Paramagnetiska arter finns överallt. I rätt inställning, och uttryckt i en ordentligt dyster ton, kunde den frasen framkalla bilder av konstiga utomjordiska inkräktare som löper amok över hela världen. Istället är det ett grundläggande uttalande om en viss kvalitet som delas av en väldefinierad uppsättning partiklar på och omkring jorden, och en definierad med objektiva och lättbestämda kriterier.
Du har utan tvekan använt dig av magneter i ditt liv, och i de flesta fall som du har opererat inom ett icke-trivialt magnetfält, har inte varit medveten om det. Du kanske till och med vet att vissa material fungerar som permanentmagneter, och att dessa kan attrahera metaller även om dessa metaller inte i sig själva uppenbarligen är magneter. Eller är de?
Som det händer inkluderar fysikvärlden, särskilt underdisciplinen elektromagnetism, en mängd olika typer av magnetism. En av dessa är paramagnetism, och det är en egenskap som ofta lätt kan verifieras när man ser, eftersom paramagnetiska material attraheras av en externt applicerad magnet. fält. Men hur går det till, och var kommer magnetiska ”fält” ifrån, egentligen? Chansen att lära dig allt detta och mer borde starkt locka dig att fortsätta läsa!
Vad är magnetism?
I slutet av 1700-talet observerades det att en kompassnål, som pekar mot norr som ett resultat av jordens magnetfält, kan avledas av närvaro av en närliggande elektrisk ström.
Detta är det första kända beviset på att elektricitet och magnetism var på något sätt kopplat. I själva verket genererar rörliga laddningar (vilket är definitionen av elektrisk ström) magnetiska fält med ”linjer” beroende på den elektriska kretsens geometri.
När en strömförande tråd lindas, eller lindas flera gånger, runt vissa typer av metall, kan detta inducera magnetismens egenskap hos dessa metaller, åtminstone medan strömmen är tillämpas. Vissa av dessa används på platser som skrotgårdar och är kraftfulla nog att lyfta hela bilar.
Samspelet mellan elektrisk ström och magnetfält är ett ämne som kan och fyller hela läroböcker, men för tillfället bör du veta att anledningen till att vissa material reagerar annorlunda på magnetfält än andra har att göra med egenskaperna hos elektronerna i det högsta (”yttersta”) energiskalet av atomerna i dessa material.
Magnetiseringen av fasta ämnen
Om ett fast ämne placeras i ett applicerat magnetfält kan du förvänta dig att beteendet hos molekylerna i ämnet till viss del beror på materialets tillstånd. Det vill säga en gas, som har molekyler som rör sig ganska fritt, och en vätska, där molekyler förblir tillsammans men är fria att glida förbi varandra, kan bete sig annorlunda än ett fast ämne, vars molekyler är låsta på plats, vanligtvis i en gitterliknande struktur.
Om du föreställer dig en solids grundläggande kristallstruktur (och arten av detta återkommande mönster kan variera från ämne till ämne), kan du föreställa dig att atomernas kärnor befinner sig i kubernas centrum, med elektronerna som upptar utrymmen däremellan, fria att vibrera och, när det gäller fasta metallämnen, fria att ströva omkring okedjade till deras moderkärnor.
När elektronerna i ett fast ämne återges ämnet en permanentmagnet eller en som kan göras till en sådan magnet, ämnet kallas ferromagnetic (från latinets ferrum, betyder järn). Förutom järn är grundämnena kobolt, nickel och gadolinium ferromagnetiska.
De flesta ämnen uppvisar dock andra reaktioner på magnetfält, vilket gör de flesta atomer paramagnetiska eller diamagnetiska. Dessa egenskaper kan hittas i olika grad i samma material, och faktorer som temperatur kan påverka ett materials svar på applicerade magnetfält.
Diamagnetism, Paramagnetism and Ferromagnetism Compared”>Jämfört diamagnetism, paramagnetism och ferromagnetism
Tänk på tre olika vänner som du har valt som kandidater för att testa din nya vetenskapsspelapp.
