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Was ist Paramagnetismus? Welchen Einfluss hat er auf die Materie um uns herum?
Paramatismus ist ein spezielles magnetisches Phänomen. Unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfelds ziehen sich einige Substanzen nur schwach an und bilden ein inneres Magnetfeld mit der gleichen Richtung wie das äußere Magnetfeld. Im Gegensatz dazu werden diamagnetische Materialien von Magnetfeldern abgestoßen und erzeugen ein Magnetfeld, das in die entgegengesetzte Richtung zum äußeren Feld weist.
Zu den paramagnetischen Materialien zählen die meisten chemischen Elemente und einige Verbindungen. Sie haben eine relative magnetische Permeabilität von etwas über 1, was bedeutet, dass sie von Magnetfeldern angezogen werden.
Das magnetische Moment dieser paramagnetischen Materialien wird induziert, wenn sie einem externen Magnetfeld ausgesetzt werden, und diese Induktion ist linear von der Stärke des Magnetfelds abhängig. Dieser Effekt ist allerdings im Allgemeinen sehr schwach und erfordert zur Erkennung oft eine hochempfindliche Analysenwaage. Die Quelle des Paramagnetismus sind hauptsächlich die im Material vorhandenen ungepaarten Elektronen. Daher weisen die meisten Atome mit unvollständigen Elektronenorbitalen Paramagnetismus auf. Es gibt jedoch einige Ausnahmen, wie beispielsweise Kupfer.
Ungepaarte Elektronen haben aufgrund ihres Spins ein magnetisches Dipolmoment und wirken wie winzige Magnete. Das äußere Magnetfeld bewirkt, dass sich die Spins dieser Elektronen in Richtung des Magnetfelds ausrichten, wodurch ein Netzwerk anziehender Kräfte entsteht.
Zu den üblichen paramagnetischen Materialien gehören Aluminium, Sauerstoff, Titan und Eisenoxid (FeO). In der Chemie gibt es eine einfache Faustregel: Sind alle Elektronen eines Stoffes gepaart, ist dieser diamagnetisch, sind alle Elektronen ungepaart, ist er paramagnetisch. Im Gegensatz zu ferromagnetischen Materialien behalten paramagnetische Materialien nach dem Entfernen des äußeren Magnetfelds keine Magnetisierung, da die thermische Bewegung die Spinausrichtung zufällig verändert. Selbst wenn ein Magnetfeld angelegt wird, ist die induzierte Magnetisierung äußerst gering, da nur ein kleiner Teil der Spins in Richtung des äußeren Felds ausgerichtet ist.
Effekte des Elektronenspins
Paramagnetische Materialien bestehen aus Atomen oder Molekülen, die in Gegenwart eines äußeren Magnetfelds permanente magnetische Momente (Dipole) entwickeln, die auch ohne angelegtes Magnetfeld bestehen. Wenn ein Magnetfeld angelegt wird, neigen diese Dipole dazu, sich mit dem äußeren Feld auszurichten, wodurch ein resultierendes magnetisches Moment entsteht.
Beim reinen Paramagnetismus interagieren diese Dipole nicht miteinander und sind in Abwesenheit eines äußeren Magnetfelds zufällig ausgerichtet, was zu einem gesamten magnetischen Moment von Null führt.
Wenn ein externes Magnetfeld angelegt wird, richten sich die Spins so aus, dass das resultierende magnetische Moment in die Richtung des externen Magnetfelds zeigt. Dies kann durch den Drehmomenteffekt in der klassischen Physik verstanden werden, seine eigentliche Ursache muss jedoch mithilfe der Quantenmechanik erklärt werden.
Korrelation zwischen makroskopischen Erscheinungen und Mikrostruktur
Sogar einige ferromagnetische Materialien weisen oberhalb der Curietemperatur Paramagnetismus auf, wenn die verfügbare thermische Energie die Wechselwirkungsenergie zwischen den Spins übersteigt, und verhalten sich daher wie normale paramagnetische Materialien. Im Allgemeinen sind paramagnetische Effekte relativ gering und die meisten Suszeptibilitäten bewegen sich im Bereich zwischen 10^-3 und 10^-5. Einige synthetische Materialien wie Ferrofluide können jedoch Suszeptibilitäten von bis zu 10^-1 aufweisen.
In leitfähigen Materialien sind Elektronen delokalisiert, was bedeutet, dass sie sich frei im Festkörper bewegen können. Das Auftreten dieses Phänomens ermöglicht das gleichzeitige Vorhandensein paramagnetischer und diamagnetischer Eigenschaften in diesen Materialien.
In den meisten Fällen weisen die Elektronen von s- und p-Typ-Metallen entweder schwachen Paramagnetismus oder diamagnetische Eigenschaften auf, wobei die diamagnetischen Eigenschaften die Effekte des Paramagnetismus in Metallen wie Gold normalerweise überwiegen. Im Gegensatz dazu weisen d- und f-Typ-Elektronen oft stärkere magnetische Effekte auf, insbesondere letztere, da sie normalerweise stark lokalisiert sind und bis zu sieben ungepaarte Elektronen tragen können. Beispielsweise wird Erbium (Gd) aufgrund seiner hohen magnetischen Induktionseigenschaften in der MRT-Technologie verwendet.
Diskussion auf theoretischer Basis
Die theoretische Grundlage des Paramagnetismus findet sich in der Quantenmechanik, insbesondere im Bohr-van Leeuwen-Theorem, das besagt, dass in einem rein klassischen System kein Diamagnetismus oder Paramagnetismus auftritt. Unter Bedingungen geringer Magnetisierung folgt das Magnetisierungsverhalten paramagnetischer Materialien dem Curie-Gesetz, das heißt, ihre Magnetisierung nimmt mit abnehmender Temperatur zu.
Dieses Gesetz besagt, dass die magnetische Suszeptibilität eines Materials umgekehrt proportional zu seiner Temperatur ist, was bedeutet, dass ein Material bei niedrigeren Temperaturen magnetischer wird.
Erhält man also durch die Betrachtung des Paramagnetismus und der Materialeigenschaften in unserem alltäglichen Leben ein tieferes Verständnis für unsere Umgebung?
