Парамагнетики⚠️: свойства, отличие от ферромагнетиков

Что такое парамагнетики

Парамагнетиками называют вещества, способные намагничиваться под действием внешнего магнитного поля в его направлении и обладающие положительной магнитной восприимчивостью, которая значительно меньше единицы.

Определение «Парамагнетизм» было введено в 1848 году Майклом Фарадеем. Ученый выполнил разделение всех веществ на несколько классов, включая парамагнетики.

Парамагнетики относят к слабомагнитным веществам. Они характеризуются собственными магнитными моментами. Если на парамагнетик действует внешнее магнитное поле, магнитные моменты ориентируются по его направлению и создают результирующее поле, превосходящее внешнее. Таким образом, вещества входят в магнитное поле. В случае, когда внешнее магнитное поле отсутствует, и парамагнетик не намагничен, благодаря тепловому движению наблюдается произвольная ориентация собственных магнитных моментов атомов вещества.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Основные свойства

Выделение парамагнетиков в отдельную категорию произошло благодаря их особенным физико-химическим характеристикам. Основными свойствами веществ являются:

• положительная магнитная восприимчивость, которая значительно меньше единицы;
• самопроизвольная намагниченность, изменяемая при воздействии сторонних факторов, наблюдается, когда температура среды не слишком высока;
• гистерезис характерен для данного типа веществ;
• притяжение магнитом в условиях мощного магнитного поля.

Отличие от ферромагнетиков, диамагнетиков

Все парамагнетики обладают собственными магнитными моментами. Данное свойство отличает их от диамагнетиков. Под воздействием высоких температур магнитные моменты начинают вращательные движения в произвольных направлениях. Если парамагнетик окружает среда с низкой температурой, магнитные моменты атомов останавливаются, что служит причиной образования структуры этих моментов в кристалле. Наиболее простым вариантом такого положения является ситуация, когда моменты выстраиваются параллельно, относительно друг друга, и ориентированы в одном направлении. Это является примером ферромагнитной структуры.  

Если парамагнетик определенного типа способен под воздействием низкой температуры создавать магнитные структуры, то такое вещество называется ферромагнетиком. Поэтому ферромагнетики можно определить, как те же парамагнетики, но с моментами атомов, направленных в одну сторону.

Виды парамагнетиков

Парамагнетики широко распространены. Вещества, обладающие соответствующими свойствами, могут несколько отличаться по характеру поведения в магнитном поле. Выделяют следующие виды парамагнетиков:

• нормальные;
• парамагнитные металлы;
• антиферромагнетики.

Парамагнитные металлы отличаются от других парамагнетических веществ отсутствием взаимосвязи между магнитной восприимчивостью моментов атома и температурным режимом. Такие вещества относятся к слабомагнитным.

Изменение парамагнетиков во внешнем магнитном поле

Наличие парамагнитного резонанса характерно для парамагнетических веществ. Опытным путем можно наблюдать при помещении парамагнетика во внешнее магнитное поле создание дополнительного магнитного поля, вектор индукции в котором перпендикулярен вектору постоянного поля. Если дополнительное поле взаимодействует с магнитным моментом атома вещества, это приводит к образованию момента сил. Парамагнитный резонанс определяется силой магнитного поля. Если оно слабое, то напряженность поля будет пропорциональна намагниченности парамагнетических веществ.

Примеры веществ парамагнетиков

Ферромагнитные и антиферромагнитные вещества могут преобразоваться в парамагнетические материалы. При этом температура должна быть больше, чем температура Кюри или Нееля, при которой наблюдается фазовый переход в парамагнитное состояние. Примеры парамагнетиков:

• алюминий;
• платина;
• щелочные и щелочно-земельные металлы и их сплавы;
• кислород;
• оксид азота;
• оксид марганца;
• хлорное железо.

Где применяются в повседневной жизни

Парамагнетики представляют собой постоянные магниты. Вещества такого типа характеризуются широкими сферами применения в технике и быту. Магниты нередко используются для изготовления разнообразных электрических приборов и оборудования.

ПАРАМАГНЕТИЗМ • Большая российская энциклопедия

ПАРАМАГНЕТИ́ЗМ (от па­ра… и маг­не­тизм), свой­ст­во ве­ществ, по­ме­щён­ных во внеш­нее маг­нит­ное по­ле, при­об­ре­тать на­маг­ни­чен­ность, на­прав­лен­ную вдоль век­то­ра на­пря­жён­но­сти $\boldsymbol H$ маг­нит­но­го по­ля. П. впер­вые опи­сан М. Фа­ра­де­ем в 1847. В не­од­но­род­ном внеш­нем маг­нит­ном по­ле па­ра­маг­нит­ные те­ла (пара­маг­не­ти­ки) втя­ги­ва­ют­ся в об­ласть с бо́ль­шим зна­че­ни­ем $\boldsymbol H$. П. про­ти­во­по­став­ля­ет­ся диа­маг­не­тиз­му, при ко­то­ром при­об­ре­тае­мая ве­ще­ст­вом на­маг­ни­чен­ность про­ти­во­по­лож­на по на­прав­ле­нию внеш­не­му маг­нит­но­му по­лю. Для П. ха­рак­тер­на воз­мож­ность пре­неб­речь по тем или иным при­чи­нам ори­ен­ти­рую­щим взаи­мо­дей­ст­ви­ем ме­ж­ду ло­каль­ны­ми маг­нит­ны­ми мо­мен­та­ми ато­мов или мо­ле­кул ве­ще­ст­ва, на­ли­чие ко­то­ро­го ха­рак­тер­но для фер­ро­маг­не­тиз­ма и ан­ти­фер­ро­маг­не­тиз­ма, по­это­му П. про­ти­во­пос­тав­ля­ет­ся фер­ро- и ан­ти­фер­ро­маг­не­тиз­му, так же как и лю­бо­му др. маг­ни­то­упо­ря­до­чен­но­му со­стоя­нию (см. Маг­не­тизм).

В мик­ро­ско­пич. тео­рии П. счи­та­ет­ся, что ато­мы, ио­ны или мо­ле­ку­лы па­ра­маг­не­ти­ка об­ла­да­ют от­лич­ны­ми от ну­ля сред­ни­ми ло­каль­ны­ми маг­нит­ны­ми мо­мен­та­ми, взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду ко­то­ры­ми дос­та­точ­но мало́, и им мож­но пре­неб­речь. В от­сут­ст­вие внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля эти мо­мен­ты слу­чай­ным об­ра­зом ори­ен­ти­ро­ва­ны в про­стран­ст­ве и не­за­ви­си­мы друг от дру­га. Из-за те­п­ло­во­го воз­бу­ж­де­ния сред­ние зна­че­ния про­ек­ций ло­каль­ных маг­нит­ных мо­мен­тов па­ра­маг­не­ти­ков на лю­бое на­прав­ле­ние в про­стран­ст­ве рав­ны ну­лю (в от­ли­чие от спи­но­вых стё­кол) и сум­мар­ная спон­тан­ная на­маг­ни­чен­ность ве­ще­ст­ва рав­на ну­лю (в от­ли­чие от фер­ро- и ан­ти­фер­ро­маг­не­ти­ков). Внут­ри па­ра­маг­не­ти­ка, по­ме­щён­но­го во внеш­нее маг­нит­ное по­ле $\boldsymbol H$, на маг­нит­ные мо­мен­ты те­ла дей­ст­ву­ет не толь­ко внеш­нее по­ле, но и воз­ни­каю­щая в об­раз­це на­маг­ни­чен­ность $\boldsymbol М$, по­это­му те­ло на­маг­ни­чи­ва­ет­ся в на­прав­ле­нии, при­мер­но сов­па­даю­щем с на­прав­ле­ни­ем внеш­не­го по­ля, и на­маг­ни­чен­ность в об­щем слу­чае яв­ля­ет­ся тен­зо­ром, а не ска­ляр­ной ве­ли­чи­ной. При ма­лых зна­че­ни­ях $\boldsymbol H$ на­маг­ни­чен­ность $\boldsymbol М$ па­ра­маг­не­ти­ков ли­ней­но за­ви­сит от $\boldsymbol H \! : \boldsymbol M=\hat χ \boldsymbol H$, где $\hat χ$ – тен­зор маг­нит­ной вос­при­им­чи­во­сти, ком­по­нен­ты ко­то­ро­го не за­ви­сят от $\boldsymbol H$. При уве­ли­че­нии $\boldsymbol H$ до зна­че­ний, пре­вос­хо­дя­щих т. н. по­ле на­сы­ще­ния $H_s$, воз­мож­но яв­ле­ние маг­нит­но­го на­сы­ще­ния, при ко­то­ром $M$ стре­мит­ся к на­маг­ни­чен­но­сти на­сы­ще­ния $M_s$.

