Paramanyetizma: tanım ve örnekler

Paramanyetizma, manyetik alana maruz kaldığında, alan kaldırıldığında kaybolan bir kuvvet oluşturan bazı malzemelerin özelliğidir. Paramanyetizmayı açıklamadan önce, önce manyetizma ve manyetik alanlar hakkında bazı fikirlere bakalım.

Manyetizma ve manyetik alanlar

Manyetizma, klasik fiziğin, yani Newton fiziğinin yerçekimi çekimi ve elektriksel etkileşimlerle birlikte düşündüğü üç madde etkileşiminden biridir. Geçmiş zamanlarda, bazı malzemelerin demiri çektiği zaten gözlemlenmişti ve ferromanyetik özelliklere sahip bir demir minerali ile ilişkilendirilen “manyetik” teriminin ortaya çıktığı antik Yunanistan’dır. Daha sonra Çin’de manyetizmanın temel bir uygulaması keşfedildi; pusula, manyetize edilmiş bir iğneyi dünyanın manyetik alanında hizalayarak herhangi bir coğrafi ortamda yönlendirmeye izin veriyor. Hans Christian Oersted’in ilk olarak 1820’de bir elektrik akımının manyetik bir kuvvet ürettiğini gözlemlediğinde gösterdiği gibi, manyetizma ve elektrik birbiriyle ilişkilidir. Hareket eden bir elektrik yükü bir manyetik alan oluştururken, hareket eden bir manyetik alan bir elektrik akımı üretir. Bu son ifade, bir motorla manyetik alanı döndürerek elektrik akımı üreten elektrik jeneratörlerinin çalışma prensibidir. Hareket halindeki elektrik yükleri ile manyetik alanlar arasındaki bu ilişki, manyetik malzemelerin ve paramanyetizmanın davranışını anlamak için gereklidir.

Bir elektron negatif bir elektrik yüküdür ve bir atomda hareket etmek bir manyetik alan oluşturur; Bu, malzemelerin manyetik özelliklerinin kökenidir. Malzemelerin manyetizmasını oluşturan elektronlar ve onların hareketidir. Manyetik alan, büyüklüğü , yönü ve yönü olacak olan, alanın kaynağı etrafındaki her noktada kuvvetlerin dağılımı olarak anlaşılmaktadır .; Makalenin sunum şekli, iki çekim kutbuyla birlikte bir manyetik çubuğun manyetik alanını göstermektedir. Elektronlar ve hareketleri, atomda geliştirdikleri hareket türleriyle ilişkili olarak iki şekilde manyetik alanlar oluşturur: çekirdeğin etrafındaki yörünge hareketi ve kendi etrafında dönüş, yani dönüşü. İkincisi, spin manyetik momenti, büyüklüğünden dolayı en önemlisidir. Atomun manyetik momenti, elektronların manyetik momentlerinin toplamıdır. Elektronlar, zıt yönlerde dönüşlerle çiftler halinde atomik orbitalleri işgal eder; aynı yörüngedeki elektron çiftlerinin spin manyetik momenti sıfır olacaktır. çünkü zıt yönlere sahip olduklarında birbirlerini götürürler. Bu nedenle, yalnızca yörüngeleri tamamlanmamış, yalnızca bir elektronu olan atomlar, net bir manyetik momente sahip olacaklar ve yoğunluk, yalnızca bir elektronlu orbitallerin sayısına bağlı olacaktır. Örneğin demirin 26 elektronu ve 4 3 orbitali vardır.d, tek bir elektron tarafından işgal edilir; 27 elektronlu kobalt, tek bir elektron tarafından işgal edilen 3 3 boyutlu yörüngeye sahiptir .

Ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemeler

Bir malzemede, atomik manyetik momentler farklı yönlerde düzensizdir. Bir malzemenin tüm atomik manyetik momentleri aynı yönde ve aynı anlamda sıralandığında, toplanır ve malzemenin manyetizasyonunu oluşturur. Bu durumda, kalıcı bir manyetik alana sahip ferromanyetik bir malzememiz var. Atomik manyetik momentlerin bu sıralaması, bazı malzemelerde kendiliğinden üretilir, ancak yalnızca elemente değil, aynı zamanda mikroskobik olarak nasıl organize edildiğine ve özellikle kristal yapıya da bağlıdır. Kendiliğinden kalıcı mıknatıslanma oluşturan bir malzeme, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, farklı mıknatıslanma yönlerine sahip mikroskobik sektörlerden oluşabilir. Bu durumda,

Demir (Fe), kobalt ve nikel, ya elementler halinde kristal yapılar oluşturan ya da moleküllerin bir parçası olarak ferromanyetik malzemeleri oluşturan bazı elementlerdir. Demirden oluşan bir ferromanyetik bileşik, manyetit olarak adlandırılan ve manyetik terimin ortaya çıkmasına neden olan diferik _demir oksit Fe304’tür _.

