Specii paramagnetice sunt peste tot. În cadrul potrivit și exprimat într-un ton corect sumbru, acea frază ar putea convoca imagini ale unor invadatori străini ciudați care fugeau pe tot globul. În schimb, este o afirmație de bază despre o anumită calitate împărtășită de un set bine definit de particule pe și despre Pământ și una definită folosind criterii obiective și ușor de determinat.
Fără îndoială că ați folosit magneți în viața voastră și, în majoritatea cazurilor, că ați operat într-un câmp magnetic non-trivial, nu ați fost conștienți de acest lucru. Puteți ști chiar că anumite materiale funcționează ca magneți permanenți și că acestea pot atrage metale chiar dacă aceste metale nu sunt ele însele aparent magneți. Sau sunt?
După cum se întâmplă, lumea fizicii, în special subdisciplina electromagnetismului, include o varietate de tipuri de magnetism. Una dintre acestea este paramagnetism, și este o proprietate care este adesea ușor verificată la vedere, deoarece materialele paramagnetice sunt atrase de un câmp magnetic aplicat extern. Dar cum se întâmplă acest lucru și de unde provin „câmpurile” magnetice, oricum? Șansa de a învăța toate acestea și multe altele ar trebui să vă atragă cu tărie să continuați să citiți!
Ce este magnetismul?
La sfârșitul anilor 1700, s-a observat că un ac al busolei, care îndreaptă spre nord ca urmare a câmpului magnetic al Pământului, poate fi deviat prin prezența unui curent electric din apropiere.
Aceasta este prima dovadă cunoscută că electricitatea și magnetismul au fost cumva conectate. De fapt, sarcinile în mișcare (care este definiția curentului electric) generează câmpuri magnetice cu „linii” dependente de geometria circuitului electric.
Când un fir care transportă curent este înfășurat sau înfășurat de mai multe ori, în jurul anumitor tipuri de metal, aceasta poate induce proprietatea magnetismului în aceste metale, cel puțin în timp ce curentul este aplicat. Unele dintre acestea sunt folosite în locuri precum șantierele de fier vechi și sunt suficient de puternice pentru a ridica automobile întregi.
Interacțiunea dintre curentul electric și câmpurile magnetice este un subiect care poate și poate umple manuale întregi, dar pentru moment, ar trebui să știți că motivul pentru care unele materiale răspunde diferit la câmpurile magnetice decât altele au legătură cu proprietățile electronilor din cea mai înaltă („cea mai exterioară”) coajă de energie a atomilor din acei materiale.
Magnetizarea solidelor
Dacă o substanță solidă este plasată într-un câmp magnetic aplicat, vă puteți aștepta ca comportamentul moleculelor din substanță să depindă într-o oarecare măsură de starea materialului. Adică a gaz, care are molecule care se mișcă destul de liber și a lichid, în care moleculele rămân împreună, dar sunt libere să alunece unele peste altele, s-ar putea comporta diferit față de un solid, ale cărui molecule sunt blocate în loc, de obicei într-o structură de tip rețea.
Dacă vă imaginați structura cristalină de bază a unui solid (și natura acestui tipar care se repetă poate varia de la substanță la substanță), vă puteți imagina nucleele atomilor aflându-se în centrul cuburilor, cu electronii care ocupă spații între ele, libere să vibreze și, în cazul solidelor metalice, libere să se plimbe neînlănțuite către părintele lor nuclee.
Când electronii unui solid transformă substanța într-un magnet permanent sau care poate fi transformat într-un astfel de magnet, substanța se numește feromagnetic (din latină fer, adică fier). Pe lângă fier, elementele cobalt, nichel și gadoliniu sunt feromagnetice.
Majoritatea substanțelor, cu toate acestea, prezintă alte răspunsuri la câmpurile magnetice, ceea ce face ca majoritatea atomilor să fie paramagnetici sau diamagnetici. Aceste proprietăți pot fi găsite în diferite grade în aceleași materiale și factori precum temperatura pot afecta răspunsul unui material la câmpurile magnetice aplicate.
Diamagnetism, Paramagnetism și Ferromagnetism comparate
Luați în considerare trei prieteni diferiți pe care i-ați ales ca candidați pentru a testa noua aplicație de jocuri științifice.