Ориентационный парамагнетизм

Ес­ли ори­ен­та­ция ло­каль­ных маг­нит­ных мо­мен­тов час­тиц ве­ще­ст­ва во внеш­нем маг­нит­ном по­ле не свя­за­на с дви­же­ни­ем этих час­тиц в про­стран­ст­ве, то го­во­рят об ори­ен­та­ци­он­ном П. (П. Лан­же­вен, 1905). В этом слу­чае П. оп­ре­де­ля­ет­ся не­за­ви­си­мой ори­ен­та­ци­ей маг­нит­ных мо­мен­тов во внеш­нем по­ле $\boldsymbol H$ и опи­сы­вает­ся на ос­но­ве рас­пре­де­ле­ния Гиб­бса для про­ек­ций ло­каль­ных маг­нит­ных мо­мен­тов на на­прав­ле­ние по­ля. При клас­сич. рас­смот­ре­нии для на­маг­ни­чен­но­сти $M$ спра­вед­ли­ва фор­му­ла $M=Nμ_0μL(μH/kT)$, где $μ_0$ – маг­нит­ная по­сто­ян­ная, $μ$ – маг­нит­ный мо­мент ато­ма, $N$ – чис­ло ато­мов в еди­ни­це объ­ё­ма ве­ще­ст­ва, $k$ – по­сто­ян­ная Больц­ма­на, $L(x)= \text {cth}\,x-1/x$ – функ­ция Лан­же­ве­на, $T$ – темп-ра. 2J(J+1)]/3k$. Т. о., оп­ре­де­лив из экс­пе­ри­мен­та $C$ и зная $N$, $k$ и $μ_Б$, мож­но рас­счи­тать эф­фек­тив­ное чис­ло маг­не­то­нов Бо­ра $p_{эфф}$, при­хо­дя­щих­ся на 1 атом па­ра­маг­не­ти­ка: $p_{эфф}=g_J\sqrt{J(J+1)}$.

Поляризационный парамагнетизм

При по­сле­до­ва­тель­ном кван­то­во­ме­ха­нич. рас­смот­ре­нии ока­за­лось, что, кро­ме ори­ен­та­ци­он­ной вос­при­им­чи­во­сти сис­те­мы ато­мов или ио­нов, су­ще­ст­ву­ет ещё т. н. по­ля­ри­за­ци­он­ный вклад в вос­при­им­чи­вость (Дж. Ван Флек, 1927). По­ля­ри­за­ци­он­ный П. име­ет чис­то кван­то­вую при­ро­ду и свя­зан с тем, что за счёт тем­пе­ра­тур­ных флук­туа­ций к осн. со­стоя­нию ато­мов или мо­ле­кул при­ме­ши­ва­ют­ся воз­бу­ж­дён­ные со­стоя­ния (см. Ван­фле­ков­ский па­ра­маг­не­тизм). При боль­ших зна­че­ни­ях раз­но­сти энер­гий ос­нов­но­го и воз­бу­ж­дён­но­го со­стоя­ний ато­мов или мо­ле­кул по­ля­ри­за­ци­он­ный вклад в сум­мар­ную вос­при­им­чи­вость мал и для вос­при­им­чи­во­сти вы­пол­ня­ет­ся за­кон Кю­ри; при не­боль­ших зна­че­ни­ях этой раз­но­сти по­ля­ри­за­ци­он­ный вклад ста­но­вит­ся оп­ре­де­ляю­щим и реа­ли­зу­ет­ся П. {3+}}$. Маг­нит­ные мо­мен­ты $4f$-обо­лоч­ки хо­ро­шо эк­ра­ни­ро­ва­ны от воз­дей­ст­вия со­сед­них ато­мов за­пол­нен­ны­ми внеш­ни­ми $5s-$ и $5p$-обо­лоч­ка­ми ио­нов ред­ко­зе­мель­но­го ме­тал­ла; с др. сто­ро­ны, взаи­мо­дей­ст­ви­ем маг­нит­ных ио­нов мож­но пре­неб­речь, по­сколь­ку они на­хо­дят­ся на боль­ших рас­стоя­ни­ях друг от дру­га. Т. о., маг­нит­ные свой­ст­ва со­лей ред­ко­зе­мель­ных ме­тал­лов по­доб­ны маг­нит­ным свой­ст­вам па­ров ме­тал­лов. При их тео­ре­тич. опи­са­нии не­об­хо­ди­мо учи­ты­вать кван­то­вую при­ро­ду маг­нит­ных мо­мен­тов ато­мов ред­ко­зе­мель­ных ме­тал­лов; по­ля­ри­за­ци­он­ный вклад в вос­при­им­чи­вость в та­ких па­ра­маг­не­ти­ках дос­та­точ­но ве­лик.

На­ли­чие взаи­мо­дей­ст­вия ме­ж­ду маг­нит­ны­ми мо­мен­та­ми ато­мов наи­бо­лее су­ще­ст­вен­но в кон­ден­си­ров. сре­дах и при­во­дит к от­кло­не­нию за­ви­си­мо­сти $χ_{пм}(T)$ от за­ко­на Кю­ри и вы­пол­не­нию Кю­ри – Вей­са за­ко­на $χ_{пм}(T)=C/(T-θ_{пм})$, где $θ_{пм}$ – па­ра­маг­нит­ная темп-ра Кю­ри, ко­то­рая мо­жет быть по­ло­жи­тель­ной или от­ри­ца­тель­ной в за­ви­си­мо­сти от осо­бен­но­стей маг­нит­ной струк­ту­ры ве­ще­ст­ва. Энер­ге­тич. па­ра­метр $∣kθ_{пм}∣$ по по­ряд­ку ве­ли­чи­ны со­от­вет­ст­ву­ет энер­гии взаи­мо­дей­ст­вия маг­нит­ных мо­мен­тов. Тем­пе­ра­тур­ная за­ви­си­мость маг­нит­ной вос­при­им­чи­во­сти та­ких маг­не­ти­ков име­ет слож­ный вид и тре­бу­ет ин­ди­ви­ду­аль­но­го рас­смот­ре­ния.

Парамагнетизм металлов и полупроводников

На­ли­чие в ме­тал­лах элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти, об­ла­даю­щих спи­ном $s=1/2$ и спи­но­вым маг­нит­ным мо­мен­том $μ_Б$, да­ёт до­пол­нит. вклад в П. ме­тал­лов. Сис­те­ма элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти пред­став­ля­ет со­бой вы­ро­ж­ден­ный фер­ми-газ, в ко­то­ром по­яв­ле­ние на­маг­ни­чен­но­сти, т. е. не­ра­вен­ст­во чис­ла фер­мио­нов с разл. зна­че­ния­ми про­ек­ции спи­на, в си­лу прин­ци­па Пау­ли, при­во­дит к уве­ли­че­нию ср. ки­не­тич. энер­гии га­за. Во внеш­нем маг­нит­ном по­ле про­ис­хо­дит ори­ен­ти­ро­ва­ние маг­нит­ных мо­мен­тов вдоль на­прав­ле­ния внеш­не­го по­ля. Со­от­вет­ст­вую­щая вос­при­им­чи­вость прак­ти­че­ски не за­ви­сит от темп-ры (см. {1/2}\exp(–ΔE/2kT)$, где $A$ – па­ра­метр ве­ще­ст­ва, $ΔE$ – ши­ри­на за­пре­щён­ной зо­ны по­лу­про­вод­ни­ка. Элек­трон­ный П. в по­лу­про­вод­ни­ках час­то пе­ре­кры­ва­ет­ся диа- и па­ра­маг­не­тиз­мом ио­нов кри­стал­лич. ре­шёт­ки, по­это­му на­блю­дать чис­тый П. элек­тро­нов в по­лу­про­вод­ни­ках за­труд­ни­тель­но. Осо­бен­но­сти зон­ной струк­ту­ры при­во­дят к ис­ка­же­ни­ям про­сто­го вы­ра­же­ния для $χ_{пм}$.

