Paramagnetism: ความหมายและตัวอย่าง

พาราแมกเนติกเป็นคุณสมบัติของวัสดุบางชนิด ซึ่งเมื่ออยู่ภายใต้สนามแม่เหล็ก จะเกิดแรงขึ้น ซึ่งจะหายไปเมื่อนำสนามแม่เหล็กออก ก่อนที่จะอธิบายเรื่องพาราแมกเนติก เรามาลองดูแนวคิดบางอย่างเกี่ยวกับแม่เหล็กและสนามแม่เหล็กกันก่อน

แม่เหล็กและสนามแม่เหล็ก

อำนาจแม่เหล็กเป็นหนึ่งในสามอันตรกิริยาของสสารที่ฟิสิกส์คลาสสิกคิดขึ้น นั่นคือ ฟิสิกส์แบบนิวตัน พร้อมด้วยแรงดึงดูดโน้มถ่วงและอันตรกิริยาทางไฟฟ้า ในอดีต มีการสังเกตแล้วว่าวัสดุบางอย่างดึงดูดเหล็ก และในสมัยกรีกโบราณเป็นที่มาของคำว่า “แม่เหล็ก” ซึ่งเกี่ยวข้องกับแร่เหล็กที่มีคุณสมบัติเฟอร์โรแมกเนติก จากนั้นมีการค้นพบการประยุกต์ใช้แม่เหล็กขั้นพื้นฐานในประเทศจีน เข็มทิศซึ่งจัดตำแหน่งเข็มแม่เหล็กในสนามแม่เหล็กโลกทำให้สามารถวางทิศทางในสภาพแวดล้อมทางภูมิศาสตร์ใดก็ได้ แม่เหล็กและไฟฟ้ามีความเกี่ยวข้องกัน ดังที่ Hans Christian Oersted แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกในปี 1820 เมื่อเขาสังเกตเห็นว่ากระแสไฟฟ้าสร้างแรงแม่เหล็ก ประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่จะสร้างสนามแม่เหล็ก ในขณะที่สนามแม่เหล็กที่เคลื่อนที่จะสร้างกระแสไฟฟ้า ข้อความสุดท้ายนี้เป็นหลักการของการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งโดยการหมุนสนามแม่เหล็กด้วยมอเตอร์ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ความสัมพันธ์ระหว่างประจุไฟฟ้าในการเคลื่อนที่และสนามแม่เหล็กเป็นสิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจพฤติกรรมของวัสดุแม่เหล็กและพาราแมกเนติก

อิเล็กตรอนเป็นประจุไฟฟ้าลบ และการเคลื่อนที่ในอะตอมจะสร้างสนามแม่เหล็ก นี่คือที่มาของคุณสมบัติแม่เหล็กของวัสดุ อิเล็กตรอนและการเคลื่อนที่ของพวกมันสร้างอำนาจแม่เหล็กของวัสดุ สนามแม่เหล็กเป็นที่เข้าใจกัน ว่าเป็นการกระจายของแรงในแต่ละจุดรอบๆ แหล่งกำเนิดสนามซึ่งจะมีขนาดทิศทางและทิศทาง; รูปการนำเสนอของบทความแสดงสนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็กซึ่งมีขั้วดึงดูดสองขั้ว อิเลคตรอนและการเคลื่อนที่ของอิเลคตรอนสร้างสนามแม่เหล็กได้สองวิธี ซึ่งสัมพันธ์กับประเภทของการเคลื่อนที่ที่เกิดขึ้นในอะตอม ได้แก่ การเคลื่อนที่ของวงโคจรรอบนิวเคลียสและการหมุนรอบตัวเอง การหมุนของมัน ช่วงเวลาแม่เหล็กหมุนมีความสำคัญที่สุดเนื่องจากขนาดของมัน โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมคือผลรวมของโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนครอบครองออร์บิทัลของอะตอมเป็นคู่ โดยมีการหมุนในทิศทางตรงกันข้าม โมเมนต์แม่เหล็กหมุนของคู่อิเล็กตรอนในออร์บิทัลเดียวกันจะเป็นศูนย์ เนื่องจากพวกเขายกเลิกเมื่อมีทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้นอะตอมที่มีออร์บิทัลไม่สมบูรณ์ซึ่งมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว พวกมันจะมีโมเมนต์แม่เหล็กสุทธิ และความเข้มจะขึ้นอยู่กับจำนวนออร์บิทัลที่มีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว ตัวอย่างเช่น เหล็กมีอิเล็กตรอน 26 ตัวและออร์บิทัล 4 3 ตัวdถูกครอบครองโดยอิเล็กตรอนตัวเดียว โคบอลต์ซึ่งมีอิเล็กตรอน 27 ตัว มีออร์บิทัล 3 มิติ 3 วงที่ครอบครองโดยอิเล็กตรอนตัวเดียว

