PARAMAGNETISMI: SYYT, PARAMAGNEETTISET MATERIAALIT, ESIMERKIT - FYYSINEN - 2026

Paramagnetismi on muoto magnetismi, jossa tietyt aineet ovat heikosti puoleensa ulkoisen magneettikentän ja muodostaa sisäisiä magneettikenttiä indusoi suuntaan käytetyn magneettikentän.

Toisin kuin monet ihmiset usein ajattelevat, magneettiset ominaisuudet eivät rajoitu pelkästään ferromagneettisiin aineisiin. Kaikilla aineilla on magneettisia ominaisuuksia, jopa heikommalla tavalla. Näitä aineita kutsutaan paramagneettisiksi ja diamagneettisiksi.

Tällä tavalla voidaan erottaa kahden tyyppiset aineet: paramagneettiset ja diamagneettiset. Magneettikentän läsnä ollessa paramagneettiset kentät vetoavat kohti vyöhykettä, jolla kentän intensiteetti on suurempi. Sen sijaan diamagnetiikkaa houkutellaan kenttäalueelle, jolla intensiteetti on alhaisin.

Kun magneettikentät ovat läsnä, paramagneettiset materiaalit kokevat samantyyppisen vetovoiman ja heikentymisen kuin magneetit. Kun magneettikenttä katoaa, entroopia lopettaa indusoidun magneettisen kohdistuksen.

Toisin sanoen paramagneettiset materiaalit vetävät magneettikenttiä, vaikka niistä ei tule pysyvästi magnetoituneita materiaaleja. Joitakin esimerkkejä paramagneettisista aineista ovat: ilma, magnesium, platina, alumiini, titaani, volframi ja litium.

syyt

Paramagnetismi johtuu siitä, että tietyt materiaalit koostuvat atomista ja molekyyleistä, joilla on pysyvät magneettiset momentit (tai dipolit), vaikka ne eivät olisikaan magneettikentän läsnäollessa.

Magneettiset momentit johtuvat parittomien elektronien pyörityksistä metalleissa ja muissa materiaaleissa, joilla on paramagneettiset ominaisuudet.

Puhtaassa paramagnetismissa dipolit eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, vaan ovat suuntautuneet satunnaisesti ilman ulkoista magneettikenttää termisen sekoituksen seurauksena. Tämä tuottaa nollamagneettisen momentin.

Kuitenkin, kun magneettikenttä kohdistetaan, dipoleilla on taipumus linjautua sovelletun kentän kanssa, mikä johtaa nettomagneettiseen momenttiin kyseisen kentän suuntaan ja lisää ulkoisen kentän suuntaan.

Kummassakin tapauksessa dipolien kohdistusta voidaan torjua lämpötilan vaikutuksella.

Tällä tavalla, kun materiaalia kuumennetaan, terminen sekoitus pystyy vastaamaan magneettikentän vaikutuksesta dipoleihin ja magneettiset momentit suuntautuvat uudelleen kaoottisella tavalla vähentäen indusoidun kentän voimakkuutta.

Curien laki

Ranskalainen fyysikko Pierre Curie kehitti Curien lain kokeellisesti vuonna 1896. Sitä voidaan soveltaa vain korkeissa lämpötiloissa ja paramagneettisessa aineessa heikkojen magneettikentien ollessa läsnä.

Tämä johtuu siitä, että se ei kuvaa paramagnetismia, kun suuri osa magneettisista momenteista on kohdistettu.

Lain mukaan paramagneettisen materiaalin magnetoituminen on suoraan verrannollinen sovelletun magneettikentän voimakkuuteen. Se tunnetaan nimellä Curien laki:

M = X = H = CH / T

Yllä olevassa kaavassa M on magnetointi, H on sovelletun magneettikentän magneettisen vuon tiheys, T on lämpötila mitattuna kelvin-asteina ja C on vakio, joka on kullekin materiaalille ominainen ja jota kutsutaan Curie-vakiona.

