Paramagnetiske arter er overalt. I riktig setting, og uttalt i en skikkelig dyster tone, kunne denne setningen innkalle bilder av rare fremmede inntrengere som løp amok over hele kloden. I stedet er det en grunnleggende uttalelse om en viss kvalitet som deles av et veldefinert sett med partikler på og rundt jorden, og en definert ved hjelp av objektive og lett bestemte kriterier.
Du har uten tvil brukt magneter i livet ditt, og i de fleste tilfeller har du operert i et ikke-trivielt magnetfelt, du har ikke vært klar over det. Du kan til og med vite at visse materialer fungerer som permanente magneter, og at disse kan tiltrekke seg metaller, selv om disse metallene ikke selv er magneter. Eller er de det?
Når det skjer, inkluderer fysikkverdenen, spesielt underdisiplinen til elektromagnetisme, en rekke typer magnetisme. En av disse er paramagnetisme, og det er en egenskap som ofte lett kan verifiseres ved syn, fordi paramagnetiske materialer tiltrekkes av et eksternt påført magnetfelt. Men hvordan skjer dette, og hvor kommer magnetiske "felt" fra, uansett? Sjansen til å lære alt dette og mer, bør sterkt trekke deg til å fortsette å lese!
Hva er magnetisme?
På slutten av 1700-tallet ble det observert at en kompassnål, som peker mot nord som et resultat av jordens magnetfelt, kan avbøyes av tilstedeværelsen av en nærliggende elektrisk strøm.
Dette er det første kjente beviset på at elektrisitet og magnetisme på en eller annen måte var koblet sammen. Faktisk genererer bevegelige ladninger (som er definisjonen av elektrisk strøm) magnetiske felt med "linjer" avhengig av geometrien til den elektriske kretsen.
Når en strømførende ledning er viklet, eller pakket flere ganger, rundt visse typer metall, Dette kan indusere magnetismens egenskaper i disse metallene, i det minste mens strømmen er anvendt. Noen av disse brukes på steder som skrapverft og er kraftige nok til å løfte hele biler.
Samspillet mellom elektrisk strøm og magnetfelt er et emne som kan og fyller hele lærebøker, men foreløpig bør du vite at grunnen til at noen materialer reagerer annerledes på magnetfelt enn andre har å gjøre med egenskapene til elektronene i det høyeste ("ytterste") energiskallet til atomene i disse materialer.
Magnetiseringen av faste stoffer
Hvis et fast stoff plasseres i et påført magnetfelt, kan du forvente at oppførselen til molekylene i stoffet til en viss grad avhenger av materialets tilstand. Det er en gass, som har molekyler som beveger seg ganske fritt, og a væske, der molekyler forblir sammen, men er fri til å gli forbi hverandre, kan oppføre seg annerledes enn et fast stoff, hvis molekyler er låst på plass, vanligvis i en gitterstruktur.
Hvis du forestiller deg et faststoffs grunnleggende krystallstruktur (og arten av dette gjentakende mønsteret kan variere fra stoff til stoff), kan du forestille deg atomkjernene være i sentrum av kuber, med elektronene som okkuperer mellomrom, fritt til å vibrere og, når det gjelder metallfaststoffer, fritt til å streife omkring ukjedet til foreldrene sine kjerner.
Når elektronene til et fast stoff gjør stoffet til en permanent magnet eller en som kan gjøres til en slik magnet, kalles stoffet ferromagnetisk (fra latin ferrum, som betyr jern). I tillegg til jern er elementene kobolt, nikkel og gadolinium ferromagnetiske.
De fleste stoffer viser imidlertid andre reaksjoner på magnetfelt, noe som gjør de fleste atomer paramagnetiske eller diamagnetiske. Disse egenskapene kan bli funnet i forskjellige grader i de samme materialene, og faktorer som temperatur kan påvirke materialets respons på påførte magnetfelt.
Diamagnetisme, paramagnetisme og ferromagnetisme sammenlignet
Tenk på tre forskjellige venner du har valgt som kandidater til å teste den nye vitenskapsspill-appen.
