Τα παραμαγνητικά είδη είναι παντού. Στη σωστή ρύθμιση, και εκφράστηκε με σωστά θολό τόνο, αυτή η φράση θα μπορούσε να καλέσει εικόνες από περίεργους εξωγήινους εισβολείς που τρέχουν amok σε όλο τον κόσμο. Αντ 'αυτού, είναι μια βασική δήλωση σχετικά με μια συγκεκριμένη ποιότητα που μοιράζεται ένα καλά καθορισμένο σύνολο σωματιδίων πάνω και γύρω από τη Γη, και μια που ορίζεται χρησιμοποιώντας αντικειμενικά και εύκολα προσδιορισμένα κριτήρια.
Δεν έχετε αμφιβολία ότι έχετε χρησιμοποιήσει μαγνήτες στη ζωή σας, και στις περισσότερες περιπτώσεις που έχετε λειτουργήσει σε ένα ασήμαντο μαγνητικό πεδίο, δεν το έχετε γνωρίσει. Ίσως γνωρίζετε ακόμη ότι ορισμένα υλικά λειτουργούν ως μόνιμοι μαγνήτες και ότι αυτά μπορούν να προσελκύσουν μέταλλα, παρόλο που αυτά τα μέταλλα δεν είναι οι ίδιοι προφανώς μαγνήτες. Ή είναι;
Όπως συμβαίνει, ο κόσμος της φυσικής, συγκεκριμένα η υπο-πειθαρχία του ηλεκτρομαγνητισμού, περιλαμβάνει μια ποικιλία τύπων μαγνητισμού. Ένα από αυτά είναι παραμαγνητισμός, και είναι μια ιδιότητα που συχνά εύκολα επαληθεύεται άμεσα, επειδή τα παραμαγνητικά υλικά προσελκύονται σε ένα μαγνητικό πεδίο που εφαρμόζεται εξωτερικά. Αλλά πώς συμβαίνει αυτό και από πού προέρχονται τα μαγνητικά "πεδία"; Η ευκαιρία να μάθετε όλα αυτά και πολλά άλλα πρέπει να σας τραβάει να συνεχίσετε να διαβάζετε!
Τι είναι ο μαγνητισμός;
Στα τέλη του 1700, παρατηρήθηκε ότι μια βελόνα πυξίδας, που δείχνει προς το βορρά ως αποτέλεσμα του μαγνητικού πεδίου της Γης, μπορεί να εκτρέπεται από την παρουσία ενός κοντινού ηλεκτρικού ρεύματος.
Αυτή είναι η πρώτη γνωστή απόδειξη ότι η ηλεκτρική ενέργεια και ο μαγνητισμός συνδέθηκαν κάπως. Στην πραγματικότητα, τα κινούμενα φορτία (που είναι ο ορισμός του ηλεκτρικού ρεύματος) δημιουργούν μαγνητικά πεδία με "γραμμές" που εξαρτώνται από τη γεωμετρία του ηλεκτρικού κυκλώματος.
Όταν ένα σύρμα μεταφοράς ρεύματος κουλουριάζεται, ή τυλίγεται πολλές φορές, γύρω από ορισμένα είδη μετάλλων, Αυτό μπορεί να προκαλέσει την ιδιότητα του μαγνητισμού σε αυτά τα μέταλλα, τουλάχιστον όσο είναι το ρεύμα εφαρμοσμένος. Μερικά από αυτά χρησιμοποιούνται σε μέρη όπως τα ναυπηγεία παλιοσίδερου και είναι αρκετά ισχυρά για την ανύψωση ολόκληρων αυτοκινήτων.
Η αλληλεπίδραση ηλεκτρικού ρεύματος και μαγνητικών πεδίων είναι ένα θέμα που μπορεί και γεμίζει ολόκληρα εγχειρίδια, αλλά προς το παρόν, πρέπει να ξέρετε ότι ο λόγος είναι μερικά υλικά αποκρίνεται διαφορετικά στα μαγνητικά πεδία από ό, τι άλλα έχουν οι ιδιότητες των ηλεκτρονίων στο υψηλότερο ("εξόχως") ενεργειακό κέλυφος των ατόμων σε αυτά υλικά.
Η μαγνητοποίηση των στερεών
Εάν μια στερεή ουσία τοποθετηθεί σε ένα εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο, μπορεί να περιμένετε ότι η συμπεριφορά των μορίων στην ουσία θα εξαρτηθεί σε κάποιο βαθμό από την κατάσταση του υλικού. Αυτό είναι ένα αέριο, το οποίο έχει μόρια που κινούνται αρκετά ελεύθερα, και υγρό, στα οποία τα μόρια παραμένουν μαζί αλλά είναι ελεύθερα να ολισθαίνουν μεταξύ τους, μπορεί να συμπεριφέρονται διαφορετικά από ένα στερεό, του οποίου τα μόρια είναι κλειδωμένα στη θέση τους, συνήθως σε δομή τύπου πλέγματος.
