Language
Country/Area
No result found
Что такое парамагнетизм? Как он влияет на окружающую нас материю?
Параматизм — особое магнитное явление. Под воздействием внешнего магнитного поля некоторые вещества будут иметь слабое притяжение и образовывать внутреннее магнитное поле с тем же направлением, что и внешнее магнитное поле. Напротив, диамагнитные материалы отталкиваются магнитными полями и создают магнитное поле, направление которого противоположно внешнему полю.
Парамагнитные материалы включают большинство химических элементов и некоторые соединения и имеют относительную магнитную проницаемость немного больше 1, что означает, что они притягиваются магнитными полями.
Магнитный момент этих парамагнитных материалов будет индуцироваться при воздействии внешнего магнитного поля, и эта индукция линейно связана с напряженностью магнитного поля. Однако этот эффект обычно очень слаб и для его обнаружения часто требуются высокочувствительные аналитические весы. Источником парамагнетизма являются главным образом неспаренные электроны, присутствующие в материале, поэтому большинство атомов с неполными электронными орбиталями проявляют парамагнетизм, но существуют некоторые исключения, такие как медь.
Неспаренные электроны обладают магнитным дипольным моментом из-за своего спина, действуя как крошечные магниты. Внешнее магнитное поле заставляет спины этих электронов выравниваться по направлению магнитного поля, создавая сеть сил притяжения.
Обычные парамагнитные материалы включают алюминий, кислород, титан и оксид железа (FeO). В химии существует простое эмпирическое правило: если все электроны в материале спарены, то материал диамагнитен; если есть неспаренные электроны, то он парамагнитен. В отличие от ферромагнитных материалов, парамагнитные материалы не сохраняют намагниченность после снятия внешнего магнитного поля, поскольку тепловое движение хаотизирует ориентацию спинов. Даже при приложении магнитного поля индуцированная намагниченность чрезвычайно мала, поскольку лишь небольшая часть спинов выровнена в направлении внешнего поля.
Эффекты электронного спина
Парамагнитные материалы состоят из атомов или молекул, которые в присутствии внешнего магнитного поля создают постоянные магнитные моменты (диполи), существующие даже при отсутствии приложенного магнитного поля. При приложении магнитного поля эти диполи стремятся выровняться с внешним полем, образуя результирующий магнитный момент.
В чистом парамагнетизме эти диполи не взаимодействуют друг с другом и ориентированы случайным образом в отсутствие внешнего магнитного поля, в результате чего общий магнитный момент равен нулю.
При приложении внешнего магнитного поля спины выстраиваются таким образом, что результирующий магнитный момент указывает в направлении внешнего магнитного поля. Это можно понять с помощью эффекта крутящего момента в классической физике, но его истинную причину необходимо объяснить с помощью квантовой механики.
Корреляция между макроскопическими проявлениями и микроструктурой
Даже некоторые ферромагнитные материалы проявляют парамагнетизм выше температуры Кюри, когда имеющаяся тепловая энергия превышает энергию взаимодействия между спинами, и, таким образом, ведут себя как обычные парамагнитные материалы. В целом парамагнитные эффекты относительно невелики, большинство восприимчивостей находятся в диапазоне от 10^-3 до 10^-5, но некоторые синтетические материалы, такие как феррожидкости, могут иметь восприимчивость до 10^-1.
В проводящих материалах электроны делокализованы, что означает, что они могут свободно перемещаться по твердому телу. Возникновение этого явления позволяет парамагнитным и диамагнитным свойствам существовать в этих материалах одновременно.
В большинстве случаев электроны металлов s- и p-типа проявляют либо слабый парамагнетизм, либо диамагнитные свойства, причем диамагнитные свойства обычно перевешивают эффекты парамагнетизма в таких металлах, как золото. Напротив, электроны d- и f-типа часто проявляют более сильные магнитные эффекты, особенно последние, поскольку они обычно сильно локализованы и могут нести до семи неспаренных электронов. Например, эрбий (Gd) используется в технологии МРТ из-за его высоких магнитно-индукционных свойств.
Обсуждение теоретической основы
Теоретическую основу парамагнетизма можно найти в квантовой механике, в частности в теореме Бора-ван Лейвена, которая утверждает, что в чисто классической системе не будет ни диамагнетизма, ни парамагнетизма. В условиях низкой намагниченности поведение намагничивания парамагнитных материалов подчиняется закону Кюри, то есть их намагниченность увеличивается с понижением температуры.
Этот закон гласит, что магнитная восприимчивость материала обратно пропорциональна его температуре, то есть материал становится более магнитным при более низких температурах.
Итак, если учесть парамагнетизм и свойства материалов в нашей повседневной жизни, дает ли это нам более глубокий уровень понимания нашего окружения?