วัสดุเฟอร์โรแมกเนติกและเฟอร์ริแมกเนติก

ในวัสดุหนึ่งๆ โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมจะไม่เป็นระเบียบตามทิศทางที่ต่างกัน เมื่อโมเมนต์แม่เหล็กปรมาณูทั้งหมดของวัสดุถูกจัดลำดับในทิศทางเดียวกันและในแง่เดียวกัน โมเมนต์เหล่านั้นจะรวมกันและทำให้เกิดการดึงดูดของวัสดุ ในกรณีนี้ เรามีวัสดุแม่เหล็กซึ่งมีสนามแม่เหล็กถาวร การจัดลำดับของโมเมนต์แม่เหล็กระดับปรมาณูนี้เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติในวัสดุบางชนิด แต่มันไม่ได้ขึ้นอยู่กับธาตุเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับวิธีการจัดระเบียบด้วยกล้องจุลทรรศน์ และโดยเฉพาะอย่างยิ่งกับโครงสร้างผลึกด้วย วัสดุที่ทำให้เกิดการดึงดูดแม่เหล็กถาวรที่เกิดขึ้นเองสามารถประกอบด้วยส่วนจุลภาคที่มีทิศทางการดึงดูดแม่เหล็กที่แตกต่างกัน ดังแสดงในรูปต่อไปนี้ ในกรณีนี้,

เหล็ก (Fe) โคบอลต์และนิเกิลเป็นองค์ประกอบที่ไม่ว่าจะสร้างโครงสร้างผลึกเป็นองค์ประกอบหรือเป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุล ล้วนเป็นวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก สารประกอบเฟอร์โรแมกเนติกที่ประกอบด้วยเหล็กคือไดเฟอร์ริกเฟอร์รัสออกไซด์ Fe ₃ O ₄ที่เรียกว่าแมกนีไทต์ ซึ่งก่อให้เกิดคำว่าแม่เหล็ก

อีกวิธีหนึ่งในการวางแนวของโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมในวัสดุสามารถอยู่ในทิศทางเดียวกันแต่ในทิศทางตรงกันข้ามในเส้นสลับ ดังแสดงในรูปต่อไปนี้ เนื่องจากขนาดของโมเมนต์แม่เหล็กแตกต่างกันไปในแต่ละทิศทาง ชุดประกอบจึงมีการดึงดูดสุทธิ วัสดุเหล่านี้เรียกว่าเฟอร์ริแมกเนติก และเช่นเดียวกับเฟอร์โรแมกเนติกส์ จะถูกทำให้เป็นแม่เหล็กอย่างถาวร เฟอร์ไรต์เป็นวัสดุเฟอร์ริแมกเนติกที่แพร่หลายที่สุด เฟอร์ไรต์เป็นกลุ่มของสารประกอบเหล็กที่เจือด้วยแบเรียม สังกะสี โคบอลต์ สตรอนเทียม แมงกานีส โมลิบดีนัม หรือนิกเกิล ซึ่งก่อตัวเป็นโครงสร้างผลึกลูกบาศก์ตรงกลาง ความสำคัญของพวกมันอยู่ที่ความจริงที่ว่าพวกมันเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กถาวร แต่พวกมันไม่ใช่ตัวนำไฟฟ้า และพวกมันมีสมบัติเชิงกลที่ดีมาก การใช้งานมีตั้งแต่แม่เหล็กในตู้เย็นไปจนถึงหมึกในเครื่องพิมพ์เลเซอร์ พวกเขากลายเป็นแกนหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์ยุคแรก ๆ และในรูปแบบผงพวกเขาใช้ในเทปและแถบบันทึกข้อมูลในสีและในการใช้งานอื่น ๆ อีกมากมาย

