Παραμαγνητικό vs Διαμαγνητικό vs Σιδηρομαγνητικό – Μαγνητισμός
Τα διαμαγνητικά, τα παραμαγνητικά και τα σιδηρομαγνητικά είναι οι τρεις κύριοι τύποι μαγνητικών υλικών. Οι όροι περιγράφουν τον διαμαγνητισμό, τον παραμαγνητισμό και τον σιδηρομαγνητισμό. Οι διαφορετικοί τύποι μαγνητισμού αναφέρονται στον τρόπο με τον οποίο ένα υλικό αντιδρά σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Ακολουθεί μια ματιά σε αυτούς τους τρεις τύπους μαγνητισμού, παραδείγματα καθενός και πώς να τα ξεχωρίσετε.
Παράγοντες που επηρεάζουν τον τύπο του μαγνητισμού
Πολλοί παράγοντες καθορίζουν εάν ένα υλικό είναι διαμαγνητικό, παραμαγνητικό ή σιδηρομαγνητικό. Όμως, οι τρεις κύριες πηγές των μαγνητικών ιδιοτήτων είναι:
- Περιστροφή ηλεκτρονίου
- Κίνηση ηλεκτρονίων
- Αλλαγή της κίνησης των ηλεκτρονίων από εξωτερικό μαγνητικό πεδίο
Κάθε ηλεκτρόνιο φέρει ένα ηλεκτρικό φορτίο. Ένα κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο έχει ένα σχετικό μαγνητικό πεδίο. Τα ηλεκτρόνια είναι πάντα σε κίνηση, επομένως έχουν μαγνητικά πεδία. Τις περισσότερες φορές, τα ηλεκτρόνια εμφανίζονται σε ζεύγη, με το ένα ηλεκτρόνιο σε ένα ζεύγος να έχει αντίθετο σπιν σε σχέση με το άλλο. Τα μαγνητικά πεδία των ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων αλληλοεξουδετερώνονται, χωρίς να αφήνουν καθαρό μαγνητικό πεδίο. Όταν υπάρχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια, ένα υλικό έχει ένα καθαρό μαγνητικό πεδίο που το αναγκάζει να αντιδράσει σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.
Διαμαγνητικά, παραμαγνητικά και σιδηρομαγνητικά υλικά
Ο διαμαγνητισμός, ο παραμαγνητισμός και ο σιδηρομαγνητισμός είναι οι τρεις κύριοι τύποι μαγνητισμού που παρατηρούνται στα υλικά. Άλλοι τύποι περιλαμβάνουν τον αντισιδηρομαγνητισμό, τον σιδηρομαγνητισμό, τον υπερπαραμαγνητισμό και τον μεταμαγνητισμό. Όμως, η κατανόηση των τριών κύριων τύπων είναι μια καλή εισαγωγή στην έννοια.
Διαμαγνητισμός
Όλα τα υλικά εμφανίζουν διαμαγνητισμό, που είναι η τάση να αντιτίθεται ελαφρά σε ένα εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο ή να απωθεί έναν μαγνήτη. Ωστόσο, δεν είναι όλα τα υλικά διαμαγνητικά επειδή άλλες διεργασίες μπορούν να ξεπεράσουν τον διαμαγνητισμό. Δεν υπάρχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια σε ένα διαμαγνητικό υλικό. Τα διαμαγνητικά υλικά δεν διατηρούν μαγνητικές ιδιότητες όταν αφαιρείται το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Με άλλα λόγια, δεν υπάρχει μόνιμο μαγνητικό αποτέλεσμα. Επειδή απωθούν ένα μαγνητικό πεδίο, οι διαμαγνητικές ουσίες αιωρούνται πάνω από ένα μαγνητικό πεδίο.
Εάν τα ηλεκτρόνια σε ένα ζεύγος αλληλοεξουδετερώνονται, μπορεί να αναρωτιέστε γιατί ένα διαμαγνητικό υλικό απωθεί έναν μαγνήτη, αντί να μην επηρεάζεται από αυτόν. Η απάντηση είναι ότι ο μαγνήτης ασκεί επιρροή στα ηλεκτρόνια. Ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο αυξάνει τις τροχιακές μαγνητικές ροπές ευθυγραμμισμένες αντίθετα από το πεδίο και μειώνει τις τροχιακές μαγνητικές ροπές που είναι ευθυγραμμισμένες παράλληλα με το πεδίο Το συνολικό αποτέλεσμα είναι μια μικρή μαγνητική ροπή που έχει αντίθετη κατεύθυνση από το εφαρμοζόμενο πεδίο.
Τα περισσότερα στοιχεία στον περιοδικό πίνακα είναι διαμαγνητικά, συμπεριλαμβανομένων των μετάλλων και των αμετάλλων. Παραδείγματα διαμαγνητικών υλικών περιλαμβάνουν υδρογόνο, ήλιο, άνθρακα, χαλκό, ασήμι και χρυσό. Επίσης, οποιοσδήποτε αγωγός γίνεται έντονα διαμαγνητικός παρουσία ενός μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου επειδή οι βρόχοι ρεύματος αντιτίθενται στις γραμμές του μαγνητικού πεδίου. Επίσης, ένας υπεραγωγός δεν έχει αντίσταση στο σχηματισμό βρόχων ρεύματος, καθιστώντας τον ένα τέλειο διαμαγνητικό υλικό.
Παραμαγνητισμός
Υπάρχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια σε παραμαγνητικά και σιδηρομαγνητικά υλικά, επομένως οι ισχυρότερες επιδράσεις των μη συζευγμένων ηλεκτρονίων υπερνικά τον διαμαγνητισμό.
