferromagnetiska material hög.

Precis som diamagnetiska atomer stöts bort något av ett magnetfält, attraheras paramagnetiska atomer något av ett magnetfält.

Hur man vet om ett ämne är paramagnetiskt eller diamagnetiskt

Som vi kommer att se nu, för att bestämma de magnetiska egenskaperna hos ett ämne, är det tillräckligt att undersöka dess elektroniska konfiguration. Så:

• Om det har oparade elektroner är ämnet paramagnetiskt.
• Om alla elektroner i ett ämne är parade är det ämnet diamagnetiskt.

Denna verifieringsprocessen kan göras i tre steg:

1. Skriv ner den elektroniska konfigurationen av ämnet.
2. Rita valensorbitaler.
3. Identifiera om ämnet har oparade elektroner.

Med dessa steg kommer du att kunna avgöra vilken typ av magnetiskt beteende ett ämne har.

Exempel på diamagnetiska element

• Vismut.
• Merkurius.
• Silver.
• Kol.
• Leda.
• Koppar.

Exempel på ferromagnetiska element

• Järn.
• Nickel.
• Kobolt.
• Gadolinium.
• dysprosium.

Exempel på paramagnetiska element

• Uran.
• Platina.
• Aluminium.
• Natrium.
• Syre.

Källor

• Magnetism in the Geographic Information System (GIS) från National Geographic Education Resource Library.
• Magnetiska egenskaper på LibreTexts Libraries, tillgänglig 15 februari 2021.