Paramagnetilisi liike on kõikjal. Õiges keskkonnas ja korralikult süngel toonil väljendudes võib see fraas kutsuda kokku imelikke tulnukate sissetungijaid, kes jooksevad kogu maailmas. Selle asemel on see põhiline väide teatud kvaliteedi kohta, mida jagab täpselt määratletud osakeste kogum Maal ja selle ümber, ning see on määratletud objektiivsete ja hõlpsasti määratavate kriteeriumide abil.
Te pole kahtlemata oma elus magneteid kasutanud ja enamasti pole te sellest teadlik olnud, kui olete tegutsenud mitte triviaalses magnetväljas. Võite isegi teada, et teatud materjalid toimivad püsimagnetina ja et need võivad metalle meelitada, kuigi need metallid ei ole ilmselt magnetid. Või on need?
Nagu juhtub, hõlmab füüsikamaailm, täpsemalt elektromagnetismi aladistsipliin, mitmesuguseid magnetismi tüüpe. Üks neist on paramagnetismja see on omadus, mida on sageli hõlpsasti kontrollitav nägemisel, sest paramagnetilisi materjale tõmbab väliselt rakendatav magnetväli. Aga kuidas see juhtub ja kust magnetilised "väljad" ikkagi tulevad? Võimalus õppida kõike seda ja muud peaks teid lugemist jätkama!
Mis on magnetism?
1700. aastate lõpus täheldati, et kompassinõela, mis osutab Maa magnetvälja mõjul põhja poole, saab läheduses oleva elektrivoolu abil kõrvale juhtida.
See on esimene teadaolev tõend selle kohta, et elekter ja magnetism olid kuidagi ühendatud. Tegelikult tekitavad liikuvad laengud (mis on elektrivoolu määratlus) elektrilülituse geomeetriast sõltuvate "joontega" magnetvälju.
Kui voolu kandev traat keeratakse või mähitakse mitu korda teatud tüüpi metalli ümber, see võib indutseerida nende metallide magnetismi omadusi, vähemalt voolu ajal rakendatud. Mõnda neist kasutatakse näiteks vanaraua tehastes ja need on piisavalt võimsad tervete autode tõstmiseks.
Elektrivoolu ja magnetväljade koosmõju on teema, mis võib täita ja täidab terveid õpikuid, kuid praegu peaksite teadma, et põhjuseks on mõned materjalid reageerivad magnetväljadele erinevalt kui teised on seotud nende aatomite kõrgeima ("äärmise") energiakesta elektronide omadustega materjalid.
Tahkete ainete magnetiseerimine
Kui tahke aine asetatakse rakendatud magnetvälja, võite eeldada, et aines olevate molekulide käitumine sõltub teatud määral materjali olekust. See tähendab, et a gaas, millel on üsna vabalt liikuvad molekulid, ja a vedel, milles molekulid püsivad koos, kuid võivad üksteisest mööda libiseda, võivad käituda teisiti kui tahked ained, mille molekulid on lukustatud oma kohale, tavaliselt võre tüüpi struktuuris.
Kui kujutate tahke aine kristalli põhistruktuuri (ja selle korduva mustri olemus võib olla ainetelt erinev), võite ette kujutada aatomite tuuma viibides kuubikute keskpunktides, kusjuures elektronid hõivavad nende vahel olevad ruumid, vabalt vibreerima ja metalliliste tahkete ainete korral vabalt oma vanema juures aheldamata ringi liikuma tuumad.
Kui tahke aine elektronid muudavad aine püsimagnetiks või selliseks, mida saab selliseks magnetiks muuta, nimetatakse ainet nn. ferromagnetiline (ladina keelest ferrum, mis tähendab rauda). Lisaks rauale on ferromagnetilised elemendid koobalt, nikkel ja gadoliinium.
Enamik aineid reageerib aga magnetväljadele teisiti, muutes enamuse aatomitest paramagnetilisteks või diamagneetilisteks. Neid omadusi võib samades materjalides leida erineval määral ja sellised tegurid nagu temperatuur võivad mõjutada materjali reaktsiooni rakendatavatele magnetväljadele.
Diamagnetism, paramagnetism ja ferromagnetism võrreldes
Mõelge oma uue teadusmängu rakenduse testimiseks kolmele erinevale sõbrale, kelle olete kandidaatideks valinud.