Εάν φαντάζεστε τη βασική κρυσταλλική δομή ενός στερεού (και η φύση αυτού του επαναλαμβανόμενου μοτίβου μπορεί να διαφέρει από ουσία σε ουσία), μπορείτε να φανταστείτε τους πυρήνες των ατόμων να βρίσκεστε στα κέντρα των κύβων, με τα ηλεκτρόνια να καταλαμβάνουν κενά ενδιάμεσα, ελεύθερα να δονείται και, στην περίπτωση των μεταλλικών στερεών, να περιφέρονται ελεύθερα στον μητρικό τους πυρήνες.
Όταν τα ηλεκτρόνια ενός στερεού καθιστούν την ουσία έναν μόνιμο μαγνήτη ή ένα που μπορεί να μετατραπεί σε έναν τέτοιο μαγνήτη, η ουσία ονομάζεται σιδηρομαγνητική (από τα Λατινικά σίδηρος, που σημαίνει σίδηρος). Εκτός από το σίδηρο, τα στοιχεία κοβάλτιο, νικέλιο και γαδολίνιο είναι σιδηρομαγνητικά.
Ωστόσο, οι περισσότερες ουσίες παρουσιάζουν άλλες αποκρίσεις στα μαγνητικά πεδία, κάνοντας τα περισσότερα άτομα παραμαγνητικά ή διαμαγνητικά. Αυτές οι ιδιότητες μπορούν να βρεθούν σε διαφορετικούς βαθμούς στα ίδια υλικά και παράγοντες όπως η θερμοκρασία μπορούν να επηρεάσουν την απόκριση ενός υλικού στα εφαρμοζόμενα μαγνητικά πεδία.
Διαμαγνητισμός, Παραμαγνητισμός και Φερομαγνητισμός
Εξετάστε τρεις διαφορετικούς φίλους που έχετε επιλέξει ως υποψηφίους για να δοκιμάσετε τη νέα σας εφαρμογή επιστημονικών παιχνιδιών.
Ένας από αυτούς ανταποκρίνεται μόνο στις προτροπές σας να το δοκιμάσετε γίνοντας πιο ανθεκτικός από ό, τι ήταν στο παιχνίδι. Ο δεύτερος συμφωνεί να εγκαταστήσει την εφαρμογή και να παίξει, αλλά σταματά γρήγορα να παίζει και απεγκαθιστά την εφαρμογή κάθε φορά που τον αφήνεις μόνο του, μόνο για να την επανεγκαταστήσεις και να συνεχίσεις να παίζεις όποτε επανεμφανίζεσαι. και ο τρίτος φίλος αμέσως δένεται στην εφαρμογή και ποτέ σταματά να το χρησιμοποιεί.
Αυτό είναι χαλαρά το πώς τα τρία είδη μαγνητισμού που πιθανότατα θα ακούσετε στο πάρτι γραφείων λειτουργούν το ένα με το άλλο. Ενώ ο σιδηρομαγνητισμός, που έχει ήδη περιγραφεί, είναι μια κατάσταση μόνιμου μαγνητισμού, πώς συμβαίνει αυτό και ποιες είναι οι εναλλακτικές λύσεις;
Όπως συμβαίνει, υπάρχουν τέσσερις καλά κατανοητές εναλλακτικές λύσεις στον σιδηρομαγνητισμό. Ο παραμαγνητισμός, και πάλι, είναι η ιδιότητα της έλξης σε ένα μαγνητικό πεδίο και ισχύει για ένα ευρύ φάσμα μετάλλων, συμπεριλαμβανομένων των περισσότερων σύγχρονων ψυγείων. Ο διαμαγνητισμός είναι το αντίθετο, μια τάση να αποκρούεται από ένα μαγνητικό πεδίο. Όλα τα υλικά παρουσιάζουν κάποιο βαθμό διαμαγνητισμού. Και στις δύο περιπτώσεις, το υλικό επιστρέφει στην προηγούμενη κατάστασή του όταν αφαιρείται το πεδίο.
- Μιλήστε δυνατά, ο «σιδηρομαγνητισμός» και ο «παραμαγνητισμός» ακούγονται πολύ, γι 'αυτό να είστε προσεκτικοί όταν συζητάτε αυτά τα θέματα στην ομάδα μελέτης της φυσικής σας.
