Ορισμός και παραδείγματα παραμαγνητισμού

Παραμαγνητισμός αναφέρεται σε μια ιδιότητα ορισμένων υλικών που έλκονται ασθενώς από μαγνητικά πεδία. Όταν εκτίθενται σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, σχηματίζονται εσωτερικά επαγόμενα μαγνητικά πεδία σε αυτά τα υλικά τα οποία παραγγέλλονται στην ίδια κατεύθυνση με το εφαρμοσμένο πεδίο. Μόλις αφαιρεθεί το εφαρμοσμένο πεδίο, τα υλικά χάνουν το μαγνητισμό τους καθώς η θερμική κίνηση τυχαίνει τον προσανατολισμό των περιστροφών ηλεκτρονίων.

Τα υλικά που εμφανίζουν παραμαγνητισμό ονομάζονται παραμαγνητικά. Ορισμένες ενώσεις και τα περισσότερα χημικά στοιχεία είναι παραμαγνητικά υπό ορισμένες συνθήκες. Ωστόσο, τα αληθινά παραμαγνήτες εμφανίζουν μαγνητική ευαισθησία σύμφωνα με τους νόμους Curie ή Curie-Weiss και παρουσιάζουν παραμαγνητισμό σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Παραδείγματα παραμαγνήτων περιλαμβάνουν το σύμπλοκο συντονισμού μυοσφαιρίνη, σύμπλοκα μεταβατικού μετάλλου, οξείδιο σιδήρου (FeO) και οξυγόνο (Ο₂). Το τιτάνιο και το αλουμίνιο είναι μεταλλικά στοιχεία που είναι παραμαγνητικά.

Τα υπερπαραμαγνήματα είναι υλικά που παρουσιάζουν καθαρή παραμαγνητική απόκριση, αλλά εμφανίζουν φερομαγνητική ή φερριμαγνητική παραγγελία σε μικροσκοπικό επίπεδο. Αυτά τα υλικά τηρούν τον νόμο Curie, αλλά έχουν πολύ μεγάλες σταθερές Curie.

Ο παραμαγνητισμός προκύπτει από την παρουσία τουλάχιστον ενός μη ζευγαρωμένου ηλεκτρόνιο περιστρέφεται σε άτομα ή μόρια ενός υλικού. Με άλλα λόγια, κάθε υλικό που διαθέτει άτομα με ατελείωτα γεμάτα ατομικά τροχιακά είναι παραμαγνητικό. Η περιστροφή των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων τους δίνει μια μαγνητική διπολική ροπή. Βασικά, κάθε μη συζευγμένο ηλεκτρόνιο λειτουργεί ως μικροσκοπικό μαγνήτη μέσα στο υλικό. Όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, η περιστροφή των ηλεκτρονίων ευθυγραμμίζεται με το πεδίο. Επειδή όλα τα unpaired electrons ευθυγραμμίζονται με τον ίδιο τρόπο, το υλικό προσελκύεται από το πεδίο. Όταν αφαιρεθεί το εξωτερικό πεδίο, οι περιστροφές επιστρέφουν στους τυχαίους προσανατολισμούς τους.

Η μαγνήτιση ακολουθεί περίπου Ο νόμος του Κούρι, που δηλώνει ότι η μαγνητική ευαισθησία χ είναι αντιστρόφως ανάλογη προς τη θερμοκρασία:

Μ = χΗ = CH / T

όπου το Μ είναι μαγνητισμός, το χ είναι μαγνητική ευαισθησία, το Η είναι το βοηθητικό μαγνητικό πεδίο, το Τ είναι η απόλυτη (Kelvin) θερμοκρασία και το C είναι η σταθερά του Curie.

Τα μαγνητικά υλικά μπορούν να αναγνωριστούν ότι ανήκουν σε μία από τις τέσσερις κατηγορίες: σιδηρομαγνητισμό, παραμαγνητισμό, διαμαγνητισμό και αντισφαιρομαγνητισμό. Η ισχυρότερη μορφή μαγνητισμού είναι ο σιδηρομαγνητισμός.

Τα σιδηρομαγνητικά υλικά παρουσιάζουν μαγνητική έλξη που είναι αρκετά ισχυρή για να γίνει αισθητή. Τα σιδηρομαγνητικά και τα φερριμαγνητικά υλικά μπορούν να παραμείνουν μαγνητισμένα με την πάροδο του χρόνου. Οι συνήθεις μαγνήτες με βάση το σίδηρο και οι μαγνήτες σπάνιων γαιών εμφανίζουν σιδηρομαγνητισμό.

Σε αντίθεση με τον σιδηρομαγνητισμό, οι δυνάμεις του παραμαγνητισμού, του διαμαγνητισμού και του αντισφαιρομαγνητισμού είναι αδύναμες. Στον αντισφαιρομαγνητισμό, οι μαγνητικές ροπές των μορίων ή των ατόμων ευθυγραμμίζονται σε ένα μοτίβο στο οποίο γειτονεύει οι περιστροφές ηλεκτρονίων δείχνουν αντίθετες κατευθύνσεις, αλλά η μαγνητική διάταξη εξαφανίζεται πάνω από ένα ορισμένο θερμοκρασία.

Τα παραμαγνητικά υλικά προσελκύονται ασθενώς από ένα μαγνητικό πεδίο. Τα αντισφαιρομαγνητικά υλικά γίνονται παραμαγνητικά πάνω από μια ορισμένη θερμοκρασία.

Τα διαμαγνητικά υλικά απωθούνται από τα μαγνητικά πεδία. Όλα τα υλικά είναι διαμαγνητικά, αλλά μια ουσία δεν είναι συνήθως επισημασμένη με διαμαγνητικά, εκτός αν λείπουν οι άλλες μορφές μαγνητισμού. Το βισμούθιο και το αντιμόνιο είναι παραδείγματα διαμαγνητών.