Paramagnetne vrste so povsod. V pravilnem okolju in s pravilnim mračnim tonom lahko ta stavek prikliče podobe nenavadnih vsiljivcev tujcev, ki bežijo po vsem svetu. Namesto tega gre za osnovno izjavo o določeni kakovosti, ki si jo deli natančno določen nabor delcev na Zemlji in okoli nje, in določeno z uporabo objektivnih in lahko določljivih meril.
V svojem življenju ste nedvomno uporabljali magnete in v večini primerov, ko ste delovali v ne trivialnem magnetnem polju, se tega niste zavedali. Morda celo veste, da nekateri materiali delujejo kot trajni magneti in da ti lahko privlačijo kovine, čeprav te kovine same na videz niso magneti. Ali pa so?
Medtem svet fizike, natančneje poddisciplina elektromagnetizem, vključuje različne vrste magnetizma. Eden od teh je paramagnetizem, in to je lastnost, ki jo je pogosto mogoče zlahka preveriti s pogledom, ker paramagnetne materiale privlači zunanje magnetno polje. Kako pa se to zgodi in od kod sploh prihajajo magnetna "polja"? Priložnost, da se naučite vsega tega in še več, bi vas morala močno vleči, da nadaljujete z branjem!
Kaj je magnetizem?
Konec 17. stoletja so opazili, da lahko iglo kompasa, ki je usmerjena proti severu zaradi magnetnega polja Zemlje, odkloni s prisotnostjo bližnjega električnega toka.
To je prvi znani dokaz, da sta bili elektrika in magnetizem nekako povezani. Dejansko gibljivi naboji (kar je definicija električnega toka) ustvarjajo magnetna polja s "črtami", ki so odvisne od geometrije električnega tokokroga.
Ko je žica za prenos toka navita ali večkrat ovita okoli določenih vrst kovin, to lahko povzroči lastnost magnetizma v teh kovinah, vsaj ko je tok uporablja. Nekateri se uporabljajo na krajih, kot so dvorišča za odpadne kovine, in so dovolj močni, da dvignejo celotne avtomobile.
Medsebojno vplivanje električnega toka in magnetnih polj je predmet, ki lahko zapolni celotne učbenike, vendar za zdaj morate vedeti, da je razlog, zakaj nekateri materiali se drugače odzivajo na magnetna polja, kot je to povezano z lastnostmi elektronov v najvišji ("najbolj oddaljeni") energijski lupini atomov v teh materialov.
Magnetizacija trdnih snovi
Če postavimo trdno snov v uporabljeno magnetno polje, lahko pričakujemo, da bo vedenje molekul v snovi do neke mere odvisno od stanja materiala. Se pravi, a plin, ki ima molekule, ki se gibljejo dokaj prosto, in a tekočina, pri katerem molekule ostanejo skupaj, vendar lahko drsijo drug mimo drugega, se lahko obnaša drugače kot trdna snov, katere molekule so zaskočene na mestu, običajno v strukturi mrežastega tipa.
Če si predstavite osnovno kristalno strukturo trdne snovi (in narava tega ponavljajočega se vzorca se lahko razlikuje od snovi do snovi), si lahko predstavljate jedra atomov da so v središčih kock, vmes pa elektroni zasedajo prostore, lahko vibrirajo in, v primeru kovinskih trdnih snovi, svobodno romajo naokrog do svojega starša jedra.
Ko elektroni trdne snovi postanejo snov trajni magnet ali tak, ki ga je mogoče narediti v tak magnet, se snov imenuje feromagnetna (iz lat ferrum, kar pomeni železo). Poleg železa so feromagnetni tudi elementi kobalt, nikelj in gadolinij.
Večina snovi pa kaže druge odzive na magnetna polja, zaradi česar je večina atomov paramagnetna ali diamagnetna. Te lastnosti lahko v istih materialih najdemo v različnih stopnjah, dejavniki, kot je temperatura, pa lahko vplivajo na odziv materiala na uporabljena magnetna polja.
Primerjani diamagnetizem, paramagnetizem in feromagnetizem
Upoštevajte tri različne prijatelje, ki ste jih izbrali za kandidate, da preizkusite novo aplikacijo za znanstvene igre.