Суперпарамагнетизм

На­блю­да­ет­ся в ан­самб­ле сла­бо­взаи­мо­дей­ст­вую­щих од­но­до­мен­ных фер­ро­маг­нит­ных час­тиц ма­ло­го объ­ё­ма, об­ла­даю­щих боль­шим маг­нит­ным мо­мен­том. Пе­ре­маг­ни­чи­ва­ние внут­ри та­ких час­тиц про­ис­хо­дит пу­тём ко­ге­рент­но­го вра­ще­ния всех маг­нит­ных мо­мен­тов ио­нов внут­ри час­ти­цы, по­это­му су­пер­па­ра­маг­не­тик во внеш­нем маг­нит­ном по­ле ве­дёт се­бя как па­ра­маг­не­тик (см. Су­пер­па­ра­маг­не­тизм).

Ядер­ный па­ра­маг­не­тизм. Обу­слов­лен маг­нит­ны­ми мо­мен­та­ми ядер. Ес­ли взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду ни­ми и маг­нит­ны­ми мо­мен­та­ми элек­трон­ных обо­ло­чек до­ста­точ­но малo, то ядер­ная па­ра­маг­нит­ная вос­при­им­чи­вость под­чи­ня­ет­ся за­ко­ну Кю­ри: $χ_я=Nμ_0μ_{я\,эфф}^2/3kT$, где $μ_{я\,эфф}$ – эф­фек­тив­ный маг­нит­ный мо­мент яд­ра, ко­то­рый при­мер­но в 1000 раз мень­ше $μ_Б$ (см. Маг­не­тизм мик­ро­час­тиц), по­это­му ядер­ная па­ра­маг­нит­ная вос­при­им­чи­вость при­мер­но в 10⁶ раз мень­ше па­ра­маг­нит­ной вос­при­им­чи­во­сти ио­нов (см. Ядер­ный па­ра­маг­не­тизм).

Классификация магнитных материалов по магнитным свойствам

В зависимости от магнитных свойств материалы разделяют на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Количественно магнитные свойства материалов принято оценивать по их магнитной восприимчивости λ = М/Н, где М — намагниченность вещества; Н — напряженность магнитного поля.

Это вещества, атомы, ионы или молекулы которых не имеют результирующего магнитного момента при отсутствии внешнего поля. Диамагнитный эффект является результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи и проявляется в том, что возникает магнитный момент, направленный в сторону, обратную внешнему полю. Таким образом, во внешнем магнитном поле диамагнетики намагничиваются противоположно приложенному полю, т. е. имеют отрицательную магнитную восприимчивость (λ < 0). Диамагнитные вещества выталкиваются из неравномерного магнитного поля, а в равномерном магнитном поле вектор намагниченности диамагнетика стремится расположиться перпендикулярно к направлению поля. Диамагнетизм присущ всем без исключения веществам в твердом, жидком и газообразном состояниях, но проявляется слабо и часто подавляется другими эффектами.

Это вещества, атомы, ионы или молекулы которых имеют результирующий магнитный момент при отсутствии внешнего магнитного поля. Во внешнем магнитном поле парамагнетики намагничиваются согласно с внешним полем, т. е. имеют положительную магнитную восприимчивость (λ > 0). Парамагнитный эффект присущ веществам с нескомпенсированным магнитным моментом атомов при отсутствии у них порядка в ориентации этих моментов. Поэтому, когда нет внешнего магнитного поля, атомные магнитные моменты располагаются хаотически и намагниченность парамагнитного вещества равна нулю. При воздействии внешнего магнитного поля атомные магнитные моменты получают преимущественную ориентацию в направлении этого поля, и у парамагнитного вещества проявляется намагниченность.

Это вещества, в которых магнитные моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля. При воздействии внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов приобретают преимущественное ориентирование в направлении этого поля и ферромагнитное вещество намагничивается. Ферромагнитные вещества характеризуются большим значением магнитной восприимчивости (>> 1), а также ее нелинейной зависимостью от напряженности магнитного поля и температуры, способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах даже в слабых магнитных полях, гистерезисом — зависимостью магнитных свойств от предшествующего магнитного состояния, точкой Кюри, т. е. температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства. К ферромагнитным веществам относятся железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, а также некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия. Ферромагнитные свойства у вещества могут возникать лишь при достаточно большом значении обменного взаимодействия, что характерно для кристаллов железа, кобальта, никеля и др. Необходимое значение обменного взаимодействия ферромагнетики имеют лишь в твердом состоянии. Этим объясняется отсутствие в природе жидких и газообразных ферромагнетиков. Ферромагнетизм сплавов, целиком состоящих из «парамагнитных» компонентов, объясняется тем, что в этих сплавах, основой которых обычно является марганец или хром, введение в решетку основы атомов висмута, сурьмы, серы и теллура изменяет электронную структуру кристаллов, в результате чего создаются условия для возникновения ферромагнетизма.

Это вещества, в которых магнитные моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов равны нулю. При воздействии внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов приобретают преимущественную ориентацию вдоль внешнего поля и антиферромагнитное вещество намагничивается. Антиферромагнитные вещества характеризуются кристаллическим строением, небольшим коэффициентом магнитной восприимчивости (λ = от 10^-3 до 10^-5), постоянством восприимчивости в слабых полях и сложной зависимостью от магнитного поля в сильных полях, специфической зависимостью от температуры, а также температурой точки Нееля, выше которой вещество переходит в парамагнитное состояние. К антиферромагнетикам относятся чистые металлы хром и марганец, редкоземельные металлы цериевой подгруппы: церий, неодим, празеодим самарий и европий. Редкоземельные металлы диспрозий, гольмий и эрбий в зависимости от температуры могут быть антиферромагнетиками или ферромагнетиками. При воздействии на эти металлы, находящиеся в антиферромагнитном состоянии внешнего магнитного поля, превышающего критическое значение, происходит переход антиферромагнитного порядка в ферромагнитный, сопровождающийся скачкообразным появлением намагниченности (М~ 1600 кА/м). Аналогичные превращения можно наблюдать у тулия и тербия.

Это кристаллические вещества, магнитную структуру которых можно представить в виде двух или более подрешеток; магнитные моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля.

Магнитные материалы первой группы применяются в электронных элементах, для которых нет особых требований к температурной и временной нестабильности. Определяющими параметрами данной группы материалов являются начальная магнитная проницаемость и тангенс угла магнитных потерь.

Материалы второй группы имеют малые значения относительного температурного коэффициента магнитной проницаемости в рабочем интервале температур и достаточно высокую временную стабильность начальной магнитной проницаемости. Значение магнитной индукции при поле Н = 800 А/м при нормальной (комнатной) температуре составляет 0,25-0,38 Тл.

К третьей группе относятся материалы с высоким значением начальной магнитной проницаемости на низких частотах. При этом повышенные требования к температурному коэффициенту проницаемости не предъявляются.

Для ферритовых материалов четвертой группы характерны малые значения магнитных потерь в сильных электромагнитных полях и высокое значение магнитной индукции при повышенной температуре (до 100-120°С) и подмагничивании.

Пятая группа ферритов характеризуется повышенными значениями импульсной магнитной проницаемости и температурной стабильностью магнитной проницаемости.

