Paramagnetske vrste su posvuda. U pravom okruženju, i izražen pravilno tmurnim tonom, ta bi fraza mogla prizivati slike čudnih izvanzemaljskih osvajača koji se nadvijaju diljem svijeta. Umjesto toga, to je osnovna izjava o određenoj kvaliteti koju dijeli dobro definirani skup čestica na Zemlji i oko nje, i ona definirana pomoću objektivnih i lako utvrđenih kriterija.
U svom ste životu nesumnjivo koristili magnete, a u većini slučajeva kada ste radili u ne trivijalnom magnetskom polju, toga niste bili svjesni. Možda čak znate da određeni materijali funkcioniraju kao trajni magneti i da oni mogu privući metale iako ti metali naizgled nisu magneti. Ili jesu?
Inače, svijet fizike, posebno poddisciplina elektromagnetizam, uključuje razne vrste magnetizma. Jedan od tih je paramagnetizam, a to je svojstvo koje se često lako provjeri na vidiku, jer paramagnetski materijali privlače izvana primijenjeno magnetsko polje. Ali kako se to događa i odakle uopće dolaze magnetska "polja"? Šansa da naučite sve to i još mnogo toga trebala bi vas snažno vući da nastavite čitati!
Što je magnetizam?
Krajem 1700-ih primijećeno je da se igla kompasa, koja usmjerava prema sjeveru kao rezultat Zemljinog magnetskog polja, može odbiti prisutnošću obližnje električne struje.
Ovo je prvi poznati dokaz da su elektricitet i magnetizam nekako povezani. Zapravo, pomični naboji (što je definicija električne struje) generiraju magnetska polja s "linijama" ovisno o geometriji električnog kruga.
Kada se žica za struju namota ili omota više puta oko određenih vrsta metala, to može inducirati svojstvo magnetizma u tim metalima, barem dok traje struja primijenjena. Neki od njih koriste se na mjestima poput dvorišta metalnog otpada i dovoljno su snažni da podižu cijele automobile.
Međusobno djelovanje električne struje i magnetskih polja tema je koja može i ispunjava cijele udžbenike, ali za sada biste trebali znati da je razlog tome što neki materijali reagiraju drugačije na magnetska polja nego što je to povezano sa svojstvima elektrona u najvećoj ("najudaljenijoj") energetskoj ovojnici atoma u njima materijali.
Magnetizacija čvrstih tijela
Ako se čvrsta tvar stavi u primijenjeno magnetsko polje, mogli biste očekivati da ponašanje molekula u tvari donekle ovisi o stanju materijala. To je plin, koji ima molekule koje se sasvim slobodno kreću, i a tekućina, u kojem molekule ostaju zajedno, ali su slobodne da klize jedna pored druge, mogu se ponašati drugačije od krutine, čije su molekule zaključane na mjestu, obično u strukturi rešetkaste vrste.
Ako zamislite osnovnu kristalnu strukturu krutine (a priroda ovog ponavljajućeg uzorka može se razlikovati od supstancije do supstance), možete zamisliti jezgre atoma nalazeći se u središtima kocki, s elektronima koji zauzimaju prostore između njih, slobodni vibrirati i, u slučaju metalnih čvrstih tvari, slobodno lutati okovani okovom do roditelja jezgre.
Kada elektroni krutine tvar čine trajnim magnetom ili onim od kojeg se može napraviti takav magnet, tvar se naziva feromagnetski (od latinskog ferrum, što znači željezo). Pored željeza, feromagnetski su i elementi kobalt, nikal i gadolinij.
Većina tvari, međutim, pokazuje druge reakcije na magnetska polja, čineći većinu atoma paramagnetskim ili dijamagnetskim. Ta se svojstva mogu naći u različitim stupnjevima u istim materijalima, a čimbenici poput temperature mogu utjecati na reakciju materijala na primijenjena magnetska polja.
U usporedbi s dijamagnetizmom, paramagnetizmom i feromagnetizmom
Razmislite o tri različita prijatelja koja ste odabrali kao kandidate da biste testirali svoju novu aplikaciju za znanstvene igre.