Üks neist vastab ainult teie tungidele proovida, muutudes alguses mängude vastu vastupidavamaks. Teine nõustub rakenduse installima ja mängima, kuid lõpetab mängimise kiiresti ja desinstallib rakenduse iga kord, kui jätate ta üksi, et uuesti installida ja jätkata mängimist, kui uuesti ilmute; ja kolmas sõber haakub kohe rakenduse külge ja mitte kunagi lõpetab selle kasutamise.
Nõnda toimivad üksteisega seoses need kolme tüüpi magnetismid, millest kontoripeol kõige tõenäolisemalt kuulete. Kui juba kirjeldatud ferromagnetism on püsimagnetismi seisund, siis kuidas see juhtub ja millised on alternatiivid?
Nagu juhtub, on ferromagnetismile neli hästi arusaadavat alternatiivi. Paramagnetism on jällegi omadus, et see tõmbub magnetvälja poole, ja see kehtib paljude metallide, sealhulgas enamike kaasaegsete külmikute kohta. Diamagnetism on vastupidine, kalduvus magnetvälja poolt tõrjuda. Kõigil materjalidel on teatud määral diamagnetism. Mõlemal juhul naaseb kriitiliselt materjal välja eemaldamisel oma eelmisesse olekusse.
- Valjult öeldes kõlavad "ferromagnetism" ja "paramagnetism" palju sarnaselt, nii et olge ettevaatlik, kui arutate neid teemasid oma füüsikaõpperühmas.
Ferrimagnetism ja antiferromagnetism on vähem levinud magnetismi tüübid. Ferrimagnetilised materjalid käituvad sarnaselt ferromagnetiliste materjalidega ning nende hulka kuuluvad jacobsite ja magnetiit. Hematiit ja troiliit on kaks antiferromagnetismi demonstreerivat ühendit, kus magnetmomenti ei teki.
Paramagnetiliste ühendite ja aatomite omadused
Paramagnetilistel elementidel ja paramagnetilistel molekulidel on üks peamine omadus ja see on selle omamine paarimata elektronid. Mida rohkem neid on, seda tõenäolisemalt näitab aatom või molekul paramagnetismi. Seda seetõttu, et need elektronid joonduvad fikseeritud viisil rakendatud magnetvälja orientatsiooniga, luues iga aatomi või molekuli ümber midagi, mida nimetatakse magnetdipoolmomentideks.
Kui olete tuttav elektronide täitmise reeglitega, teate, et alamkestade orbitaalidesse mahub kaks iga elektron ja et s-alamkesta jaoks on üks neist, p-alamkesta jaoks kolm ja d-i jaoks viis alakoor. See võimaldab igas aluskihis mahutada kaks, kuus ja 10 elektroni, kuid need täidavad nii, et kumbki orbitaal hoiab nii kaua kui võimalik ainult ühte elektroni, kuni üks seal olev elektron peab mahutama a naaber.
See tähendab, et saate elementide perioodilisustabelis oleva teabe abil kindlaks teha, kas materjal on paramagnetiline ja õnnelikult, kas see on nõrgalt paramagnetiline (nagu Cl-is, millel on üks paarimata elektron) või tugevalt paramagnetiline (nagu plaatinal, millel on kaks paardumata elektroni).
Diamagneetiliste ja paramagnetiliste aatomite ja molekulide loetelu
Üks viis magnetismi kvantifitseerimiseks on parameetri nimetus magnetiline vastuvõtlikkus χm, mis on mõõtmeteta suurus, mis seob materjali reaktsiooni rakendatud magnetväljale. Raudoksiidi, FeO, väärtus on väga kõrge - 720.
Teiste tugevalt paramagnetiliseks peetavate materjalide hulka kuuluvad rauammooniumalumiin (66), uraan (40), plaatina (26), volfram (6.8), tseesium (5.1), alumiinium (2.2), liitium (1.4) ja magneesium (1.2), naatrium (0.72) ja gaasiline hapnik (0.19).
Need väärtused varieeruvad laialdaselt ja hapnikugaasi väärtus võib tunduda tagasihoidlik, kuid mõned paramagnetilised materjalid näitavad palju väiksemaid väärtusi kui eespool loetletud. Enamikul toatemperatuuril olevatest tahketest ainetest on χm väärtused on väiksemad kui 0,00001 või 1 x 10-5.
Vastuvõtlikkus, nagu võite arvata, antakse negatiivse väärtusena, kui materjal on diamagnetiline. Näideteks on ammoniaak (−.26) vismut (−16.6) elavhõbe (−2.9) ja teemandi süsinik (−2.1).
