Paramagnetismus: Ursachen, paramagnetische Materialien, Beispiele und Unterschiede beim Diamagnetismus

Paramagnetismus ist eine Form des Magnetismus, bei der bestimmte Materialien von einem äußeren Magnetfeld schwach angezogen werden und innere Magnetfelder bilden, die in Richtung des angelegten Magnetfelds induziert werden.

Im Gegensatz zu dem, was viele Leute oft meinen, werden magnetische Eigenschaften nicht nur auf ferromagnetische Substanzen reduziert. Alle Substanzen haben magnetische Eigenschaften, wenn auch in schwächerer Form. Diese Substanzen werden als paramagnetisch und diamagnetisch bezeichnet.

Auf diese Weise können zwei Arten von Substanzen unterschieden werden: paramagnetisch und diamagnetisch. Bei Vorhandensein eines Magnetfeldes werden die paramagnetischen zu dem Bereich angezogen, in dem die Intensität des Feldes größer ist. Andererseits werden die diamagnetischen von dem Bereich des Feldes angezogen, in dem die Intensität geringer ist.

In Gegenwart von Magnetfeldern erfahren paramagnetische Materialien die gleiche Art von Anziehung und Abstoßung wie Magnete. Wenn jedoch das Magnetfeld verschwindet, beendet die Entropie die induzierte magnetische Ausrichtung.

Mit anderen Worten, paramagnetische Materialien werden von Magnetfeldern angezogen, obwohl sie nicht in permanent magnetisierte Materialien umgewandelt werden. Beispiele für paramagnetische Substanzen sind unter anderem Luft, Magnesium, Platin, Aluminium, Titan, Wolfram und Lithium.

Ursachen

Der Paramagnetismus beruht auf der Tatsache, dass bestimmte Materialien aus Atomen und Molekülen bestehen, die permanent magnetische Momente (oder Dipole) aufweisen, auch wenn sie keinem Magnetfeld ausgesetzt sind.

Die magnetischen Momente entstehen durch die Spins der ungepaarten Elektronen von Metallen und anderen Materialien, die paramagnetische Eigenschaften besitzen.

Beim reinen Paramagnetismus wechselwirken die Dipole nicht miteinander, sondern sind in Abwesenheit eines äußeren Magnetfeldes infolge thermischer Bewegung zufällig ausgerichtet. Dies erzeugt ein magnetisches Nullmoment.

Wenn jedoch ein Magnetfeld angelegt wird, neigen die Dipole dazu, sich mit dem angelegten Feld auszurichten, was zu einem magnetischen Nettomoment in Richtung des Feldes führt und sich zum externen Feld addiert.

In jedem Fall kann der Ausrichtung der Dipole durch Temperatureinwirkung entgegengewirkt werden.

Auf diese Weise kann die thermische Bewegung beim Erhitzen des Materials dem Effekt entgegenwirken, den das Magnetfeld auf die Dipole hat, und die magnetischen Momente werden chaotisch umorientiert, wodurch die Intensität des induzierten Feldes verringert wird.

Curies Gesetz

Das Curie-Gesetz wurde vom französischen Physiker Pierre Curie im Jahr 1896 experimentell entwickelt. Es kann nur angewendet werden, wenn hohe Temperaturen auftreten und die paramagnetische Substanz in Gegenwart schwacher Magnetfelder vorliegt.

Dies liegt daran, dass der Paramagnetismus nicht beschrieben werden kann, wenn ein großer Teil der magnetischen Momente ausgerichtet ist.

Das Gesetz besagt, dass die Magnetisierung des paramagnetischen Materials direkt proportional zur angelegten Magnetfeldstärke ist. Es ist das sogenannte Curie-Gesetz:

M = X ≤ H = CH / T

In der vorherigen Formel ist M die Magnetisierung, H die magnetische Flussdichte des angelegten Magnetfelds, T die in Kelvin gemessene Temperatur und C eine materialspezifische Konstante, die als Curie-Konstante bezeichnet wird.

Aus der Beobachtung des Curie'schen Gesetzes folgt auch, dass die Magnetisierung umgekehrt proportional zur Temperatur ist. Aus diesem Grund neigen die Dipole und die magnetischen Momente beim Erhitzen des Materials dazu, die Orientierung zu verlieren, die durch das Vorhandensein des Magnetfelds erhalten wird.

Paramagnetische Materialien

Die paramagnetischen Materialien sind alle Materialien mit einer magnetischen Permeabilität (Fähigkeit einer Substanz, ein magnetisches Feld anzuziehen oder durchzulassen), die der magnetischen Permeabilität des Vakuums ähnlich ist. Solche Materialien weisen einen vernachlässigbaren Ferromagnetismus auf.

In physikalischer Hinsicht wird angegeben, dass seine relative magnetische Permeabilität (Quotient zwischen der Permeabilität des Materials oder Mediums und der Permeabilität des Vakuums) ungefähr gleich 1 ist, was der magnetischen Permeabilität des Vakuums entspricht.

Unter den paramagnetischen Materialien gibt es eine bestimmte Art von Materialien, die als superparamagnetisch bezeichnet wird. Obwohl sie dem Curie-Gesetz folgen, weisen diese Materialien einen relativ hohen Wert für die Curie-Konstante auf.

Unterschiede zwischen Paramagnetismus und Diamagnetismus

Es war Michael Faraday, der im September 1845 erkannte, dass in Wirklichkeit alle Materialien (nicht nur Ferromagnete) auf das Vorhandensein von Magnetfeldern reagieren.

In jedem Fall ist die Wahrheit, dass die meisten Substanzen diamagnetischen Charakter haben, da Elektronenpaare gepaart - und daher mit entgegengesetztem Spin - den Diamagnetismus schwach begünstigen. Im Gegenteil, nur wenn ungepaarte Elektronen vorhanden sind, tritt Diamagnetismus auf.

Sowohl paramagnetische als auch diamagnetische Materialien weisen eine schwache Anfälligkeit für Magnetfelder auf, während sie bei ersteren positiv und bei letzteren negativ sind.

Die diamagnetischen Materialien werden durch ein Magnetfeld leicht abgestoßen; Andererseits werden die paramagnetischen angezogen, wenn auch mit geringer Kraft. In beiden Fällen verschwinden die Auswirkungen der Magnetisierung, wenn das Magnetfeld entfernt wird.

Wie bereits erwähnt, sind die meisten Elemente des Periodensystems diamagnetisch. Beispiele für diamagnetische Substanzen sind daher Wasser, Wasserstoff, Helium und Gold.

Anwendungen

Da paramagnetische Materialien in Abwesenheit eines Magnetfeldes ein vakuumähnliches Verhalten aufweisen, sind ihre Anwendungen in der Industrie etwas eingeschränkt.

Eine der interessantesten Anwendungen des Paramagnetismus ist die elektronische paramagnetische Resonanz (RPE), die in der Physik, Chemie und Archäologie weit verbreitet ist. Es ist eine spektroskopische Technik, mit der Arten mit ungepaarten Elektronen nachgewiesen werden können.

Diese Technik wird unter anderem bei Fermentationen, bei der industriellen Herstellung von Polymeren, beim Verschleiß von Motorenölen und bei der Herstellung von Bier angewendet. In gleicher Weise ist diese Technik bei der Datierung von archäologischen Überresten weit verbreitet.