К шестой группе относятся ферритовые материалы, которые характеризуются начальной магнитной проницаемостью, коэффициентом амплитудной нестабильности магнитной проницаемости, коэффициентом перестройки по частоте, тангенсом угла магнитных потерь при различных индукциях, низкой начальной проницаемостью.

Особое место занимают ферритовые материалы седьмой группы. Они характеризуются повышенной добротностью как в слабых, так и в сильных электромагнитных полях, малыми линейными искажениями, низкой начальной проницаемостью.

Магнетизм • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Согласно закону Ампера, электрический ток производит магнитное поле. Электрон, вращающийся вокруг атома, можно рассматривать как циклический электрический ток очень малой силы и радиуса. Однако магнитное поле он, и это не удивительно, всё равно индуцирует. Фактически же, все электроны, вращаясь вокруг атомов, производят свое магнитное поле, и каждый атом, как следствие, обладает собственным магнитным полем, которое представляет собой суммарное поле, или суперпозицию магнитных полей отдельных электронов.

Теперь мы подходим к главному. В некоторых атомах равное число электронов вращается во всевозможных направлениях, и их магнитные поля взаимно гасятся. Однако в атомах некоторых элементов орбиты электронов могут быть ориентированы таким образом, что часть электронов производит магнитные поля, остающиеся некомпенсированными за счет полей электронов, обращающихся в противоположном направлении. И когда такие магнитные поля, связанные с вращением электронов по орбите, к тому же оказываются одинаково направленными у всех атомов кристаллической структуры вещества, он, в целом, создает вокруг себя стабильное и достаточно сильное магнитное поле. Любой фрагмент такого вещества представляет собой маленький магнит с четко выраженными северным и южным полюсами.

Именно совокупное поведение таких мини-магнитов атомов кристаллической решетки и определяет магнитные свойства вещества. По своим магнитным свойствам вещества делятся на три основных класса: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики. Имеется также два обособленных подкласса материалов, выделенных из общего класса ферромагнетиков — антиферромагнетики и ферримагнетики. В обоих случаях эти вещества относятся к классу ферромагнетиков, но обладают особыми свойствами при низких температурах: магнитные поля соседних атомов выстраиваются строго параллельно, но в противоположных направлениях. Антиферромагнетики состоят из атомов одного элемента и, как следствие, их магнитное поле становится равным нулю. Ферримагнетики представляют собой сплав двух и более веществ, и результатом суперпозиции противоположно направленных полей становится макроскопическое магнитное поле, присущее материалу в целом.

Ферромагнетики

Некоторые вещества и сплавы (прежде всего, следует отметить железо, никель и кобальт) при температуре ниже точки Кюри приобретают свойство выстраивать свою кристаллическую решетку таким образом, что магнитные поля атомов оказываются однонаправленными и усиливают друг друга, благодаря чему возникает макроскопическое магнитное поле за пределами материла. Из таких материалов получаются постоянные магниты. На самом деле магнитное выравнивание атомов обычно не распространяется на неограниченный объем ферромагнитного материала: намагничивание ограничивается объемом, содержащим от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч атомов, и такой объем вещества принято называть доменом (от английского domain — «область»). При остывании железа ниже точки Кюри формируется множество доменов, в каждом из которых магнитное поле ориентировано по-своему. Поэтому в обычном состоянии твердое железо не намагничено, хотя внутри него образованы домены, каждый из которых представляет собой готовый мини-магнит. Однако под воздействием внешних условий (например, при застывании выплавленного железа в присутствии мощного магнитного поля) домены выстраиваются упорядоченно и их магнитные поля взаимно усиливаются. Тогда мы получаем настоящий магнит — тело, обладающее ярко выраженным внешним магнитным полем. Именно так устроены постоянные магниты.

Парамагнетики

В большинстве материалов внутренние силы выравнивания магнитной ориентации атомов отсутствуют, домены не образуются, и магнитные поля отдельных атомов направлены случайным образом. Из-за этого поля отдельных атомов-магнитов взаимно гасятся, и внешнего магнитного поля у таких материалов нет. Однако при помещении такого материала в сильное внешнее поле (например, между полюсами мощного магнита) магнитные поля атомов ориентируются в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля, и мы наблюдаем эффект усиления магнитного поля в присутствии такого материла. Материалы, обладающие подобными свойствами, называются парамагнетиками. Стоит, однако убрать внешнее магнитное поле, как парамагнетик тут же размагничивается, поскольку атомы снова выстраиваются хаотично. То есть, парамагнетики характеризуются способностью к временному намагничиванию.

Диамагнетики

В веществах, атомы которых не обладают собственным магнитным моментом (то есть в таких, где магнитные поля гасятся еще в зародыше — на уровне электронов), может возникнуть магнетизм иной природы. Согласно второму закону электромагнитной индукции Фарадея, при увеличении потока магнитного поля, проходящего через токопроводящий контур, изменение электрического тока в контуре противодействует увеличению магнитного потока. Вследствие этого, если вещество, не обладающее собственными магнитными свойствами, ввести в сильное магнитное поле, электроны на атомных орбитах, представляющие собой микроскопические контуры с током, изменят характер своего движения таким образом, чтобы воспрепятствовать увеличению магнитного потока, то есть, создадут собственное магнитное поле, направленное в противоположную по сравнению с внешним полем сторону. Такие материалы принято называть диамагнетиками.

В отношении магнитных свойств вещества важно усвоить, что они зависят от конфигурации электронных орбит атомов. Даже после разбиения на отдельные атомы железо, например, сохранит свои ферромагнитные свойства. А вот при дальнейшем дроблении вы получите лишь элементарные частицы, которые собственными магнитными свойствами не обладают, и описать природу магнетизма будет уже нельзя. Итак, магнитные свойства вещества зависят исключительно от конфигурации элементарных частиц в составе атома и организации кристаллических доменов, но никак ни от свойства заряженных частиц атомной структуры.

Классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики

По свои магнитным свойствам все вещества делятся на слабомагнитные и сильномагнитные. Кром того магнетики классифицируют в зависимости от механизма намагничивания.

Диамагнетики

Диамагнетики относят к слабомагнитным веществам. В отсутствии магнитного поля они не намагничены. В таких веществах при их внесении во внешнее магнитное поле в молекулах и атомах изменяется движение электронов так, что образуется ориентированный круговой ток. Ток характеризуют магнитным моментом ($p_m$):

где $S$ — площадь витка с током.

Создаваемая этим круговым током, дополнительная к внешнему полю, магнитная индукция направлена против внешнего поля. Величина дополнительного поля может быть найдена как:

Диамагнетизмом обладает любое вещество. {-5},\ $для газов она существенно меньше. Магнитная восприимчивость диамагнетиков не зависит от температуры, что было открыто экспериментально П. Кюри.

Диамагнетики делятся на «классические», «аномальные» и сверхпроводники. Классические диамагнетики имеют магнитную восприимчивость $\varkappa

В несильных магнитных полях намагниченность диамагнетиках пропорциональна напряженности магнитного поля ($\overrightarrow{H}$):

где $\varkappa $ — магнитная восприимчивость среды (магнетика). На рис.1 представлена зависимость намагниченности «классического» диамагнетика от напряженности магнитного поля в слабых полях.

Рис.1

Парамагнетики

Парамагнетики, также относят к слабомагнитным веществам. Молекулы парамагнетиков имеют постоянный магнитный момент ($\overrightarrow{p_m}$). Энергия магнитного момента во внешнем магнитном поле вычисляется по формуле:

Минимальное значение энергии достигается тогда, когда направление $\overrightarrow{p_m}$ совпадает с $\overrightarrow{B}$. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле в соответствии с распределением Больцмана появляется преимущественная ориентация магнитных моментов его молекул в направлении поля. Появляется намагничивание вещества. Индукция дополнительного поля совпадает с внешним полем и соответственно усиливает ее. Угол между направлением $\overrightarrow{p_m}$ и $\overrightarrow{B}$ не изменяется. Переориентирование магнитных моментов в соответствии с распределением Больцмана происходит за счет столкновений и взаимодействия атомов друг с другом. Парамагнитная восприимчивость ($\varkappa $) зависит от температуры по закону Кюри:

или закону Кюри — Вейсса:

где C и C’ — постоянные Кюри, $\triangle $ — постоянная, которая бывает больше и меньше нуля.