Unul dintre ei răspunde la dorințele tale de a încerca, devenind mai rezistent decât era ea la joc. Al doilea este de acord să instaleze aplicația și să se joace, dar se oprește rapid din joc și dezinstalează aplicația de fiecare dată când îl lăsați în pace, doar pentru a o reinstala și a continua să se joace ori de câte ori reapăreați; iar al treilea prieten se agăță imediat de aplicație și nu încetează să-l mai folosească.
Așa se desfășoară în mod vag cele trei tipuri de magnetism despre care sunteți cel mai probabil să auziți la petrecerea de la birou, unul în raport cu celălalt. În timp ce feromagnetismul, descris deja, este o stare de magnetism permanent, cum se întâmplă acest lucru și care sunt alternativele?
Așa cum se întâmplă, există patru alternative bine înțelese la feromagnetism. Paramagnetismul, din nou, este proprietatea de a fi atras de un câmp magnetic și se aplică unei game largi de metale, inclusiv frigiderelor moderne. Diamagnetismul este opusul, o tendință de a fi respins de un câmp magnetic. Toate materialele prezintă un anumit grad de diamagnetism. În ambele cazuri, în mod critic, materialul revine la starea sa anterioară atunci când câmpul este eliminat.
- Vorbit cu voce tare, „feromagnetismul” și „paramagnetismul” sună foarte mult, așa că fiți atenți când discutați aceste subiecte în grupul dvs. de studiu de fizică.
Ferrimagnetismul și antiferomagnetism sunt mai rar întâlnite tipuri de magnetism. Materialele ferimagnetice se comportă la fel ca materialele feromagnetice și includ jacobsite și magnetit. Hematita și troilita sunt doi compuși care demonstrează antiferromagnetism, în care nu se generează niciun moment magnetic.
Caracteristicile compușilor și atomilor paramagnetici
Elementele paramagnetice și moleculele paramagnetice împărtășesc o trăsătură principală și este aceea de a avea electroni nepereche. Cu cât există mai multe dintre acestea, cu atât este mai probabil ca atomul sau molecula să prezinte paramagnetism. Acest lucru se datorează faptului că acești electroni se aliniază într-un mod fix cu orientarea unui câmp magnetic aplicat, creând ceva numit momente dipol magnetice în jurul fiecărui atom sau moleculă.
Dacă sunteți familiarizați cu regulile de „umplere” a electronilor, știți că orbitalii din sub-cochilii pot conține două electroni fiecare și că există unul dintre aceștia pentru o sub-coajă, trei pentru o sub coajă și cinci pentru o d sub-coajă. Acest lucru permite o capacitate de doi, șase și 10 electroni în fiecare sub-coajă, dar aceștia se vor umple astfel încât fiecare orbitalul deține doar un electron cât mai mult timp posibil până când un electron de acolo trebuie să acomodeze un vecin.
Aceasta înseamnă că puteți utiliza informațiile dintr-un tabel periodic al elementelor pentru a determina dacă un material va fi paramagnetic și, fericit, dacă va fi slab paramagnetic (ca în Cl, care are un electron nepereche) sau puternic paramagnetic (cum ar fi platina, care are doi electroni nepereche).
Lista atomilor și moleculelor diamagnetice și paramagnetice
O modalitate de a cuantifica magnetismul este prin parametrul numit susceptibilitate magnetică χm, care este o cantitate adimensională care raportează răspunsul unui material la un câmp magnetic aplicat. Oxidul de fier, FeO, are o valoare foarte mare de 720.
Alte materiale considerate puternic paramagnetice includ aluminiul de fier amoniu (66), uraniul (40), platina (26), tungsten (6,8), cesiu (5,1), aluminiu (2,2), litiu (1,4) și magneziu (1,2), sodiu (0,72) și oxigen gazos (0.19).
Aceste valori variază foarte mult, iar cea a oxigenului gazos poate părea modestă, dar unele materiale paramagnetice prezintă valori mult mai mici decât cele enumerate mai sus. Majoritatea solidelor la temperatura camerei au χm valori mai mici de 0,00001 sau 1 x 10-5.
Susceptibilitatea, așa cum v-ați putea aștepta, este dată ca valoare negativă atunci când materialul este diamagnetic. Exemplele includ amoniac (−26) bismut (−16,6) mercur (−2,9) și carbonul din diamant (−2,1).