Парамагнітні види є скрізь. У правильній обстановці і озвучена належним чином похмурим тоном ця фраза могла викликати образи дивних інопланетних загарбників, що розгулювали всю земну кулю. Натомість це основне твердження про певну якість, якою поділяється чітко визначений набір частинок на Землі та навколо неї, і таке, яке визначається за допомогою об’єктивних та легко визначених критеріїв.
Ви, без сумніву, використовували магніти у своєму житті, і в більшості випадків, коли ви працювали в нетривіальному магнітному полі, ви цього не знали. Ви навіть можете знати, що певні матеріали функціонують як постійні магніти, і що вони можуть залучати метали, хоча самі ці метали, очевидно, не є магнітами. Чи вони?
Як це трапляється, світ фізики, зокрема піддисципліна електромагнетизм, включає різні типи магнетизму. Одним з таких є парамагнетизм, і це властивість, яку часто легко перевірити на очах, оскільки парамагнітні матеріали притягуються до зовнішнього магнітного поля. Але як це відбувається, і звідки взагалі беруться магнітні "поля"? Шанс навчитися усьому цьому та іншому повинен сильно тягнути вас продовжувати читати!
Що таке магнетизм?
Наприкінці 1700-х років було помічено, що стрілка компаса, яка спрямована на північ в результаті магнітного поля Землі, може бути відхилена наявністю поблизу електричного струму.
Це перше відоме свідчення того, що електрика і магнетизм були якимось чином пов’язані. Насправді рухомі заряди (що є визначенням електричного струму) породжують магнітні поля з «лініями», що залежать від геометрії електричного кола.
Коли струмопровідний дріт намотують або обмотують кілька разів навколо певних видів металу, це може викликати властивість магнетизму в цих металах, принаймні, поки знаходиться струм застосовується. Деякі з них використовуються в таких місцях, як двори металобрухту і досить потужні, щоб піднімати цілі автомобілі.
Взаємодія електричного струму та магнітних полів є предметом, який може заповнювати цілі підручники і справді, але наразі ви повинні знати, чому причина деяких матеріалів реагують на магнітні поля по-різному, ніж інші, пов’язані з властивостями електронів у найвищій („найвіддаленішій”) енергетичній оболонці атомів у тих матеріалів.
Намагнічування твердих тіл
Якщо тверду речовину помістити в прикладене магнітне поле, можна очікувати, що поведінка молекул у речовині певною мірою залежатиме від стану матеріалу. Тобто, a газ, який має молекули, які рухаються досить вільно, і a рідина, в якому молекули залишаються разом, але вільно ковзають один біля одного, може поводитися інакше, ніж тверде тіло, молекули якого зафіксовані на місці, як правило, у структурі решітчастого типу.
Якщо ви уявите основну кристалічну структуру твердого тіла (і характер цього повторюваного малюнка може відрізнятися від речовини до речовини), ви можете уявити ядра атомів перебуваючи в центрах кубів, з електронами, що займають проміжки між ними, вільно вібрувати, а у випадку твердих речовин металу - вільно кочувати навколо ланцюга для батьків ядра.
Коли електрони твердої речовини роблять речовину постійним магнітом або таким, який можна зробити таким магнітом, речовина називається феромагнітний (від лат ферум, що означає залізо). Окрім заліза, феромагнітними є елементи кобальт, нікель та гадоліній.
Однак більшість речовин проявляють інші реакції на магнітні поля, роблячи більшість атомів парамагнітними або діамагнітними. Ці властивості можуть бути знайдені в різному ступені в одних і тих самих матеріалах, і такі фактори, як температура, можуть впливати на реакцію матеріалу на дію магнітних полів.
Порівняно діамагнетизм, парамагнетизм та феромагнетизм
Розгляньте трьох різних друзів, яких ви обрали кандидатами, щоб протестувати ваш новий науковий ігровий додаток.