Магнитная восприимчивость ($\varkappa $) парамагнетика больше нуля, но, как и у диамагнетика весьма мала.

Парамагнетики делят на нормальные парамагнетики, парамагнитные металлы, антиферромагнетики.

У парамагнитных металлов магнитная восприимчивость не зависит от температуры. {-6}.$

У парамагнетиков существует такое явление ка парамагнитный резонанс. Допустим, что в парамагнетике, который находится во внешнем магнитном поле, создают дополнительное периодическое магнитное поле, вектор индукции этого поля перпендикулярен вектору индукции постоянного поля. В результате взаимодействия магнитного момента атома с дополнительным полем создается момент сил ($\overrightarrow{M}$), который стремится изменить угол между $\overrightarrow{p_m}$ и $\overrightarrow{B}.$ Если частота переменного магнитного поля и частота прецессии движения атома совпадают, то созданный переменным магнитным полем момент сил либо все время увеличивает угол между $\overrightarrow{p_m}$ и $\overrightarrow{B}$, либо уменьшает. Это явление и называют парамагнитным резонансом.

В несильных магнитных полях намагниченность в парамагнетиках пропорциональна напряженности поля, и выражается формулой (3) (рис.2).

Рис. 2

Ферромагнетики

Ферромагнетики относят к сильномагнитным веществам. Магнетики, магнитная проницаемость которых достигает больших значений и зависит от внешнего магнитного поля и предшествующей истории называют ферромагнетиками. Ферромагнетики могут иметь остаточную намагниченность.

Магнитная восприимчивость ферромагнетиков является функцией от напряженности внешнего магнитного поля. Зависимость J(H) представлена на рис. 3. Намагниченность имеет предел насыщения ($J_{nas}$).

Рис. 3

Существование предела насыщения намагниченности указывает, что намагниченность ферромагнетиков вызвана переориентировкой некоторых элементарных магнитных моментов. У ферромагнетиков наблюдается явление гистерезиса (рис.4).

Рис. 4

Ферромагнетики в свою очередь делят на:

1. Мягкие в магнитном отношении. Вещества с большой магнитной проницаемостью, легко намагничивающиеся и размагничивающиеся. Их используют в электротехнике, там, где работают с переменными полями, например в трансформаторах.
2. Жесткие в магнитном отношении. Вещества с относительно небольшой магнитной проницаемостью, трудно намагничивающиеся и размагничивающиеся. Эти вещества используют при создании постоянных магнитов.

Пример 1

Задание: Зависимость намагниченности для ферромагнетика показана на рис. 3. J(H). Изобразите кривую зависимости B(H). Существует ли насыщение для магнитной индукции, почему?

Решение:

Так как вектор магнитной индукции связан с вектором намагниченности соотношением:

\[{\overrightarrow{B}=\overrightarrow{J\ }+\mu }_0\overrightarrow{H}\ \left(1.1\right),\]

то кривая B(H) не достигает насыщения. График зависимости индукции магнитного поля от напряженности внешнего магнитного поля можно представить, как изображено на рис. 5. Такая кривая называется кривой намагничивания.

Рис. 5

Ответ: Насыщения для кривой индукции нет.

Пример 2

Задание: Получите формулу парамагнитной восприимчивости $(\varkappa)$, зная, что механизм намагничивания парамагнетика аналогичен механизму электризации полярных диэлектриков. 2{\mu }_0n}{3kT}\ .$

Слово ПАРАМАГНЕТИК — Что такое ПАРАМАГНЕТИК?

Слово состоит из 12 букв:

первая п,

вторая а,

третья р,

четвёртая а,

пятая м,

шестая а,

седьмая г,

восьмая н,

девятая е,

десятая т,

одиннадцатая и,

последняя к,

Слово парамагнетик английскими буквами(транслитом) — paramagnetik

Значения слова парамагнетик. Что такое парамагнетик?

Парамагнетик

Парамагнетики — вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля (J↑↑H) и имеют положительную магнитную восприимчивость.

ru. wikipedia.org

ПАРАМАГНЕТИКИ, в-ва, намагничивающиеся во внеш. магн. поле по направлению поля. Это св-во в-в наз. пара-магнетизмом. В неоднородном магн. поле парамагнетики втягиваются в область сильного магн. поля.

Химическая энциклопедия

Парамагнетик, вещество, намагничивающееся во внешнем магнитном поле по направлению поля. В отсутствие внешнего магнитного поля П. немагнитен. Атомы (ионы) П. обладают собственным магнитным моментом…

БСЭ. — 1969—1978

Русский язык

Пара/магне́т/ик/.

Морфемно-орфографический словарь. — 2002

Парамагне́тик, -а.

Орфографический словарь. — 2004

1. паралогизм
2. паралогический
3. парамагнетизм
4. парамагнетик
5. парамагнитный
6. парамарибо
7. парамейник

РАЗНИЦА МЕЖДУ ПАРАМАГНЕТИКОМ И ДИАМАГНЕТИКОМ | СРАВНИТЕ РАЗНИЦУ МЕЖДУ ПОХОЖИМИ ТЕРМИНАМИ — НАУКА

В ключевое отличие между парамагнитными и диамагнитными материалами заключается в том, что парамагнитные материалы притягиваются к внешним магнитным полям, тогда как диамагнитные материалы отталкивают

В ключевое отличие между парамагнитными и диамагнитными материалами заключается в том, что парамагнитные материалы притягиваются к внешним магнитным полям, тогда как диамагнитные материалы отталкиваются от магнитных полей.

Материалы имеют тенденцию проявлять слабые магнитные свойства в присутствии внешнего магнитного поля. Некоторые материалы притягиваются к внешнему магнитному полю, а некоторые отталкиваются. Из-за этой разницы в магнитном поведении мы можем разделить элементы и соединения на два типа, а именно парамагнитные и диамагнитные. Материалы, которые притягиваются к внешним магнитным полям, являются парамагнитными материалами. С другой стороны, материалы, которые отталкиваются от внешних магнитных полей, являются диамагнитными материалами.

1. Обзор и основные отличия
2. Что такое парамагнетизм
3. Что такое диамагнитный
4. Сравнение парамагнетиков и диамагнетиков в табличной форме
5. Резюме

Что такое парамагнитный?

Парамагнетизм возникает из-за наличия в системе неспаренных электронов. Каждый элемент имеет разное количество электронов, и это определяет его химический характер. В зависимости от того, как эти электроны заполняют энергетические уровни вокруг ядра соответствующего атома, некоторые электроны остаются неспаренными. Эти неспаренные электроны действуют как маленькие магниты, вызывая магнитные свойства под влиянием внешнего магнитного поля. На самом деле, именно спин этих электронов вызывает магнетизм.

Парамагнитные материалы обладают постоянными дипольными магнитными моментами из-за спина неспаренных электронов даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Но эти диполи ориентируются случайно из-за теплового движения, что дает нулевой суммарный дипольный магнитный момент. Когда мы применяем внешнее магнитное поле, диполи стремятся выровняться в направлении приложенного магнитного поля, что приводит к чистому дипольному магнитному моменту. Следовательно, парамагнитные материалы слегка притягиваются к внешнему магнитному полю. Но материал не сохраняет магнитные свойства после того, как мы удалим внешнее поле. Лишь небольшая наведенная намагниченность создается даже при наличии внешнего магнитного поля. Это потому, что только небольшая часть спинов ориентируется во внешнем магнитном поле. Кроме того, эта доля прямо пропорциональна напряженности создаваемого поля.