Curien lakien noudattaminen osoittaa myös, että magnetoituminen on kääntäen verrannollinen lämpötilaan. Tästä syystä kun materiaalia kuumennetaan, dipolit ja magneettiset momentit pyrkivät menettämään suuntaan, jonka magneettikentän läsnäolo saavuttaa.

Paramagneettiset materiaalit

Paramagneettiset materiaalit ovat kaikkia materiaaleja, joiden magneettinen läpäisevyys (aineen kyky houkutella tai aiheuttaa magneettikentän läpi) on samanlainen kuin tyhjiön magneettinen läpäisevyys. Tällaiset materiaalit osoittavat ferromagneettisuuden merkityksetöntä.

Fyysisesti sanotaan, että sen suhteellinen magneettinen läpäisevyys (materiaalin tai väliaineen ja alipaineen läpäisevyyden välinen osamäärä) on suunnilleen yhtä suuri kuin 1, mikä on tyhjiön magneettinen läpäisevyys.

Paramagneettisten materiaalien joukossa on erityinen materiaalityyppi, jota kutsutaan superparamagneettiseksi. Vaikka nämä materiaalit noudattavat Curien lakia, näillä materiaaleilla on melko korkea arvo Curie-vakiossa.

Paramagnetismin ja diamagnetismin väliset erot

Michael Faraday huomasi syyskuussa 1845, että todellisuudessa kaikki materiaalit (ei vain ferromagneettiset) reagoivat magneettikenttien läsnäoloon.

Joka tapauksessa, totuus on, että suurin osa aineista on luonteeltaan diamagneettisia, koska parit pareittain - ja siten vastakkaisella spinillä - suosivat heikosti diamagnetismia. Päinvastoin, diamagnetismi tapahtuu vain silloin, kun on parittomia elektroneja.

Sekä paramagneettisilla että diamagneettisilla materiaaleilla on heikko herkkyys magneettikentille, mutta vaikka ensimmäisessä se on positiivinen, jälkimmäisessä se on negatiivinen.

Diamagneettiset materiaalit hylkivät hiukan magneettikentän; toisaalta paramagneetikot houkuttelevat, tosin myös pienellä voimalla. Molemmissa tapauksissa, kun magneettikenttä poistetaan, magnetoitumisen vaikutukset katoavat.

Kuten jo mainittiin, suurin osa jaksollisen taulukon muodostavista elementeistä on diamagneettisia. Siten esimerkkejä diamagneettisista aineista ovat vesi, vety, helium ja kulta.

Sovellukset

Koska paramagneettisilla materiaaleilla on samanlainen käyttäytyminen kuin tyhjöllä magneettikentän puuttuessa, niiden käyttö teollisuudessa on jonkin verran rajallista.

Yksi mielenkiintoisimmista paramagnetismin sovelluksista on elektroninen paramagneettinen resonanssi (RPE), jota käytetään laajasti fysiikassa, kemiassa ja arkeologiassa. Se on spektroskopiatekniikka, jolla on mahdollista havaita lajeja parittomilla elektronilla.

Tätä tekniikkaa käytetään muun muassa käymisissä, polymeerien teollisessa valmistuksessa, moottoriöljyjen kuluttamiseen ja oluiden valmistukseen. Samoin tätä tekniikkaa käytetään laajasti arkeologisten jäännösten seurusteluun.

Viitteet

1. Paramagnetismi (toinen). Wikipediassa. Haettu 24. huhtikuuta 2018, es.wikipedia.org.
2. Diamagnetismi (toinen). Wikipediassa. Haettu 24. huhtikuuta 2018, es.wikipedia.org.
3. Paramagnetismi (toinen). Wikipediassa. Haettu 24. huhtikuuta 2018, en.wikipedia.org.
4. Diamagnetismi (toinen). Wikipediassa. Haettu 24. huhtikuuta 2018, en.wikipedia.org.
5. Chang, MC "Diamagnetismi ja paramagnetismi" (PDF). NTNU luennot. Haettu 25. huhtikuuta 2018.
6. Orchard, AF (2003) Magnetokemia. Oxford University Press.