Одна з них відповідає лише на ваші заклики спробувати, ставши більш стійкою, ніж вона була до ігор на початку. Другий погоджується встановити програму та грати, але швидко припиняє відтворення та видаляє програму щоразу, коли ви залишаєте його в спокої, лише щоб перевстановити його та продовжувати грати, коли ви знову з’явитесь; а третій друг негайно зачіпає додаток і ніколи перестає ним користуватися.
Це вільно, як три види магнетизму, про які ви, найімовірніше, почуєте на офісній вечірці, працюють по відношенню один до одного. Хоча феромагнетизм, вже описаний, є станом постійного магнетизму, як це відбувається, і які альтернативи?
Як буває, існує чотири добре зрозумілі альтернативи феромагнетизму. Знову ж таки, парамагнетизм має властивість притягуватися до магнітного поля і стосується широкого спектру металів, включаючи більшість сучасних холодильників. Діамагнетизм - це навпаки, тенденція відштовхуватися магнітним полем. Усі матеріали мають певний ступінь діамагнетизму. В обох випадках, критично важливо, що матеріал повертається до свого попереднього стану при видаленні поля.
- Говорячи вголос, «феромагнетизм» та «парамагнетизм» звучать дуже схоже, тому будьте обережні, обговорюючи ці теми у своїй групі з фізики.
Ферримагнетизм і антиферомагнетизм рідше зустрічаються види магнетизму. Ферримагнітні матеріали поводяться так само, як феромагнітні матеріали, і включають жакосайт та магнетит. Гематит і троїліт - це дві сполуки, які демонструють антиферромагнетизм, де магнітний момент не генерується.
Характеристика парамагнітних сполук та атомів
Парамагнітні елементи та парамагнітні молекули мають одну основну ознаку та її наявність непарні електрони. Чим їх більше, тим більша ймовірність атома або молекули виявити парамагнетизм. Це пов’язано з тим, що ці електрони фіксовано вирівнюються з орієнтацією прикладеного магнітного поля, створюючи щось, що називається магнітними дипольними моментами навколо кожного атома або молекули.
Якщо ви знайомі з правилами заповнення електронів, ви знаєте, що орбіталі в підоболонках можуть містити дві електрони кожен, і що є один із них для s-під оболонки, три для p-під-оболонки і п'ять для d підшелупка. Це дозволяє мати потужність у два, шість та 10 електронів у кожній підшелупці, але вони заповняться так, що кожна орбіталь утримує лише один електрон якомога довше, поки один електрон там не повинен вмістити a сусід.
Це означає, що ви можете використовувати інформацію в періодичній таблиці елементів, щоб визначити, чи буде матеріал парамагнітним, і щасливо, чи він буде слабко парамагнітним (як у Cl, який має один неспарений електрон) або сильно парамагнітним (як платина, що має два неспарених електрони).
Список діамагнітних і парамагнітних атомів і молекул
Один із способів кількісно визначити магнетизм - це параметр, який називається магнітна сприйнятливість χм, яка є безрозмірною величиною, що стосується реакції матеріалу на прикладене магнітне поле. Оксид заліза, FeO, має дуже високе значення 720.
Інші матеріали, які вважаються сильно парамагнітними, включають залізний амонійний галун (66), уран (40), платину (26), вольфрам (6,8), цезій (5,1), алюміній (2,2), літій (1,4) та магній (1,2), натрій (0,72) та газ кисню (0.19).
Ці значення варіюються в широких межах, і значення газоподібного кисню може здатися скромним, але деякі парамагнітні матеріали мають набагато менші значення, ніж перелічені вище. Більшість твердих речовин при кімнатній температурі мають χм значення менше 0,00001, або 1 x 10-5.
Сприйнятливість, як і слід було очікувати, дається як негативне значення, коли матеріал діамагнітний. Приклади включають аміак (-26) вісмуту (-16,6) ртуті (-2,9) та вуглець у алмазі (-2,1).