Как правило, чем больше количество неспаренных электронов, тем выше парамагнитное поведение и выше сила создаваемого поля. Следовательно, переходные и внутренние переходные металлы демонстрируют более сильные магнитные эффекты из-за локализации «d» и «f» электронов, а также из-за наличия нескольких неспаренных электронов. Некоторые широко известные парамагнитные элементы включают магний, молибден, литий и тантал. Существуют также более сильные синтетические парамагнетики, такие как «феррожидкости».

Что такое диамагнетик?

Некоторые материалы, как правило, проявляют магнитное сопротивление при контакте с внешним магнитным полем. Это диамагнитные материалы. Они создают магнитные поля, противоположные направлению внешнего магнитного поля и, следовательно, демонстрируют отталкивающее поведение. Как правило, все материалы обладают диамагнитными свойствами, которые вносят небольшой вклад в магнитное поведение материала при воздействии внешнего магнитного поля. Но в материалах, которые демонстрируют другие магнитные свойства, такие как парамагнетизм и ферромагнетизм, эффект диамагнетизма незначителен. Из-за его слабых магнитных свойств трудно наблюдать эффекты диамагнетизма. «Висмут» действует как сильный диамагнетик.

В чем разница между парамагнетиком и диамагнетиком

Термин парамагнитный относится к притяжению материала к внешнему магнитному полю, а термин диамагнетик относится к отталкиванию материала от внешнего магнитного поля. Это происходит главным образом потому, что парамагнитные материалы имеют неспаренные электроны, тогда как диамагнитные материалы не имеют неспаренных электронов. В этом принципиальное отличие парамагнитных материалов от диамагнитных.

Еще одно важное различие между парамагнитными и диамагнитными материалами заключается в том, что магнитное поле, создаваемое парамагнитными материалами, направлено по направлению внешнего магнитного поля, в то время как магнитное поле, создаваемое диамагнитными материалами, противоположно направлению внешнего магнитного поля.

Инфографика ниже показывает сравнительную сводку различий между парамагнитными и диамагнитными материалами.

Резюме — Парамагнетик против диамагнетика

Мы можем разделить материалы на три основных типа в зависимости от их магнитных свойств; это диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные материалы. Разница между парамагнитными и диамагнитными материалами заключается в том, что парамагнитные материалы притягиваются к внешним магнитным полям, тогда как диамагнитные материалы отталкиваются от магнитных полей.

Диамагнетизм и парамагнетизм: определение и объяснение — Видео и стенограмма урока

Электронная конфигурация

Чтобы понять магнетизм в атомах, мы должны рассмотреть электронные конфигурации. Электроны можно представить как пребывающие в фиксированных местах атомной структуры, известной как орбитали. На каждой орбитали может поместиться два электрона. Число орбиталей в каждом атоме зависит от атома и общего числа электронов, которые более подробно рассматриваются в другом уроке.Мы упростим его, представив, что для каждого атома существует фиксированное количество орбиталей.

Способ заполнения каждой орбитали электронами характеризуется несколькими законами. Например, правило Хунда гласит, что небольшое отталкивание между отрицательно заряженными электронами заставит их войти на отдельные орбитали с одним и тем же энергетическим уровнем перед заполнением орбитали, на которой уже есть электрон.

Вы должны заметить на этих диаграммах, что электроны показаны стрелками, указывающими вверх или вниз.Направление этой стрелки напрямую связано со спином электрона. Принцип исключения Паули гласит, что электроны, заполняющие одну и ту же орбиталь, должны иметь разные спины, потому что никакие два электрона не могут иметь одно и то же квантовое число. Вы можете думать о «квантовом числе» как об адресе электрона. Поскольку два электрона находятся на одной орбитали, они должны вращаться в разных направлениях, чтобы иметь разное квантовое число.

Диамагнетизм против парамагнетизма

Итак, какое это имеет отношение к левитирующему материалу? Оказывается, наличие или отсутствие неспаренных электронов на орбиталях придает им разные свойства. Диамагнитные атомы не имеют неспаренных электронов. Парамагнитные атомы имеют неспаренные электроны.

Когда орбиталь заполнена двумя электронами, вращающимися в разных направлениях, общий чистый спин этой орбитали равен нулю. Когда на орбитали вращается только один электрон, у нее есть чистый спин в этом направлении. Если у атома есть только один неспаренный электрон, это все равно парамагнитный атом. Чтобы быть диамагнитным, все электроны должны быть спарены.

Спаривание или их отсутствие в атомной структуре — это то, что заставляет материал вести себя по-разному при приложении внешнего магнитного поля.В парамагнитных веществах неспаренные электроны могут выстраиваться во внешнем магнитном поле и, таким образом, притягиваться к магнитному полю. Однако парамагнитные атомы не всегда обладают магнитным поведением. Вместо этого это происходит только в ответ на приложение внешнего магнитного поля. Когда вы убираете магнитное поле, перестройка электронов и магнитное поведение исчезают.

Поскольку диамагнитные атомы имеют нулевой суммарный спин и не могут выравниваться по внешнему магнитному полю, они слабо отталкиваются этим полем, что является причиной парения пиролитического углерода над магнитами.

Резюме урока

Итак, диамагнетизм и парамагнетизм связаны с количеством электронов в атоме и тем, как они заполняют орбитали в электронной конфигурации. Согласно правилу Хунда, небольшое отталкивание между двумя отрицательно заряженными электронами заставит их выйти на орбитали с одним и тем же энергетическим уровнем, прежде чем войти на орбиталь, которая уже содержит электрон. Согласно Принципу исключения Паули , поскольку два электрона заполняют орбиталь, они должны иметь противоположные спины друг другу.Атом, содержащий неспаренные электроны, известен как парамагнитный , а атом со всеми спаренными электронами известен как диамагнетик .

Диамагнитные атомы проявляют слабое отталкивание к внешним магнитным полям, потому что электроны имеют нулевой суммарный спин и, следовательно, не могут благоприятно взаимодействовать с магнитным полем. Парамагнитные атомы будут проявлять слабое притяжение к магнитным полям, потому что неспаренные электроны перестраиваются, чтобы противостоять силе магнитного поля.

Диамагнетизм и парамагнетизм: Глоссарий терминов

Результаты обучения

После завершения этого урока ученик может поставить своей целью:

• Противопоставить диамагнетизм и парамагнетизм
• Напомним свойства диамагнитных и парамагнитных атомов
• Описание правила Хунда и принципа исключения Паули
• Обсудить роль электронов в магнитном поведении

Парамагнитные материалы

Парамагнитные материалы

Лексикон по фМРТ

Капиллярное русло : Система тонких сосудов, соединяющих артерии и

вены, что облегчает обмен веществ из крови в клетки.

Диамагнитные материалы : Эти материалы — все остальное … растения, вода, почва, дерево, ваша кожа … все другие вещества. Диамагнитные вещества не проявляют видимой реакции на присутствие магнитного поля, потому что электроны в их атомах вращаются в равных количествах в противоположных направлениях.

ФМРТ: Функциональный магнитный
Резонансная томография или FMRI — это неинвазивный метод визуализации активации
областей мозга различными типами физических ощущений (зрение, звук, осязание,
вкус, запах) или действия, такие как решение проблем и / или движение (ограничено
машина).

МРТ: МРТ неинвазивный
техника визуализации, используемая в медицине для создания анатомических изображений с высокой детализацией.

Парамагнитные материалы : это металлы, которые слабо притягиваются к магнитам. К ним относятся алюминий, золото и медь. Атомы этих веществ содержат электроны, большинство из которых вращаются в одном направлении . .. но не все. Это придает атомам некоторую полярность. На них очень слабо влияет магнитное поле (вы не можете подобрать даже крошечный кусочек золота с помощью магнита), и поскольку некоторые из атомов можно повернуть так, чтобы их полюса указывали в одном направлении, эти металлы могут стать очень сильными. слабые магниты.Их силу притяжения можно измерить только с помощью чувствительных инструментов.