วัสดุพาราแมกเนติก

วัสดุพาราแมกเนติกส์คือวัสดุที่มีโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมถูกสั่งในสนามแม่เหล็ก ดังนั้นเมื่อวางในสนามแม่เหล็กจะถูกแรงกระทำ แต่เมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกหยุด โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมก็จะกลับมาไม่เป็นระเบียบและไม่เหมือนเดิม ไม่เก็บแม่เหล็ก ตัวอย่างของวัสดุพาราแมกเนติก ได้แก่ เหล็กออกไซด์ (FeO) และสารเชิงซ้อนของโลหะทรานซิชัน: โครเมียม ทองแดง แมงกานีส สแกนเดียม ไททาเนียม และวาเนเดียม แต่วัสดุเฟอร์โรแมกเนติกและเฟอร์ริแมกเนติกทั้งหมดจะกลายเป็นพาราแมกเนติกเมื่อได้รับความร้อนสูง กว่าอุณหภูมิที่กำหนด ซึ่งเรียกว่าอุณหภูมิคูรี (T c ₎ ตัวอย่างเช่น อุณหภูมิของ Curie ของเหล็กคือ 770 ^o C อุณหภูมิของโคบอลต์คือ 1127 ^oC และแมกนีไทต์ 585 ^o C

ในวัสดุพาราแมกเนติกส์ อุณหภูมิจะส่งผลต่อแรงแม่เหล็กที่สร้างขึ้นในวัสดุเมื่อใช้สนามแม่เหล็กภายนอก เนื่องจากเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ลำดับของโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมจะลดลง สิ่งนี้แสดงในกฎของคูรี ด้วยการแสดงออกต่อไปนี้:

χ = C/T

โดยที่ χ คือความไวแม่เหล็ก T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ (หน่วยเป็นเคลวิน) และ C คือพารามิเตอร์ที่ขึ้นกับวัสดุ นั่นคือค่าคงที่คูรี

การทำให้เป็นแม่เหล็ก M ของวัสดุพาราแมกเนติกยังขึ้นอยู่กับความเข้มของสนามแม่เหล็กภายนอก H การแสดงออกของการทำให้เป็นแม่เหล็กคือ:

M = χH = (C/T)H

นิพจน์นี้ใช้ได้กับอุณหภูมิสูงและสนามแม่เหล็กภายนอกที่อ่อนแอ อย่างไรก็ตาม จะสูญเสียความถูกต้องเมื่อโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมทั้งหมดใกล้จะเรียงตัวกันอย่างสมบูรณ์ ที่จุดนั้น แม้ว่าสนามแม่เหล็กภายนอกจะเพิ่มขึ้นหรืออุณหภูมิลดลง ก็จะไม่มีผลกระทบต่อการทำให้เป็นแม่เหล็กของวัสดุ เนื่องจากจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงในลำดับของโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอม นี่คือจุดอิ่มตัวของ แม่เหล็ก

แนวคิดเรื่องความอิ่มตัวนั้นสังเกตได้อย่างชัดเจนในการขยายกฎของ Curie ไปสู่วัสดุ ferromagnetic ในกฎ Curie-Weiss ที่เรียกว่า Curie ซึ่งแนะนำอุณหภูมิ Curie T c _ที่เราเห็นก่อนหน้านี้:

χ = C/(TT _ค )

การแสดงออกนี้มีความหมายเฉพาะกับค่าอุณหภูมิที่มากกว่าอุณหภูมิคูรี ซึ่งเป็นสถานการณ์ที่วัสดุทำตัวเป็นพาราแมกเนติก สำหรับค่าอุณหภูมิที่น้อยกว่าหรือเท่ากับอุณหภูมิ Curie วัสดุจะเป็นแบบ ferromagnetic และการสะกดจิตจะใช้ค่าสูงสุดที่เป็นไปได้

แหล่งที่มา

อะมิกัมมะหะโรนิ. ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับทฤษฎีเฟอร์โรแมกเนติก พิมพ์ครั้งที่สอง. สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด, 2543.

รอล์ฟ อี. ฮุมเมิลส์. คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุ สปริงเกอร์, 2554.

WKH Panofski และ M. Philips ไฟฟ้าและแม่เหล็กแบบคลาสสิก นิวยอร์ก: โดเวอร์ 2548

หลักสูตรพื้นฐานของวัสดุ UPV https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm10/trb10_2.html