Paramagnetické druhy sú všade. V správnom prostredí a vyjadrená správne pochmúrnym tónom mohla táto fráza vyvolať obrazy podivných mimozemských votrelcov pobehujúcich po celom svete amok. Namiesto toho je to základné tvrdenie o určitej kvalite, ktorú zdieľa presne definovaná sada častíc na Zemi a o Zemi, a jedno vyjadrenie založené na objektívnych a ľahko stanovených kritériách.
Vo svojom živote ste nepochybne využili magnety a vo väčšine prípadov, keď ste operovali v netriviálnom magnetickom poli, ste o tom nevedeli. Možno dokonca viete, že určité materiály fungujú ako permanentné magnety a že môžu priťahovať kovy, aj keď tieto kovy samy o sebe zjavne nie sú magnetmi. Alebo sú?
Ako to už býva, svet fyziky, konkrétne subdisciplína elektromagnetizmu, obsahuje rôzne druhy magnetizmu. Jedným z nich je paramagnetizmus, a je to vlastnosť, ktorá sa často ľahko overí na pohľad, pretože paramagnetické materiály sú priťahované k externe použitému magnetickému poľu. Ako sa to však stane a odkiaľ vôbec pochádzajú magnetické „polia“? Šanca naučiť sa to všetko a ešte viac by vás mala silno lákať k ďalšiemu čítaniu!
Čo je magnetizmus?
Koncom 17. storočia sa pozorovalo, že ihla kompasu, ktorá smeruje na sever v dôsledku magnetického poľa Zeme, sa dá vychýliť prítomnosťou blízkeho elektrického prúdu.
Toto je prvý známy dôkaz, že elektrina a magnetizmus boli nejako spojené. V skutočnosti pohybujúce sa náboje (čo je definícia elektrického prúdu) vytvárajú magnetické polia s „čiarami“ závislými od geometrie elektrického obvodu.
Keď je drôt vedúci prúd stočený alebo obalený viackrát okolo určitých druhov kovov, to môže indukovať vlastnosť magnetizmu v týchto kovoch, prinajmenšom počas prúdenia aplikovaný. Niektoré z nich sa používajú na miestach, ako sú železné šroty, a sú dostatočne výkonné na to, aby zdvihli celé automobily.
Súhra elektrického prúdu a magnetického poľa je predmet, ktorý môže a skutočne zapĺňa celé učebnice, ale zatiaľ by ste mali vedieť, že dôvodom niektorých materiálov reagujú odlišne na magnetické polia, než majú iné vlastnosti elektrónov v najvyššej („najvzdialenejšej“) energetickej schránke atómov v týchto atómoch materiálov.
Magnetizácia pevných látok
Ak je pevná látka umiestnená do aplikovaného magnetického poľa, môžete očakávať, že správanie molekúl v látke bude do istej miery závisieť od stavu materiálu. Toto je plyn, ktorý má molekuly, ktoré sa pohybujú celkom voľne, a a tekutý, v ktorom molekuly zostávajú pohromade, ale môžu sa navzájom kĺzať, sa môžu správať inak ako tuhá látka, ktorej molekuly sú uzamknuté na svojom mieste, zvyčajne v štruktúre mriežkového typu.
Ak si zobrazíte základnú kryštalickú štruktúru pevnej látky (a povaha tohto opakujúceho sa vzoru sa môže líšiť od látky k látke), môžete si predstaviť jadrá atómov byť v stredoch kociek, s elektrónmi zaberajúcimi medzery, bez vibrácií a v prípade kovových pevných látok bez pohybu okolo svojich nespútaných jadrá.
Keď elektróny pevnej látky urobia z látky permanentný magnet alebo z ktorého sa dá taký magnet vyrobiť, látka sa volá feromagnetický (z lat ferrum, význam železo). Okrem železa sú prvky kobalt, nikel a gadolínium feromagnetické.
Väčšina látok však vykazuje iné reakcie na magnetické polia, vďaka čomu je väčšina atómov paramagnetická alebo diamagnetická. Tieto vlastnosti možno nájsť v rôznych stupňoch u rovnakých materiálov a faktory, ako napríklad teplota, môžu ovplyvniť reakciu materiálu na aplikované magnetické pole.
Porovnávané diamagnetizmus, paramagnetizmus a feromagnetizmus
Zvážte troch rôznych priateľov, ktorých ste si vybrali ako kandidátov na otestovanie svojej novej vedeckej hry.