T1 или релаксация спиновой решетки
Время: В МРТ и фМРТ — количество времени, необходимое для атомов
при МРТ-индуцированном резонансе высокой энергии, чтобы вернуться к своему равновесному значению,
т.е. время, необходимое для достижения равновесного значения намагниченности размера Z
возврат с нуля после радиочастотного импульса. Типичные значения T1:
около 1 с.

Время T2 или спин-спиновой релаксации :
В МРТ и фМРТ показатель скорости изменения фаз вращения от
МРТ-индуцированный резонанс высокой энергии с их нормальной низкой энергией; типичные значения
около 100 мс.

T2 * или жирный шрифт или уровень кислорода в крови
Зависимый сигнал : мера изменения сигнала из-за пространственного и
изменение во времени местных концентраций дезоксигенированного гемоглобина в
капиллярное русло в результате радиочастотного импульса в фМРТ.

Телса: Телса — это единица
мера магнитной силы. Одна телса определяется как достаточно магнитная
сила, чтобы вызвать 1 вольт электричества
в однокатушечной схеме в течение 1 секунды на каждый квадратный метр.

Voxel : сокращение для элемента объема, которое является основной единицей реконструкции КТ или МРТ; представлен в виде пикселя на отображении изображения КТ или МРТ.
В одном вокселе содержится примерно 60 000 клеток мозга.

Магнитные свойства — Химия LibreTexts

Магнитный момент системы измеряет силу и направление ее магнетизма. Сам термин обычно относится к магнитному дипольному моменту. Все, что является магнитным, например стержневой магнит или петля электрического тока, обладает магнитным моментом. Магнитный момент — это векторная величина, имеющая величину и направление. Электрон обладает магнитным дипольным моментом электрона, порожденным внутренним свойством спина электрона, что делает его движущимся электрическим зарядом. Есть много различных магнитных свойств, включая парамагнетизм, диамагнетизм и ферромагнетизм.

Интересной характеристикой переходных металлов является их способность образовывать магниты.Комплексы металлов, которые имеют неспаренные электроны, являются магнитными. Поскольку последние электроны находятся на d-орбиталях, этот магнетизм должен быть связан с наличием неспаренных d-электронов. Спин отдельного электрона обозначается квантовым числом \ (m_s \) как + (1/2) или — (1/2). Этот спин отменяется, когда электрон спарен с другим, но создает слабое магнитное поле, когда электрон не спарен. Более неспаренные электроны усиливают парамагнитные эффекты. Электронная конфигурация переходного металла (d-блок) изменяется в координационном соединении; это происходит из-за сил отталкивания между электронами в лигандах и электронами в соединении.В зависимости от силы лиганда соединение может быть парамагнитным или диамагнитным.

Ферромагнетизм (постоянный магнит)

Ферромагнетизм — это основной механизм, с помощью которого определенные материалы (например, железо) образуют постоянных магнитов . Это означает, что соединение демонстрирует постоянные магнитные свойства, а не проявляет их только в присутствии внешнего магнитного поля (рис. \ (\ PageIndex {1} \)). В ферромагнитном элементе электроны атомов сгруппированы в домены, в которых каждый домен имеет одинаковый заряд.В присутствии магнитного поля эти домены выстраиваются так, что заряды параллельны по всему соединению. Может ли соединение быть ферромагнитным или нет, зависит от количества неспаренных электронов и размера его атома.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Ферромагнетизм (а) немагнитный материал и (2) намагниченный материал с соответствующими магнитными полями.

Ферромагнетизм, постоянный магнетизм, связанный с никелем, кобальтом и железом, — обычное явление в повседневной жизни.Примеры знания и применения ферромагнетизма включают обсуждение Аристотеля в 625 г. до н.э., использование компаса в 1187 г. и современный холодильник. Эйнштейн продемонстрировал, что электричество и магнетизм неразрывно связаны в его специальной теории относительности.

Парамагнетизм (притяжение магнитного поля)

Парамагнетизм относится к магнитному состоянию атома с одним или несколькими неспаренными электронами. Непарные электроны притягиваются магнитным полем из-за магнитных дипольных моментов электронов.Правило Хунда гласит, что электроны должны занять каждую орбиталь по отдельности, прежде чем любая орбиталь будет занята дважды. Это может привести к тому, что в атоме останется много неспаренных электронов. Поскольку неспаренные электроны могут вращаться в любом направлении, они проявляют магнитные моменты в любом направлении. Эта способность позволяет парамагнитным атомам притягиваться к магнитным полям. Двухатомный кислород, \ (O_2 \), является хорошим примером парамагнетизма (описанного с помощью теории молекулярных орбиталей). На следующем видео показано притяжение жидкого кислорода в магнитное поле, созданное сильным магнитом:

Видео \ (\ PageIndex {1} \): Парамагнетизм жидкого кислорода

Диамагнетизм (отталкивается магнитным полем)

Как показано на видео, молекулярный кислород (\ (\ ce {O2} \)) парамагнитен и притягивается к магниту.Напротив, молекулярный азот (\ (\ ce {N_2} \)) не имеет неспаренных электронов и является диамагнитным; на него не действует магнит. Диамагнитные вещества характеризуются парными электронами, например, отсутствием неспаренных электронов. Согласно принципу исключения Паули, который гласит, что никакие два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии одновременно, спины электронов ориентированы в противоположных направлениях. Это приводит к нейтрализации магнитных полей электронов; таким образом, нет чистого магнитного момента, и атом не может быть притянут в магнитное поле.Фактически, диамагнитные вещества слабо отталкиваются магнитным полем, как показано на листе из пиролитического углерода на Рисунке \ (\ PageIndex {2} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Левитирующий пиролитический углерод: небольшой (~ 6 мм) кусок пиролитического графита, парящий над массивом постоянных неодимовых магнитов (5-миллиметровые кубы на куске стали). Обратите внимание, что полюса магнитов выровнены по вертикали и чередуются (два с севером вверх и два с югом вверх по диагонали).(Общественное достояние; Splarka через Википедию).

Как определить, является ли вещество парамагнитным или диамагнитным

Магнитные свойства вещества можно определить, исследуя его электронную конфигурацию: если у него есть неспаренные электроны, то вещество парамагнитно, а если все электроны спарены, вещество тогда диамагнитно. Этот процесс можно разбить на три этапа:

1. Запишите электронную конфигурацию
2. Изобразите валентные орбитали
3. Определить, существуют ли неспаренные электроны
4. Определить, является ли вещество парамагнитным или диамагнитным

Пример \ (\ PageIndex {1} \): атомы хлора

Шаг 1. Найдите электронную конфигурацию

Для атомов Cl электронная конфигурация 3s ² 3p ⁵

Шаг 2. Изобразите валентные орбитали

Игнорируйте остовные электроны и сосредоточьтесь только на валентных электронах.

Шаг 3. Ищите неспаренные электроны

Есть один неспаренный электрон.

Шаг 4. Определите, является ли вещество парамагнитным или диамагнитным

Поскольку существует неспаренный электрон, атомы \ (\ ce {Cl} \) парамагнитны (хотя и слабо).

Пример \ (\ PageIndex {2} \): атомы цинка

Шаг 1. Найдите электронную конфигурацию

Для атомов Zn электронная конфигурация 4s ² 3d ¹⁰

Шаг 2. Изобразите валентные орбитали

Шаг 3. Ищите неспаренные электроны

Нет неспаренных электронов. {-}} \) парамагнитными или диамагнитными.{2 +}} \) ионы бывают парамагнитными или диамагнитными.

Ответьте на

Атом O имеет электронную конфигурацию 2s ² 2p ⁴ . Следовательно, O имеет 2 неспаренных электрона.

Ответ b

Атом Br имеет электронную конфигурацию 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁵ . Следовательно, Br имеет 1 неспаренный электрон.

Ответ c

Атом B имеет 2s ² 2p ¹ в качестве электронной конфигурации.{2 +}} \) ион имеет 3d ⁶ в качестве электронной конфигурации. Поскольку он имеет 4 неспаренных электрона, он парамагнитен.

