Paramagnētiskās sugas ir visur. Pareizajā vidē un pareizi drūmā tonī izskanējusī frāze varētu izsaukt dīvainu citplanētiešu iebrucēju attēlus, kas visā pasaulē skumst. Tā vietā tas ir pamata paziņojums par noteiktu kvalitāti, ko dala precīzi definēts daļiņu kopums uz Zemes un ap Zemi, un tas ir noteikts, izmantojot objektīvus un viegli noteiktus kritērijus.
Jūs, bez šaubām, savā dzīvē esat izmantojis magnētus, un vairumā gadījumu, ja esat darbojies ne-triviālā magnētiskajā laukā, jūs to nezināt. Jūs pat varat zināt, ka daži materiāli darbojas kā pastāvīgie magnēti un ka tie var piesaistīt metālus, kaut arī šie metāli acīmredzot nav magnēti. Vai arī viņi ir?
Tā notiek, fizikas pasaule, īpaši elektromagnētisma apakšdisciplīna, ietver dažādus magnētisma veidus. Viens no šiem ir paramagnetisms, un tas ir īpašums, kuru bieži var viegli pārbaudīt, redzot, jo paramagnētiskos materiālus piesaista ārēji pielietots magnētiskais lauks. Bet kā tas notiek, un no kurienes rodas magnētiskie "lauki"? Iespējai uzzināt visu to un vēl vairāk vajadzētu ļoti mudināt jūs turpināt lasīt!
Kas ir magnētisms?
1700. gadu beigās tika novērots, ka kompasa adatu, kas Zemes magnētiskā lauka ietekmē ir vērsta uz ziemeļiem, var novirzīt tuvumā esošās elektriskās strāvas klātbūtne.
Šis ir pirmais zināmais pierādījums tam, ka elektrība un magnētisms bija kaut kā saistīti. Patiesībā kustīgi lādiņi (kas ir elektriskās strāvas definīcija) rada magnētiskos laukus ar "līnijām", kas ir atkarīgi no elektriskās ķēdes ģeometrijas.
Ja strāvu nesošais vads tiek satīts vai aptīts vairākas reizes ap noteiktiem metāla veidiem, tas var izraisīt magnētisma īpašību šajos metālos, vismaz pašreizējās strāvas laikā piemēro. Daži no tiem tiek izmantoti tādās vietās kā metāllūžņu laukumi un ir pietiekami jaudīgi, lai paceltu veselus automobiļus.
Elektriskās strāvas un magnētiskā lauka mijiedarbība ir tēma, kas var aizpildīt un piepilda veselas mācību grāmatas, taču tagad jums jāzina, ka iemesls dažiem materiāliem reaģē uz magnētiskajiem laukiem atšķirīgi, nekā citi ir saistīti ar to atomu augstākās ("visattālākās") enerģijas apvalka elektronu īpašībām materiāliem.
Cietvielu magnetizācija
Ja cietā viela tiek ievietota pielietotajā magnētiskajā laukā, jūs varētu sagaidīt, ka vielas molekulu uzvedība zināmā mērā būs atkarīga no materiāla stāvokļa. Tas ir, a gāze, kurā ir molekulas, kas pārvietojas diezgan brīvi, un a šķidrums, kurā molekulas paliek kopā, bet brīvi slīd garām viena otrai, varētu izturēties savādāk nekā cieta viela, kuras molekulas ir bloķētas savā vietā, parasti režģa tipa struktūrā.
Ja jūs attēlojat cietas vielas pamata kristāla struktūru (un šī atkārtojošā modeļa būtība var būt atšķirīga atkarībā no vielas), varat iedomāties atomu kodolus atrodoties kubu centros, elektroniem aizņemot atstarpes starp tām, brīvi vibrēt un metāla cietvielu gadījumā brīvi klīst bez vecākiem pie vecākiem kodoli.
Kad cietas vielas elektroni padara vielu par pastāvīgu magnētu vai tādu, kuru var padarīt par šādu magnētu, vielu sauc par feromagnētisks (no latīņu ferrum, kas nozīmē dzelzi). Papildus dzelzs elementiem kobalts, niķelis un gadolīnijs ir feromagnētiski.
Tomēr lielākajai daļai vielu ir citas reakcijas uz magnētiskajiem laukiem, padarot lielāko daļu atomu magnētiski vai diamagnētiski. Šīs īpašības vienā un tajā pašā materiālā var atrast dažādās pakāpēs, un tādi faktori kā temperatūra var ietekmēt materiāla reakciju uz pielietotajiem magnētiskajiem laukiem.
Diamagnetisms, paramagnetisms un feromagnetisms salīdzinājumā
Apsveriet trīs dažādus draugus, kurus esat izvēlējies kā kandidātus, lai pārbaudītu savu jauno zinātnes spēļu lietotni.