Φεριμαγνητισμός και αντιφιλομαγνητισμός είναι λιγότερο συχνά γνωστοί τύποι μαγνητισμού. Τα σιδηρομαγνητικά υλικά συμπεριφέρονται σαν τα σιδηρομαγνητικά υλικά και περιλαμβάνουν το jacobsite και τον μαγνητίτη. Ο αιματίτης και ο τριολίτης είναι δύο ενώσεις που επιδεικνύουν αντιμυρωμαγνητισμό, όπου δεν δημιουργείται μαγνητική ροπή.
Χαρακτηριστικά παραμαγνητικών ενώσεων και ατόμων
Τα παραμαγνητικά στοιχεία και τα παραμαγνητικά μόρια μοιράζονται ένα κύριο χαρακτηριστικό και αυτό που έχει μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια. Όσο περισσότερα από αυτά υπάρχουν, τόσο πιο πιθανό είναι το άτομο ή το μόριο να δείξει παραμαγνητισμό. Αυτό συμβαίνει επειδή αυτά τα ηλεκτρόνια ευθυγραμμίζονται με σταθερό τρόπο με τον προσανατολισμό ενός εφαρμοσμένου μαγνητικού πεδίου, δημιουργώντας κάτι που ονομάζεται μαγνητικές διπολικές ροπές γύρω από κάθε άτομο ή μόριο.
Εάν είστε εξοικειωμένοι με τους κανόνες "πλήρωσης" ηλεκτρονίων, γνωρίζετε ότι τα τροχιακά μέσα στα υποσυστήματα μπορούν να κρατήσουν δύο ηλεκτρόνια το καθένα, και ότι υπάρχει ένα από αυτά για ένα δευτερεύον κέλυφος, τρία για ένα δευτερεύον κέλυφος και πέντε για ένα d υπό-κελύφη. Αυτό επιτρέπει χωρητικότητα δύο, έξι και 10 ηλεκτρονίων σε κάθε υπό-κέλυφος, αλλά αυτά θα γεμίσουν έτσι ώστε το καθένα Το τροχιακό συγκρατεί μόνο ένα ηλεκτρόνιο για όσο το δυνατόν περισσότερο έως ότου το ένα ηλεκτρόνιο εκεί πρέπει να φιλοξενήσει a γείτονας.
Αυτό σημαίνει ότι μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τις πληροφορίες σε έναν περιοδικό πίνακα των στοιχείων για να προσδιορίσετε εάν ένα υλικό θα είναι παραμαγνητικό και ευτυχώς, εάν θα είναι ασθενώς παραμαγνητικό (όπως στο Cl, το οποίο έχει ένα μη ζευγαρωμένο ηλεκτρόνιο) ή έντονα παραμαγνητικό (όπως πλατίνα, το οποίο έχει δύο μη ζευγάρια ηλεκτρόνια).
Κατάλογος διαμαγνητικών και παραμαγνητικών ατόμων και μορίων
Ένας τρόπος για να ποσοτικοποιηθεί ο μαγνητισμός είναι μέσω της παραμέτρου που ονομάζεται μαγνητική ευαισθησία χΜ, η οποία είναι μια αδιάστατη ποσότητα που σχετίζεται με την απόκριση ενός υλικού σε ένα εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο. Το οξείδιο του σιδήρου, FeO, έχει πολύ υψηλή τιμή 720.
Άλλα υλικά που θεωρούνται έντονα παραμαγνητικά περιλαμβάνουν στυπτηρία σίδηρο αμμώνιο (66), ουράνιο (40), πλατίνα (26), βολφράμιο (6,8), καίσιο (5,1), αλουμίνιο (2,2), λίθιο (1,4) και μαγνήσιο (1,2), νάτριο (0,72) και αέριο οξυγόνο (0.19).
Αυτές οι τιμές κυμαίνονται ευρέως και οι τιμές του αερίου οξυγόνου μπορεί να φαίνονται μέτριες, αλλά ορισμένα παραμαγνητικά υλικά παρουσιάζουν πολύ μικρότερες τιμές από αυτές που αναφέρονται παραπάνω. Τα περισσότερα στερεά σε θερμοκρασία δωματίου έχουν χΜ τιμές μικρότερες από 0,00001 ή 1 x 10-5.
Η ευαισθησία, όπως θα περίμενε κανείς, δίνεται ως αρνητική τιμή όταν το υλικό είναι διαγνωστικό. Στα παραδείγματα περιλαμβάνονται η αμμωνία (6.26) βισμούθιο (−16.6) υδράργυρος (.92.9) και ο άνθρακας σε διαμάντια (−2.1).