Language
Country/Area
No result found
ما هي المغناطيسية البارامغناطيسية؟ وكيف تؤثر على المادة المحيطة بنا؟
الجاذبية المغناطيسية هي ظاهرة مغناطيسية خاصة. تحت تأثير المجال المغناطيسي الخارجي، تصبح بعض المواد ذات جاذبية ضعيفة وتشكل مجالًا مغناطيسيًا داخليًا بنفس اتجاه المجال المغناطيسي الخارجي. على النقيض من ذلك، فإن المواد الديامغناطيسية تتنافر مع المجالات المغناطيسية وتخلق مجالًا مغناطيسيًا في الاتجاه المعاكس للمجال الخارجي.
تشتمل المواد البارامغناطيسية على معظم العناصر الكيميائية وبعض المركبات ولها نفاذية مغناطيسية نسبية أكبر قليلاً من 1، مما يعني أنها تنجذب إلى المجالات المغناطيسية.
سيتم إحداث عزم مغناطيسي لهذه المواد البارامغناطيسية عند تعرضها لحقل مغناطيسي خارجي، ويرتبط هذا الحث خطيًا بقوة المجال المغناطيسي. ومع ذلك، فإن هذا التأثير عادة ما يكون ضعيفا للغاية ويتطلب في كثير من الأحيان ميزان تحليلي حساس للغاية لاكتشافه. المصدر الرئيسي للمغناطيسية هو الإلكترونات غير المزدوجة الموجودة في المادة، وبالتالي فإن معظم الذرات ذات المدارات الإلكترونية غير المكتملة تظهر مغناطيسية مسايرة، ولكن بعض الاستثناءات مثل النحاس موجودة.
تتمتع الإلكترونات غير المزدوجة بعزم ثنائي القطب المغناطيسي بسبب دورانها، وتتصرف مثل المغناطيسات الصغيرة. يتسبب المجال المغناطيسي الخارجي في محاذاة دورانات هذه الإلكترونات مع اتجاه المجال المغناطيسي، مما يؤدي إلى إنشاء شبكة من القوى الجاذبة.
تشتمل المواد البارامغناطيسية الشائعة على الألومنيوم والأكسجين والتيتانيوم وأكسيد الحديد (FeO). هناك قاعدة بسيطة في الكيمياء: إذا كانت جميع الإلكترونات في مادة مقترنة، فإن المادة تكون مضادة للمغناطيسية؛ إذا كان هناك إلكترونات غير مقترنة، فإنها تكون بارامغناطيسية. على عكس المواد المغناطيسية الحديدية، لا تحتفظ المواد المغناطيسية بأي مغناطيسية بعد إزالة المجال المغناطيسي الخارجي لأن الحركة الحرارية تعمل على تغيير اتجاه الدوران بشكل عشوائي. حتى عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي، فإن المغناطيسية المستحثة تكون صغيرة للغاية لأن جزءًا صغيرًا فقط من الدورات يصطف في اتجاه المجال الخارجي.
تأثيرات دوران الإلكترون
تتكون المواد البارامغناطيسية من ذرات أو جزيئات تتطور لديها لحظات مغناطيسية دائمة (ثنائيات الأقطاب) في وجود مجال مغناطيسي خارجي، والتي تظل موجودة حتى في غياب مجال مغناطيسي مطبق. عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي، تميل هذه ثنائيات القطب إلى التوافق مع المجال الخارجي، مما يشكل عزمًا مغناطيسيًا ناتجًا.
في المغناطيسية البارامغناطيسية النقية، لا تتفاعل هذه الأقطاب الثنائية مع بعضها البعض وتتجه عشوائيًا في غياب مجال مغناطيسي خارجي، مما يؤدي إلى عزم مغناطيسي إجمالي يساوي صفرًا.
عند تطبيق مجال مغناطيسي خارجي، تتراصف الدورات بحيث يشير العزم المغناطيسي الناتج في اتجاه المجال المغناطيسي الخارجي. يمكن فهم ذلك من خلال تأثير عزم الدوران في الفيزياء الكلاسيكية، ولكن السبب الحقيقي له يحتاج إلى أن يتم تفسيره من خلال ميكانيكا الكم.
الارتباط بين المظاهر العيانية والبنية الدقيقة
حتى أن بعض المواد المغناطيسية الحديدية تظهر مغناطيسية مسايرة أعلى من درجة حرارة كوري، عندما تتجاوز الطاقة الحرارية المتاحة طاقة التفاعل بين الدورات، وبالتالي تتصرف مثل المواد المغناطيسية المسايرة العادية. بشكل عام، تكون التأثيرات البارامغناطيسية صغيرة نسبيًا، حيث تتراوح معظم القابلية للتأثر بين 10^-3 إلى 10^-5، ولكن بعض المواد الاصطناعية مثل السوائل المغناطيسية قد تكون قابلية تأثرها تصل إلى 10^-1.
في المواد الموصلة، تكون الإلكترونات غير موضعية، مما يعني أنها تستطيع التحرك بحرية في جميع أنحاء المادة الصلبة. ويؤدي ظهور هذه الظاهرة إلى وجود خصائص بارامغناطيسية وديامغناطيسية في وقت واحد في هذه المواد.
في معظم الحالات، تظهر إلكترونات المعادن من النوع s وp إما خصائص مغناطيسية ضعيفة أو خصائص مغناطيسية مضادة، حيث تفوق الخصائص المغناطيسية المضادة عادةً تأثيرات المغناطيسية المضادة في المعادن مثل الذهب. على النقيض من ذلك، غالبًا ما تظهر الإلكترونات من النوع d وf تأثيرات مغناطيسية أقوى، وخاصة النوع الأخير، لأنها عادةً ما تكون موضعية للغاية ويمكنها حمل ما يصل إلى سبعة إلكترونات غير مقترنة. على سبيل المثال، يتم استخدام الإربيوم (Gd) في تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي بسبب خصائصه المغناطيسية العالية.
مناقشة على أساس نظري
يمكن العثور على الأساس النظري للمغناطيسية في ميكانيكا الكم، وخاصة نظرية بور فان ليوين، التي تنص على أنه لن يكون هناك مغناطيسية مضادة أو مغناطيسية بارامغناطيسية في نظام كلاسيكي بحت. في ظل ظروف المغناطيسية المنخفضة، يتبع سلوك المغناطيسية للمواد البارامغناطيسية قانون كوري، أي أن مغناطيسيتها تزداد مع انخفاض درجة الحرارة.ينص هذا القانون على أن قابلية المادة للمغناطيسية تتناسب عكسيا مع درجة حرارتها، أي أن المادة تصبح أكثر مغناطيسية عند درجات حرارة منخفضة.
وبالتالي، بالنظر إلى المغناطيسية البارامغناطيسية وخصائص المواد في حياتنا اليومية، هل يمنحنا هذا مستوى أعمق من الفهم لمحيطنا؟