En av dem reagerer bare på dine oppfordringer om å prøve det ved å bli mer motstandsdyktig enn hun var mot spill i begynnelsen. Den andre samtykker i å installere appen og spille, men slutter raskt å spille og avinstallerer appen hver gang du lar ham være alene, bare for å installere den på nytt og fortsette å spille når du dukker opp igjen; og den tredje vennen blir umiddelbart hekta på appen og aldri slutter å bruke den.
Dette er løst hvordan de tre typene magnetisme du mest sannsynlig vil høre om på kontorfestet fungerer i forhold til hverandre. Mens ferromagnetisme, som allerede er beskrevet, er en tilstand av permanent magnetisme, hvordan skjer dette, og hva er alternativene?
Når det skjer, er det fire velforståtte alternativer til ferromagnetisme. Paramagnetisme, igjen, er egenskapen til å bli tiltrukket av et magnetfelt, og gjelder et bredt spekter av metaller, inkludert de fleste moderne kjøleskap. Diamagnetisme er det motsatte, en tendens til å bli frastøtt av et magnetfelt. Alle materialer viser en viss grad av diamagnetisme. I begge tilfeller går materialet kritisk tilbake til sin forrige tilstand når feltet fjernes.
- Uttalt høyt lyder "ferromagnetisme" og "paramagnetisme" mye likt, så vær forsiktig når du diskuterer disse emnene i din fysikkstudiegruppe.
Ferrimagnetisme og antiferromagnetisme er mindre hyppige typer magnetisme. Ferrimagnetiske materialer oppfører seg omtrent som ferromagnetiske materialer, og inkluderer jacobsite og magnetite. Hematitt og troilitt er to forbindelser som viser antiferromagnetisme, hvor det ikke genereres noe magnetisk moment.
Kjennetegn ved paramagnetiske forbindelser og atomer
Paramagnetiske elementer og paramagnetiske molekyler har ett hovedtrekk og det å ha uparrede elektroner. Jo flere av disse det er, desto mer sannsynlig er at atom eller molekyl viser paramagnetisme. Dette er fordi disse elektronene retter seg på en fast måte med orienteringen til et påført magnetfelt, og skaper noe som kalles magnetiske dipolmomenter rundt hvert atom eller molekyl.
Hvis du er kjent med elektronfyllingsregler, vet du at orbitaler i subshells kan inneholde to elektroner hver, og at det er en av disse for en s subshell, tre for a p subshell og fem for a d subshell. Dette muliggjør en kapasitet på to, seks og 10 elektroner i hver subshell, men disse vil fylles opp slik at hver orbital holder bare ett elektron så lenge som mulig til det ene elektronet der må imøtekomme et nabo.
Dette betyr at du kan bruke informasjonen i en periodisk tabell over elementene for å avgjøre om et materiale vil være paramagnetisk, og lykkelig, enten det vil være svakt paramagnetisk (som i Cl, som har et uparret elektron) eller sterkt paramagnetisk (som platina, som har to uparrede elektroner).
Liste over diamagnetiske og paramagnetiske atomer og molekyler
En måte å kvantifisere magnetisme på er gjennom parameteren som heter magnetisk mottakelighet χm, som er en dimensjonsløs mengde som relaterer materialets respons til et påført magnetfelt. Jernoksid, FeO, har en veldig høy verdi på 720.
Andre materialer som betraktes som sterkt paramagnetiske inkluderer jernammoniumalum (66), uran (40), platina (26), wolfram (6,8), cesium (5,1), aluminium (2,2), litium (1,4) og magnesium (1,2), natrium (0,72) og oksygengass (0.19).
Disse verdiene spenner vidt og oksygengassens kan virke beskjedne, men noen paramagnetiske materialer viser langt mindre verdier enn de som er oppført ovenfor. De fleste faste stoffer ved romtemperatur har χm verdier mindre enn 0,00001, eller 1 x 10-5.
Følsomheten, som du kanskje forventer, blir gitt som en negativ verdi når materialet er diamagnetisk. Eksempler inkluderer ammoniakk (−.26) vismut (−16.6) kvikksølv (−2.9) og karbon i diamant (−2.1).