Ena od njih se na vaše pozive, da poskusite, odzove le tako, da postane bolj odporna, kot je bila na začetku igranja iger. Drugi se strinja, da bo namestil aplikacijo in se predvajal, vendar jo hitro ustavi in jo odstrani vsakič, ko ga pustite pri miru, le da jo znova namesti in nadaljuje z igranjem vsakič, ko se znova pojavi; in tretji prijatelj se takoj zasvoji na aplikaciji in nikoli preneha uporabljati.
Tako ohlapno delujejo tri vrste magnetizma, o katerih boste najverjetneje slišali na pisarni, med seboj. Čeprav je že opisano feromagnetizem stanje trajnega magnetizma, kako se to zgodi in kakšne so alternative?
Kot kaže, obstajajo štiri dobro razumljive alternative feromagnetizmu. Paramagnetizem je spet lastnost privlačnosti magnetnega polja in velja za širok spekter kovin, vključno z večino sodobnih hladilnikov. Diamagnetizem je nasprotno, težnja, da ga magnetno polje odbije. Vsi materiali kažejo določeno stopnjo diamagnetizma. V obeh primerih se material kritično vrne v prejšnje stanje, ko je polje odstranjeno.
- Izgovorjeno naglas, "feromagnetizem" in "paramagnetizem" zvenita zelo podobno, zato bodite previdni pri razpravi o teh temah v svoji študijski skupini za fiziko.
Ferrimagnetizem in antiferromagnetizem so manj pogoste vrste magnetizma. Ferrimagnetni materiali se obnašajo podobno kot feromagnetni materiali in vključujejo jakobito in magnetit. Hematit in troilit sta dve spojini, ki dokazujeta antiferromagnetizem, pri čemer magnetni moment ne nastane.
Značilnosti paramagnetnih spojin in atomov
Paramagnetni elementi in paramagnetne molekule imajo eno glavno lastnost in to imajo neparni elektroni. Več kot jih je, večja je verjetnost, da bo atom ali molekula pokazal paramagnetizem. To je zato, ker se ti elektroni fiksno poravnajo z usmerjenostjo uporabljenega magnetnega polja in tako ustvarijo nekaj, kar imenujemo magnetni dipolni trenutki okoli vsakega atoma ali molekule.
Če ste seznanjeni s pravili za "polnjenje" elektronov, veste, da lahko orbitali v podlupinah vsebujejo dve elektronov in da je eden od teh za s podljupino, tri za p podlupino in pet za d podlupina. To omogoča zmogljivost dveh, šestih in 10 elektronov v vsaki podlupini, vendar se bodo ti napolnili tako, da se bo vsak orbita zadržuje le en elektron čim dlje, dokler en elektron tam ne sprejme a sosed.
To pomeni, da lahko na podlagi informacij v periodnem sistemu elementov določite, ali bo material paramagneten in na srečo, ali bo šibko paramagnetičen (kot pri Cl, ki ima en neparni elektron) ali močno paramagnetni (kot platina, ki ima dva neparna elektrona).
Seznam diamagnetnih in paramagnetnih atomov in molekul
Eden od načinov za količinsko opredelitev magnetizma je prek parametra imenovanega magnetna občutljivost χm, ki je brezdimenzijska količina, ki povezuje odziv materiala na uporabljeno magnetno polje. Železov oksid, FeO, ima zelo visoko vrednost 720.
Drugi materiali, ki se štejejo za močno paramagnetne, vključujejo železo-amonijev alum (66), uran (40), platino (26), volfram (6.8), cezij (5.1), aluminij (2.2), litij (1.4) in magnezij (1.2), natrij (0.72) in kisik (0.19).
Te vrednosti se zelo gibljejo in vrednosti kisika v plinu se morda zdijo skromne, vendar nekateri paramagnetni materiali kažejo veliko manjše vrednosti od zgoraj naštetih. Večina trdnih snovi pri sobni temperaturi ima χm vrednosti manjše od 0,00001 ali 1 x 10-5.
Kot lahko pričakujete, je občutljivost podana kot negativna vrednost, če je material diamagneten. Primeri vključujejo amonijak (-26) bizmuta (-16,6) živega srebra (-2,9) in ogljik v diamantu (-2,1).