Paramagnetismul: cauze, materiale paramagnetice, exemple și diferențe cu diamagnetismul
Paramagnetismul este o formă de magnetism în care anumite materiale sunt slab atrase de un câmp magnetic extern și formează câmpuri magnetice interne induse în direcția câmpului magnetic aplicat.
Contrar a ceea ce adesea cred mulți oameni, proprietățile magnetice nu se reduc numai la substanțele feromagnetice. Toate substanțele au proprietăți magnetice, deși într-o formă mai slabă. Aceste substanțe sunt numite paramagnetice și diamagnetice.
În acest fel, se pot distinge două tipuri de substanțe: paramagnetice și diamagnetice. În prezența unui câmp magnetic, cele paramagnetice sunt atrase spre zona unde intensitatea câmpului este mai mare. Pe de altă parte, cele diamagnetice sunt atrase de regiunea câmpului în care intensitatea este mai mică.
Când în prezența câmpurilor magnetice, materialele paramagnetice se confruntă cu același tip de atracție și repulsie cu care se confruntă magneții. Cu toate acestea, atunci când câmpul magnetic dispare, entropia încheie alinierea magnetică indusă.
Cu alte cuvinte, materialele paramagnetice sunt atrase de câmpurile magnetice, deși nu sunt transformate în materiale magnetizate permanent. Câteva exemple de substanțe paramagnetice sunt: aer, magneziu, platină, aluminiu, titan, tungsten și litiu, printre altele.
cauze
Paramagnetismul se datorează faptului că anumite materiale sunt alcătuite din atomi și molecule care au momente magnetice permanente (sau dipoli), chiar dacă nu sunt în prezența unui câmp magnetic.
Momentele magnetice sunt generate de rotirea electronilor nepereche de metale și alte materiale care posedă proprietăți paramagnetice.
În paramagnetismul pur, dipolii nu interacționează unul cu celălalt, ci sunt orientați aleatoriu în absența unui câmp magnetic extern ca o consecință a agitării termice. Aceasta generează un moment magnetic nul.
Cu toate acestea, atunci când se aplică un câmp magnetic, dipolii tind să se alinieze cu câmpul aplicat, rezultând un moment magnetic net în direcția respectivului câmp și adăugarea la câmpul extern.
În orice caz, alinierea dipolilor poate fi contracarată de efectul temperaturii.
În acest fel, când materialul este încălzit, agitarea termică este capabilă să contracareze efectul pe care câmpul magnetic îl are asupra dipolilor, iar momentele magnetice sunt reorientate într-un mod haotic, reducând intensitatea câmpului indus.
Legea lui Curie
Legea lui Curie a fost dezvoltată experimental de către fizicianul francez Pierre Curie în anul 1896. Poate fi aplicată numai atunci când apar temperaturi ridicate, iar substanța paramagnetică este în prezența câmpurilor magnetice slabe.
Acest lucru se datorează faptului că nu descrie paramagnetismul atunci când o mare parte din momentele magnetice sunt aliniate.
Legea prevede că magnetizarea materialului paramagnetic este direct proporțională cu intensitatea câmpului magnetic aplicat. Este ceea ce se numește Legea lui Curie:
M = X ∙ H = CH / T
În formula anterioară M este magnetizarea, H este densitatea fluxului magnetic a câmpului magnetic aplicat, T este temperatura măsurată în grade Kelvin și C este o constantă specifică fiecărui material și se numește constanta Curie.
Din observația legii lui Curie rezultă și faptul că magnetizarea este invers proporțională cu temperatura. Din acest motiv, când materialul este încălzit, dipolii și momentele magnetice tind să piardă orientarea dobândită de prezența câmpului magnetic.
Materiale paramagnetice
Materialele paramagnetice sunt toate acele materiale cu permeabilitate magnetică (capacitatea unei substanțe de a atrage sau de a trece printr-un câmp magnetic) similar cu permeabilitatea magnetică a vidului. Aceste materiale prezintă un nivel neglijabil de ferromagnetism.
În termeni fizici, se precizează că permeabilitatea magnetică relativă (coeficientul dintre permeabilitatea materialului sau a mediului și permeabilitatea vidului) este aproximativ egal cu 1, adică permeabilitatea magnetică a vidului.
Printre materialele paramagnetice există un tip particular de materiale care se numește superparamagnetic. Deși respectă legea Curie, aceste materiale au o valoare constantă Curie destul de ridicată.
Diferențele dintre paramagnetism și diamagnetism
A fost Michael Faraday, care în septembrie 1845 a realizat că, în realitate, toate materialele (nu numai ferromagneții) reacționează la prezența câmpurilor magnetice.
În orice caz, adevărul este că majoritatea substanțelor au caracter diamagnetic, deoarece perechile de electroni se împerechează - și, prin urmare, cu spin invers - favorizează slab diamagnetismul. Dimpotrivă, numai atunci când există electroni nepermani se produce diamagnetismul.
Atât materialele paramagnetice cât și cele diamagnetice au o susceptibilitate slabă la câmpurile magnetice, dar în timp ce în prima este pozitivă în cele din urmă, este negativă.
Materialele diamagnetice sunt ușor respinse de un câmp magnetic; Pe de altă parte, cele paramagnetice sunt atrase, deși și cu puțină forță. În ambele cazuri, când câmpul magnetic este îndepărtat, efectele magnetizării dispar.
După cum sa spus deja, marea majoritate a elementelor care alcătuiesc tabelul periodic sunt diamagnetice. Astfel, exemple de substanțe diamagnetice sunt apa, hidrogenul, heliul și aurul.
aplicații
Deoarece materialele paramagnetice au un comportament asemănător cu vidul în absența unui câmp magnetic, aplicațiile lor în industrie sunt oarecum reduse.
Una dintre cele mai interesante aplicații ale paramagnetismului este Rezonanța electronică paramagnetică (RPE), utilizată pe scară largă în fizică, chimie și arheologie. Este o tehnică spectroscopică cu care este posibil să se detecteze specii cu electroni nepartiți.
Această tehnică este aplicată în fermentații, în fabricarea industrială a polimerilor, la uzura uleiurilor de motor și la fabricarea berii, printre alte domenii. În același mod, această tehnică este folosită pe scară largă în datarea rămășițelor arheologice.