Τα παραμαγνητικά υλικά έλκονται ασθενώς από τους μαγνήτες λόγω των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων και της αλλαγής στην ευθυγράμμιση των μονοπατιών ηλεκτρονίων από τη δράση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Οι τροχιές των ηλεκτρονίων σχηματίζουν βρόχους ρεύματος που δεν αλληλοεξουδετερώνονται, επομένως συμβάλλουν σε μια μαγνητική ροπή. Η ισχύς του παραμαγνητισμού είναι ανάλογη με την ισχύ του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Η μαγνητική έλξη δεν είναι μόνιμη. Τα παραμαγνητικά υλικά χάνουν τις μαγνητικές τους ιδιότητες όταν αφαιρείται ο μαγνήτης.
Παραδείγματα παραμαγνητικών υλικών περιλαμβάνουν λίθιο, οξυγόνο, νάτριο, μαγνήσιο, μολυβδαίνιο, αλουμίνιο, πλατίνα και ουράνιο.
Σιδηρομαγνητισμός
Τα σιδηρομαγνητικά υλικά έλκονται έντονα από ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, ενώ διατηρούν μαγνητικές ιδιότητες μετά την αφαίρεση ενός μαγνήτη. Τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια δίνουν στα άτομα μια καθαρή μαγνητική ροπή, αλλά η έλξη είναι ισχυρή λόγω των μαγνητικών περιοχών. Όταν δεν είναι μαγνητισμένοι, οι τομείς είναι τυχαίοι προσανατολισμένοι, αλλά ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο κάνει πολλές μαγνητικές ροπές να ευθυγραμμίζονται παράλληλα μεταξύ τους.
Παραδείγματα σιδηρομαγνητικών υλικών περιλαμβάνουν σίδηρο, νικέλιο και κοβάλτιο. Τα κράματά τους είναι επίσης σιδηρομαγνητικά, συμπεριλαμβανομένου του χάλυβα.
Μαγνητικά και μη μέταλλα
Τα διαμαγνητικά και παραμαγνητικά μέταλλα είναι ουσιαστικά μη μαγνητικά. Τα σιδηρομαγνητικά μέταλλα είναι μαγνητικά.
Paramagnetic vs Diamagnetic – Πώς να τους ξεχωρίσετε
Εάν εξετάσετε τη διαμόρφωση ηλεκτρονίων ενός στοιχείου, μπορείτε να προβλέψετε εάν είναι παραμαγνητικό ή διαμαγνητικό. Σε ένα διαμαγνητικό άτομο, όλα τα υποκέλυφα ηλεκτρονίων είναι πλήρη με ζευγοποιημένα ηλεκτρόνια. Σε ένα παραμαγνητικό άτομο, τα υποκέλυφα είναι ατελώς γεμάτα με ηλεκτρόνια.
Για παράδειγμα, εδώ είναι οι διαμορφώσεις ηλεκτρονίων για το βηρύλλιο (διαμαγνητικό) και το λίθιο (παραμαγνητικό):
- Be:Το υποκέλυφος 1s2s είναι γεμάτο
- Li:το υποκέλυφος 1s2s δεν έχει συμπληρωθεί
Η ίδια αρχή ισχύει για τις ενώσεις. Μια ένωση που έχει ασύζευκτα ηλεκτρόνια είναι παραμαγνητική, ενώ μια χωρίς ασύζευκτα ηλεκτρόνια είναι διαμαγνητική. Η αμμωνία (NH3) είναι ένα παράδειγμα διαμαγνητικής ένωσης. Το σύμπλεγμα συντονισμού [Fe(edta)3 )] είναι ένα παράδειγμα παραμαγνητικής ένωσης.
| Παραμαγνητικό | Διαμαγνητικό |
|---|---|
| Ασθενής έλξη από ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο | Απώθηση ασθενώς από εξωτερικό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο |
| Γίνε διαμαγνητικός σε υψηλές θερμοκρασίες | Ο μαγνητισμός δεν επηρεάζεται από τη θερμοκρασία |
| Σχετική διαπερατότητα> 1 | Σχετική διαπερατότητα <1 |
| Περιέχουν μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια | Περιέχουν μόνο ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια |
| Θετική μαγνητική επιδεκτικότητα | Αρνητική μαγνητική επιδεκτικότητα |
| Μην αιωρείστε | Στατική μαγνητική αιώρηση |
| Τα παραδείγματα είναι το μόριο οξυγόνου, το άτομο αζώτου και το λίθιο | Τα παραδείγματα είναι χαλκός, αέριο άζωτο, νερό, χρυσός |
| Οι ημιαγωγοί με πρόσμιξη είναι παραμαγνητικοί | Οι καθαροί ημιαγωγοί είναι διαμαγνητικοί |
Αναφορές
- Boozer, Allen H. (2006). «Διαταραχή στην ένταση του μαγνητικού πεδίου». Φυσική του πλάσματος . 13 (4):044501. doi:10.1063/1.2192511
- Du Trémolet de Lacheisserie, Étienne; Gignoux, Damien; Schlenker, Michel (2005). Μαγνητισμός:Βασικές αρχές . Πηδών. ISBN 978-0-387-22967-6.
- Griffiths, David J. (1998). Εισαγωγή στην Ηλεκτροδυναμική (3η έκδ.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-805326-0.
- Jiles, David (2015). Εισαγωγή στον Μαγνητισμό και τα Μαγνητικά Υλικά (3η έκδ.). Boca Raton:CRC Press. ISBN 978-1-4822-3887-7.
- Tipler, Paul (2004). Φυσική για επιστήμονες και μηχανικούς:ηλεκτρισμός, μαγνητισμός, φως και στοιχειώδη σύγχρονη φυσική (5η έκδ.). W.H. Φρίμαν. ISBN 978-0-7167-0810-0.