Bir malzemedeki atomik manyetik momentlerin yönlendirilmesinin başka bir yolu, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, aynı yönde ancak birbirini izleyen doğrularda ters yönde olabilir. Manyetik momentin büyüklüğü her yön için farklı olduğu için düzenek net bir mıknatıslanmaya sahiptir. Bu malzemeler ferrimanyetik olarak adlandırılır ve ferromanyetikler gibi kalıcı olarak mıknatıslanır. Ferritler en yaygın ferrimanyetik malzemedir. Ferritler, merkezi kübik kristal yapılar oluşturan baryum, çinko, kobalt, stronsiyum, manganez, molibden veya nikel ile alaşımlanmış bir grup demir bileşikleridir. Önemleri, kalıcı manyetizasyona sahip malzemeler olmaları, ancak elektriği iletmemeleri ve çok iyi mekanik özelliklere sahip olmalarıdır. Uygulamaları, buzdolaplarındaki mıknatıslardan lazer yazıcılardaki mürekkebe kadar uzanır. İlk bilgisayarların bellek çekirdeğini oluşturdular ve toz halinde veri kayıt bantlarında ve bantlarında, boyalarda ve diğer birçok uygulamada kullanıldılar.

paramanyetik malzemeler

Paramanyetik bir malzeme, atomik manyetik momentleri bir manyetik alanda düzenli olan ve bu nedenle bir manyetik alana yerleştirildiğinde bir kuvvete tabi olacak, ancak dış manyetik alan durduğunda, atomik manyetik momentleri düzensiz hale gelmek üzere geri dönen ve mıknatıslanmayı korumaz. Paramanyetik malzemelerin bazı örnekleri, demir oksit (FeO) ve geçiş metali kompleksleridir: krom, bakır, manganez, skandiyum, titanyum ve vanadyum. Ancak tüm ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemeler, Curie sıcaklığı (T c ₎ adı verilen belirli bir sıcaklığın üzerinde ısıtıldığında paramanyetik hale gelir . Örneğin, demirin Curie sıcaklığı 770 ^o C, kobaltınki ise 1127 ^{o C’dir .}C ve manyetitinki 585 ^o C.

Paramanyetik malzemelerde sıcaklık, harici bir manyetik alan uygulandığında malzemede üretilen manyetik kuvveti etkiler, çünkü sıcaklık arttıkça atomik manyetik momentlerin sıralaması azalır. Bu, Curie yasasında ifade edilir. aşağıdaki ifade ile:

χ = C/T

burada χ manyetik alınganlık, T mutlak sıcaklık (Kelvin cinsinden) ve C malzemeye bağlı bir parametre, Curie sabitidir.

Bir paramanyetik malzemenin mıknatıslanması M ayrıca dış manyetik alanın H yoğunluğuna da bağlıdır. Mıknatıslanmanın ifadesi şu şekildedir:

M = χH = (C/T)H

Bu ifade, yüksek sıcaklıklar ve zayıf dış manyetik alanlar için geçerlidir; ancak, tüm atomik manyetik momentler tamamen hizalanmaya yakın olduğunda geçerliliğini kaybeder. Bu noktada dış manyetik alan artırılsa veya sıcaklık azaltılsa bile atomik manyetik momentlerin sıralamasında bir değişiklik olmayacağından malzemenin manyetizasyonu üzerinde bir etki olmayacaktır. Bu bir manyetik doyum noktasıdır .

Doygunluk fikri, Curie yasasının ferromanyetik malzemelere genişletilmesinde, daha önce gördüğümüz Curie sıcaklığını _Tc getiren Curie-Weiss yasasında açıkça görülmektedir :

χ = C/(TT _c )

Bu ifade, yalnızca malzemenin paramanyetik gibi davrandığı bir durum olan Curie sıcaklığından daha büyük sıcaklık değerleri için anlam ifade eder; Curie sıcaklığına eşit veya daha düşük sıcaklık değerleri için malzeme ferromanyetiktir ve manyetizasyonu mümkün olan maksimum değeri alır.

kaynaklar

Amikam Aharoni. Ferromanyetizma teorisine giriş . İkinci baskı. Oxford University Press, 2000.

Rolf E. Hummel. Malzemelerin Elektronik Özellikleri . Springer, 2011.

WKH Panofski ve M. Philips. Klasik elektrik ve manyetizma . New York: Dover, 2005.

Malzemelerin temelleri kursu, UPV. https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm10/trb10_2.html