Jedna od njih samo odgovara na vaše nagone da pokušate tako što ćete postati otpornija nego što je bila na početku igranja igara. Drugi pristaje instalirati aplikaciju i igrati se, ali brzo prestaje s reprodukcijom i deinstalira aplikaciju svaki put kad ga ostavite na miru, samo da bi je ponovo instalirao i nastavio igrati kad god se ponovo pojavi; a treći prijatelj se odmah navuče na aplikaciju i nikada prestaje ga koristiti.
Lako djeluju tri vrste magnetizma za koje ćete najvjerojatnije čuti na uredskom tulumu. Iako je feromagnetizam, već opisano, stanje trajnog magnetizma, kako se to događa i koje su alternative?
Slučajno postoje četiri dobro shvaćene alternative feromagnetizmu. Paramagnetizam je opet svojstvo privlačenja magnetskog polja i odnosi se na širok spektar metala, uključujući većinu modernih hladnjaka. Dijamagnetizam je suprotno, tendencija ka odbijanju magnetskim poljem. Svi materijali pokazuju određeni stupanj dijamagnetizma. U oba slučaja, kritično se materijal vraća u prethodno stanje kada se polje ukloni.
- Izgovoreno naglas, "feromagnetizam" i "paramagnetizam" zvuče podjednako, zato budite oprezni kada raspravljate o tim temama u svojoj studijskoj grupi za fiziku.
Ferrimagnetizam i antiferromagnetizam rjeđe se susreću vrste magnetizma. Ferrimagnetski materijali ponašaju se slično feromagnetskim materijalima, a uključuju jakobita i magnetit. Hematit i troilit su dva spoja koja pokazuju antiferromagnetizam, pri čemu se ne stvara magnetski moment.
Karakteristike paramagnetskih spojeva i atoma
Paramagnetski elementi i paramagnetske molekule dijele jedno glavno svojstvo i to je njihovo posjedovanje nespareni elektroni. Što ih je više, to je vjerojatnije da atom ili molekula pokazuju paramagnetizam. To je zato što se ovi elektroni fiksiraju na fiksni način s orijentacijom primijenjenog magnetskog polja, stvarajući nešto što se naziva magnetski dipolni momenti oko svakog atoma ili molekule.
Ako ste upoznati s pravilima za "punjenje" elektrona, znate da orbitale unutar podljuski mogu sadržavati dvije elektrona i da postoji jedan od njih za s potljusku, tri za p podljusku i pet za d podljuska. To omogućuje kapacitet od dva, šest i 10 elektrona u svakoj podljusci, ali oni će se napuniti tako da se svaki orbitala drži samo jedan elektron što je duže moguće dok jedan tamošnji elektron ne treba smjestiti a susjed.
To znači da pomoću podataka u periodnom sustavu elemenata možete odrediti hoće li neki materijal biti paramagnetičan i, sretno, hoće li bit će slabo paramagnetičan (kao u Cl, koji ima jedan nespareni elektron) ili jako paramagnetski (poput platine, koja ima dva nesparena elektrona).
Popis dijamagnetskih i paramagnetskih atoma i molekula
Jedan od načina kvantificiranja magnetizma je parametar tzv magnetska osjetljivost χm, koja je bezdimenzionalna veličina koja odnosi odziv materijala na primijenjeno magnetsko polje. Željezni oksid, FeO, ima vrlo visoku vrijednost od 720.
Ostali materijali koji se smatraju jako paramagnetskim uključuju željezo-amonijev stipsu (66), uran (40), platinu (26), volfram (6.8), cezij (5.1), aluminij (2.2), litij (1.4) i magnezij (1.2), natrij (0.72) i plin kisika (0.19).
Te se vrijednosti široko kreću, a vrijednost plina kisika može se činiti skromnom, ali neki paramagnetski materijali pokazuju daleko manje vrijednosti od gore navedenih. Većina krutina na sobnoj temperaturi ima χm vrijednosti manje od 0,00001 ili 1 x 10-5.
Osjetljivost se, kao što biste mogli očekivati, daje kao negativna vrijednost kada je materijal dijamagnetski. Primjeri uključuju amonijak (-26) bizmut (-16,6) žive (-2,9) i ugljik u dijamantu (-2,1).