Jedna z nich reaguje iba na vaše nutkanie vyskúšať to tak, že bude na začiatku odolnejšia voči hraniu hier ako ona. Druhý súhlasí s inštaláciou aplikácie a prehrávaním, ale rýchlo prestane hrať a odinštaluje aplikáciu zakaždým, keď ho necháte osamote, iba ju znova nainštaluje a bude hrať, kedykoľvek sa znovu objavíte; a tretí priateľ sa okamžite stane závislým na aplikácii a nikdy prestane to používať.
Takto voľne fungujú tri druhy magnetizmu, ktoré s najväčšou pravdepodobnosťou počujete na večierku v kancelárii. Zatiaľ čo feromagnetizmus, ktorý už bol opísaný, je stavom permanentného magnetizmu, ako sa to stane a aké sú alternatívy?
Ako to tak býva, existujú štyri dobre pochopiteľné alternatívy feromagnetizmu. Paramagnetizmus je opäť vlastnosťou priťahovania k magnetickému poľu a vzťahuje sa na širokú škálu kovov vrátane najmodernejších chladničiek. Diamagnetizmus je opak, tendencia byť odrazená magnetickým poľom. Všetky materiály vykazujú určitý stupeň diamagnetizmu. V obidvoch prípadoch sa materiál kriticky po odstránení poľa vráti do predchádzajúceho stavu.
- Nahlas, „feromagnetizmus“ a „paramagnetizmus“ znejú veľmi podobne, takže pri diskusii na tieto témy vo študijnej skupine fyziky buďte opatrní.
Ferimagnetizmus a antiferomagnetizmus sú menej často sa vyskytujúce typy magnetizmu. Ferimagnetické materiály sa správajú podobne ako feromagnetické materiály a patria medzi ne jacobsit a magnetit. Hematit a troilit sú dve zlúčeniny, ktoré preukazujú antiferomagnetizmus, pri ktorom nevzniká žiadny magnetický moment.
Charakteristiky paramagnetických zlúčenín a atómov
Paramagnetické prvky a paramagnetické molekuly zdieľajú jednu hlavnú vlastnosť a tú majú nespárené elektróny. Čím viac ich je, tým je pravdepodobnejšie, že atóm alebo molekula preukážu paramagnetizmus. Je to tak preto, lebo tieto elektróny sa fixne zarovnávajú s orientáciou aplikovaného magnetického poľa a vytvárajú okolo každého atómu alebo molekuly niečo, čo sa nazýva magnetické dipólové momenty.
Ak poznáte pravidlá „vypĺňania“ elektrónov, viete, že na orbitaly v podškrupinách sa zmestia dva elektróny každý, a že existuje jeden z nich pre podšupku s, tri pre p podšupku a päť pre d subshell. To umožňuje kapacitu dvoch, šiestich a 10 elektrónov v každom subshell, ale tieto sa zaplnia tak, že každý orbitál drží len jeden elektrón čo najdlhšie, kým tam jeden elektrón musí pojať a suseda.
To znamená, že pomocou informácií v periodickej tabuľke prvkov môžete určiť, či bude materiál paramagnetický, a šťastne, či bude slabo paramagnetický (ako v Cl, ktorý má jeden nespárovaný elektrón) alebo silne paramagnetický (ako platina, ktorá má dva nespárené elektróny).
Zoznam diamagnetických a paramagnetických atómov a molekúl
Jedným zo spôsobov, ako kvantifikovať magnetizmus, je volaný parameter magnetická susceptibilita χm, čo je bezrozmerná veličina súvisiaca s reakciou materiálu na aplikované magnetické pole. Oxid železa, FeO, má veľmi vysokú hodnotu 720.
Medzi ďalšie materiály považované za silne paramagnetické patrí železito-amónny kamenec (66), urán (40), platina (26), volfrám (6,8), cézium (5,1), hliník (2,2), lítium (1,4) a horčík (1,2), sodík (0,72) a plynný kyslík (0.19).
Tieto hodnoty sa pohybujú v širokom rozmedzí a hodnoty plynného kyslíka sa môžu javiť ako skromné, ale niektoré paramagnetické materiály vykazujú oveľa nižšie hodnoty ako tie, ktoré sú uvedené vyššie. Väčšina tuhých látok pri izbovej teplote má χm hodnoty menšie ako 0,00001 alebo 1 x 10-5.
Náchylnosť, ako môžete čakať, sa dá považovať za zápornú hodnotu, keď je materiál diamagnetický. Príklady zahŕňajú amoniak (- 26), bizmut (- 16,6), ortuť (- 2,9) a uhlík v diamantu (- 2,1).