Viena no viņām reaģē tikai uz jūsu mudinājumiem pamēģināt, kļūstot izturīgāka nekā viņa bija spēles sākumā. Otrais piekrīt instalēt lietotni un spēlēt, taču ātri pārtrauc atskaņošanu un atinstalē lietotni katru reizi, kad atstājat viņu vienu, lai to atkārtoti instalētu un turpinātu spēlēt ikreiz, kad atkal parādās; un trešais draugs uzreiz piesaista lietotni un nekad pārtrauc to lietot.
Tas ir brīvi, kā trīs magnētisma veidi, par kuriem, visticamāk, dzirdēsiet biroja ballītē, darbojas viens pret otru. Lai gan jau aprakstītais feromagnētisms ir pastāvīga magnētisma stāvoklis, kā tas notiek, un kādas ir alternatīvas?
Kā tas notiek, feromagnētismam ir četras labi saprotamas alternatīvas. Paramagnētisms atkal ir īpašība, ka to piesaista magnētiskais lauks, un tas attiecas uz plašu metālu klāstu, ieskaitot lielāko daļu mūsdienu ledusskapju. Diamagnetisms ir pretējs, tendence to atvairīt ar magnētisko lauku. Visi materiāli demonstrē zināmu diamagnetisma pakāpi. Abos gadījumos kritiski materiāls atgriežas iepriekšējā stāvoklī, kad lauks tiek noņemts.
- Skaļi runājot, "feromagnētisms" un "paramagnetisms" izklausās daudz līdzīgi, tāpēc esiet piesardzīgs, apspriežot šīs tēmas savā fizikas mācību grupā.
Ferrimagnētisms un antiferromagnētisms ir retāk sastopami magnētisma veidi. Ferrimagnētiskie materiāli izturas līdzīgi kā feromagnētiskie materiāli, un tie ietver džakobītu un magnetītu. Hematīts un troilīts ir divi savienojumi, kas demonstrē antiferromagnētismu, kur nerodas magnētiskais moments.
Paramagnētisko savienojumu un atomu raksturojums
Paramagnētiskajiem elementiem un paramagnētiskajām molekulām ir viena galvenā iezīme, un tā ir nepāra elektroni. Jo vairāk to ir, jo lielāka atoma vai molekulas izpausme ir paramagnetisms. Tas ir tāpēc, ka šie elektroni fiksētā veidā izlīdzinās ar pielietotā magnētiskā lauka orientāciju, izveidojot kaut ko, ko sauc par magnētiskā dipola momentiem ap katru atomu vai molekulu.
Ja esat iepazinies ar elektronu "aizpildīšanas" noteikumiem, jūs zināt, ka orbītas apakšslāņos var turēt divas elektroni katrs un ka ir viens no šiem apakšslānim s, trīs p apakšapvalkam un pieci d apakšgliemene. Tas ļauj katrā apakšējā apvalkā ievietot divus, sešus un 10 elektronus, bet tie piepildīsies tā, lai katrs orbitālē pēc iespējas ilgāk ir tikai viens elektrons, līdz tajā esošajam elektronam ir jāpielāgo a kaimiņš.
Tas nozīmē, ka jūs varat izmantot informāciju periodiskajā tabulā ar elementiem, lai noteiktu, vai materiāls būs paramagnētisks un ar prieku, vai tas būs vāji paramagnētisks (kā Cl, kuram ir viens nepāra elektrons) vai stipri paramagnētisks (piemēram, platīns, kuram ir divi nesapāri elektroni).
Diamagnētisko un parametrisko atomu un molekulu saraksts
Viens veids, kā kvantitatīvi noteikt magnētismu, ir parametrs, ko sauc magnētiskā uzņēmība χm, kas ir bezizmēra lielums, kas attiecas uz materiāla reakciju uz pielietoto magnētisko lauku. Dzelzs oksīdam, FeO, ir ļoti liela vērtība 720.
Citi materiāli, kurus uzskata par spēcīgi paramagnētiskiem, ir dzelzs amonija alum (66), urāns (40), platīns (26), volframs (6.8), cēzijs (5.1), alumīnijs (2.2), litijs (1.4) un magnijs (1.2), nātrijs (0.72) un skābekļa gāze (0.19).
Šīs vērtības ir ļoti atšķirīgas, un skābekļa gāzes vērtība var šķist pieticīga, taču dažiem paramagnētiskiem materiāliem ir daudz mazākas vērtības nekā iepriekš uzskaitītajām. Lielākajai daļiņai istabas temperatūrā ir χm vērtības ir mazākas par 0,00001 vai 1 x 10-5.
Uzņēmība, kā jūs varētu sagaidīt, tiek dota kā negatīva vērtība, ja materiāls ir diamagnētisks. Piemēri ir amonjaks (−.26) bismuts (−16.6) dzīvsudrabs (−2.9) un ogleklis dimantā (−2.1).