En av dem svarar bara på dina uppmaningar att ge det ett försök genom att bli mer motståndskraftig än hon var till spel i början. Den andra går med på att installera appen och spela, men slutar snabbt att spela och avinstallerar appen varje gång du lämnar honom ifred, bara för att installera om den och fortsätta spela när du dyker upp igen; och den tredje vännen fastnar omedelbart på appen och aldrig slutar använda den.
Det är löst hur de tre typerna av magnetism du med största sannolikhet kommer att höra talas om på kontorsfesten fungerar i förhållande till varandra. Även om ferromagnetism, som redan beskrivits, är ett tillstånd av permanent magnetism, hur händer detta och vilka är alternativen?
Som det händer finns det fyra välkända alternativ till ferromagnetism. Paramagnetism, återigen, är egenskapen att attraheras av ett magnetfält och gäller ett brett spektrum av metaller, inklusive de flesta moderna kylskåp. Diamagnetism är motsatsen, en tendens att stötas bort av ett magnetfält. Alla material uppvisar en viss grad av diamagnetism. I båda fallen, kritiskt, återgår materialet till sitt tidigare tillstånd när fältet tas bort.
Talat högt låter ”ferromagnetism” och ”paramagnetism” väldigt lika, så var försiktig när du diskuterar dessa ämnen i din fysikstudiegrupp.
Ferrimagnetism och antiferromagnetism är mindre vanliga typer av magnetism. Ferrimagnetiska material beter sig ungefär som ferromagnetiska material och inkluderar jacobsit och magnetit. Hematit och troilit är två föreningar som uppvisar antiferromagnetism, där inget magnetiskt moment genereras.
Egenskaper hos paramagnetiska föreningar och atomer
Paramagnetiska element och paramagnetiska molekyler delar ett huvuddrag och det är att ha oparade elektroner. Ju fler av dessa det finns, desto mer sannolikt är det att atomen eller molekylen visar paramagnetism. Detta beror på att dessa elektroner anpassar sig på ett fixerat sätt med orienteringen av ett applicerat magnetfält, vilket skapar något som kallas magnetiska dipolmoment runt varje atom eller molekyl.
Om du är bekant med regler för elektronfyllning, vet du att orbitaler inom subshell kan hålla två elektroner vardera, och att det finns en av dessa för ett s subshell, tre för ap subshell och fem för ad subshell. Detta tillåter en kapacitet på två, sex och 10 elektroner i varje underskal, men dessa kommer att fyllas så att varje orbital håller bara en elektron så länge som möjligt tills den ena elektronen där måste rymma en granne.
Detta betyder att du kan använda informationen i ett periodiskt system över grundämnena för att avgöra om ett material kommer att vara paramagnetiskt, och gärna om det kommer att vara svagt paramagnetiskt (som i Cl, som har en oparad elektron) eller starkt paramagnetiskt (som t.ex. platina, som har två oparade elektroner).
Lista över diamagnetiska och paramagnetiska atomer och molekyler
Ett sätt att kvantifiera magnetism är genom parametern som kallas magnetisk känslighet χm, som är en dimensionslös storhet som relaterar ett materials svar på ett applicerat magnetfält. Järnoxid, FeO, har ett mycket högt värde på 720.
Andra material som anses vara starkt paramagnetiska inkluderar järnammoniumalun (66), uran (40), platina (26), volfram (6,8) ), cesium (5,1), aluminium (2,2), litium (1,4) och magnesium (1,2), natrium (0,72) och syrgas (0,19).
Dessa värden varierar brett och den för syrgas kan tyckas blygsam, men vissa paramagnetiska material visar mycket mindre värden än de som anges ovan. De flesta fasta ämnen vid rumstemperatur har χm värden mindre än 0,00001, eller 1 x 10-5.
Känsligheten, som man kan förvänta sig, ges som ett negativt värde när materialet är diamagnetiskt. Exempel inkluderar ammoniak ( −.26) vismut (−16.6), kvicksilver (−2.9) och kolet i diamant (−2.1).
