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Che cos'è il paramagnetismo? Come influisce sui materiali che ci circondano?
Il paramatismo è un fenomeno magnetico speciale. Sotto l'influenza di un campo magnetico esterno, alcune sostanze avranno una debole attrazione e formeranno un campo magnetico interno con la stessa direzione del campo magnetico esterno. Al contrario, i materiali diamagnetici vengono respinti dai campi magnetici e creano un campo magnetico nella direzione opposta al campo esterno.
I materiali paramagnetici comprendono la maggior parte degli elementi chimici e alcuni composti e hanno una permeabilità magnetica relativa leggermente superiore a 1, il che significa che sono attratti dai campi magnetici.
Il momento magnetico di questi materiali paramagnetici verrà indotto quando sottoposti a un campo magnetico esterno e questa induzione è linearmente proporzionale all'intensità del campo magnetico. Tuttavia, questo effetto è solitamente molto debole e spesso è necessaria una bilancia analitica molto sensibile per rilevarlo. La fonte del paramagnetismo è costituita principalmente dagli elettroni spaiati presenti nel materiale, quindi la maggior parte degli atomi con orbitali elettronici incompleti presentano paramagnetismo, ma esistono anche alcune eccezioni, come il rame.
Gli elettroni spaiati hanno un momento di dipolo magnetico dovuto al loro spin, comportandosi come piccoli magneti. Il campo magnetico esterno fa sì che gli spin di questi elettroni si allineino con la direzione del campo magnetico, creando una rete di forze attrattive.
I materiali paramagnetici più comuni sono l'alluminio, l'ossigeno, il titanio e l'ossido di ferro (FeO). In chimica esiste una semplice regola pratica: se tutti gli elettroni di un materiale sono accoppiati, allora il materiale è diamagnetico; se ci sono elettroni spaiati, allora è paramagnetico. A differenza dei materiali ferromagnetici, i materiali paramagnetici non mantengono alcuna magnetizzazione dopo la rimozione del campo magnetico esterno, perché il movimento termico randomizza l'orientamento dello spin. Anche quando viene applicato un campo magnetico, la magnetizzazione indotta è estremamente piccola perché solo una piccola frazione degli spin è allineata nella direzione del campo esterno.
Effetti dello spin elettronico
I materiali paramagnetici sono costituiti da atomi o molecole che sviluppano momenti magnetici permanenti (dipoli) in presenza di un campo magnetico esterno, che esistono anche in assenza di un campo magnetico applicato. Quando viene applicato un campo magnetico, questi dipoli tendono ad allinearsi con il campo esterno, formando un momento magnetico risultante.
Nel paramagnetismo puro, questi dipoli non interagiscono tra loro e sono orientati in modo casuale in assenza di un campo magnetico esterno, con conseguente momento magnetico totale pari a zero.
Quando viene applicato un campo magnetico esterno, gli spin si allineano in modo che il momento magnetico risultante punti nella direzione del campo magnetico esterno. Ciò può essere compreso attraverso l'effetto di coppia nella fisica classica, ma la sua causa effettiva deve essere spiegata attraverso la meccanica quantistica.
Correlazione tra manifestazioni macroscopiche e microstruttura
Anche alcuni materiali ferromagnetici mostrano paramagnetismo al di sopra della temperatura di Curie, quando l'energia termica disponibile supera l'energia di interazione tra gli spin, e quindi si comportano come normali materiali paramagnetici. In generale, gli effetti paramagnetici sono relativamente piccoli, con la maggior parte delle suscettività comprese tra 10^-3 e 10^-5, ma alcuni materiali sintetici come i ferrofluidi possono avere suscettività pari anche a 10^-1.
Nei materiali conduttori, gli elettroni sono delocalizzati, il che significa che possono muoversi liberamente nel solido. L'emergere di questo fenomeno consente la contemporanea presenza in questi materiali di proprietà paramagnetiche e diamagnetiche.
Nella maggior parte dei casi, gli elettroni dei metalli di tipo s e p presentano un debole paramagnetismo o proprietà diamagnetiche, con le proprietà diamagnetiche che solitamente superano gli effetti del paramagnetismo in metalli come l'oro. Al contrario, gli elettroni di tipo d e f mostrano spesso effetti magnetici più forti, soprattutto questi ultimi, perché sono solitamente altamente localizzati e possono trasportare fino a sette elettroni spaiati. Ad esempio, l'erbio (Gd) viene utilizzato nella tecnologia MRI per le sue elevate proprietà di induzione magnetica.
Discussione sulle basi teoriche
La base teorica del paramagnetismo si può trovare nella meccanica quantistica, in particolare nel teorema di Bohr-van Leeuwen, che afferma che in un sistema puramente classico non esiste né diamagnetismo né paramagnetismo. In condizioni di bassa magnetizzazione, il comportamento della magnetizzazione dei materiali paramagnetici segue la legge di Curie, ovvero la loro magnetizzazione aumenta con la diminuzione della temperatura.
Questa legge afferma che la suscettività magnetica di un materiale è inversamente proporzionale alla sua temperatura, il che significa che un materiale diventa più magnetico a temperature più basse.
Quindi, considerando il paramagnetismo e le proprietà dei materiali nella nostra vita quotidiana, questo ci fornisce un livello più profondo di comprensione di ciò che ci circonda?