Список парамагнитных атомов | Sciencing

Обновлено 26 марта 2020 г.

Автор: Кевин Бек

Обзор: Lana Bandoim, B.S.

Парамагнетики повсюду. В правильной обстановке и в должном мрачном тоне эта фраза могла вызвать образы странных инопланетных захватчиков, бесчинствующих по всему миру.Напротив, это базовое утверждение об определенном качестве, присущем четко определенному набору частиц на Земле и вокруг нее, и определенное с использованием объективных и легко определяемых критериев.

Вы, несомненно, использовали магниты в своей жизни, и в большинстве случаев, когда вы работали в нетривиальном магнитном поле, вы не знали об этом. Возможно, вы даже знаете, что определенные материалы действуют как постоянные магниты и что они могут притягивать металлы, даже если эти металлы сами по себе не являются магнитами.Или они?

Как это часто бывает, мир физики, особенно субдисциплина электромагнетизма, включает в себя множество типов магнетизма. Одним из них является парамагнетизм , и это свойство часто легко проверить на глаз, потому что парамагнитные материалы притягиваются к внешнему приложенному магнитному полю. Но как это происходит и вообще откуда берутся магнитные «поля»? Возможность узнать все это и многое другое должно сильно подталкивать вас к продолжению чтения!

Что такое магнетизм?

В конце 1700-х годов было замечено, что стрелка компаса, которая указывает на север в результате действия магнитного поля Земли, может отклоняться из-за наличия поблизости электрического тока.

Это первое известное свидетельство того, что электричество и магнетизм каким-то образом связаны. Фактически, движущиеся заряды (что является определением электрического тока) создают магнитные поля с «линиями», зависящими от геометрии электрической цепи.

Когда токопроводящий провод наматывается или наматывается несколько раз вокруг определенных видов металла, это может вызвать свойство магнетизма в этих металлах, по крайней мере, во время приложения тока. Некоторые из них используются в таких местах, как склады металлолома, и обладают достаточной мощностью, чтобы поднимать целые автомобили.

Взаимодействие электрического тока и магнитных полей — это предмет, который может заполнить и заполняет целые учебники, но пока вы должны знать, что причина, по которой одни материалы по-разному реагируют на магнитные поля, чем другие, связана со свойствами электронов в них. высшая («внешняя») энергетическая оболочка атомов в этих материалах.

Намагничивание твердых тел

Если твердое вещество поместить в приложенное магнитное поле, можно ожидать, что поведение молекул в нем будет в некоторой степени зависеть от состояния материала.То есть газ , молекулы которого движутся довольно свободно, и жидкость , в которой молекулы остаются вместе, но могут свободно скользить друг мимо друга, могут вести себя иначе, чем твердое тело, молекулы которого зафиксированы на месте. , обычно в решетчатой ​​структуре.

Если вы изобразите основную кристаллическую структуру твердого тела (а природа этого повторяющегося узора может варьироваться от вещества к веществу), вы можете представить, что ядра атомов находятся в центрах кубов, а электроны занимают промежутки между ними, свободные колебаться и, в случае металлических твердых тел, свободно перемещаться, не привязанные к своим родительским ядрам.

Когда электроны твердого тела превращают вещество в постоянный магнит или тот, который можно превратить в такой магнит, вещество называется ферромагнетик (от латинского феррум, означает железо). Помимо железа ферромагнитными являются элементы кобальт, никель и гадолиний.

Однако большинство веществ проявляют другие реакции на магнитные поля, что делает большинство атомов парамагнитными или диамагнитными. Эти свойства могут быть обнаружены в разной степени в одних и тех же материалах, и такие факторы, как температура, могут влиять на реакцию материала на приложенные магнитные поля.

Сравнение диамагнетизма, парамагнетизма и ферромагнетизма

Рассмотрим трех разных друзей, которых вы выбрали в качестве кандидатов для тестирования вашего нового приложения для научных игр.

Одна из них только отвечает на ваше желание попробовать, становясь более стойкой к игре, чем она была вначале. Второй соглашается установить приложение и играть, но быстро прекращает играть и удаляет приложение каждый раз, когда вы оставляете его в покое, только для того, чтобы переустановить его и продолжать играть всякий раз, когда вы снова появляетесь; и третий друг сразу же подключается к приложению, и никогда не прекращает его использовать.

Это примерно то, как три вида магнетизма, о которых вы, скорее всего, услышите на корпоративной вечеринке, взаимодействуют друг с другом. Хотя уже описанный ферромагнетизм — это состояние постоянного магнетизма, как это происходит и каковы альтернативы?

Как оказалось, есть четыре хорошо изученных альтернативы ферромагнетизму. Парамагнетизм, опять же, является свойством притяжения к магнитному полю и применяется к широкому спектру металлов, включая большинство современных холодильников.Диамагнетизм — это противоположность, тенденция отталкиваться магнитным полем. Все материалы обладают некоторой степенью диамагнетизма. В обоих случаях, что критически важно, материал возвращается в свое предыдущее состояние, когда поле удаляется.

• Говоря вслух, «ферромагнетизм» и «парамагнетизм» звучат очень похоже, поэтому будьте осторожны при обсуждении этих тем в своей группе по изучению физики.

Ферримагнетизм и антиферромагнетизм — менее распространенные типы магнетизма.Ферримагнетики ведут себя так же, как ферромагнетики, и включают якобит и магнетит. Гематит и троилит — два соединения, которые демонстрируют антиферромагнетизм, при котором магнитный момент не генерируется.

Характеристики парамагнитных соединений и атомов

Парамагнитные элементы и парамагнитные молекулы имеют одну общую черту — наличие неспаренных электронов . Чем их больше, тем больше вероятность парамагнетизма у атома или молекулы.Это связано с тем, что эти электроны фиксированным образом выстраиваются в соответствии с ориентацией приложенного магнитного поля, создавая так называемые магнитные дипольные моменты вокруг каждого атома или молекулы.

Если вы знакомы с правилами «заполнения» электронами, вы знаете, что орбитали внутри подоболочки могут содержать по два электрона каждая, и что есть один из них для подоболочки s, три для подоболочки p и пять для подоболочки d. Это позволяет вместить два, шесть и 10 электронов в каждой подоболочке, но они будут заполняться, так что каждая орбиталь удерживает только один электрон как можно дольше, пока один электрон там не должен приспосабливаться к соседу.

Это означает, что вы можете использовать информацию в периодической таблице элементов, чтобы определить, будет ли материал парамагнитным, и, к счастью, будет ли он слабо парамагнитным (как в Cl, который имеет один неспаренный электрон) или сильно парамагнитным ( как платина, у которой есть два неспаренных электрона).

Список диамагнитных и парамагнитных атомов и молекул

Один из способов количественной оценки магнетизма — использовать параметр, называемый магнитной восприимчивостью × _м , который представляет собой безразмерную величину, связывающую реакцию материала на приложенное магнитное поле.Оксид железа, FeO, имеет очень высокое значение 720.

Другие материалы, которые считаются сильно парамагнитными, включают железоаммонийные квасцы (66), уран (40), платину (26), вольфрам (6,8), цезий (5,1), алюминий ( 2,2), литий (1,4) и магний (1,2), натрий (0,72) и газообразный кислород (0,19).

Эти значения варьируются в широких пределах, и значение газообразного кислорода может показаться скромным, но некоторые парамагнитные материалы показывают гораздо меньшие значения, чем перечисленные выше. Большинство твердых тел при комнатной температуре имеют значения χ _м меньше 0.00001 или 1 x 10 ^-5 .

Восприимчивость, как и следовало ожидать, дается как отрицательное значение, когда материал диамагнитен. Примеры включают аммиак (−26), висмут (−16,6), ртуть (−2,9) и углерод в алмазе (−2,1).

Определение парамагнетизма по Merriam-Webster

пара · магнит · сеть · ic

| \ ˌPer-ə-mag-ˈne-tik

, Pa-rə- \

: является или относится к намагничивающемуся веществу (например, алюминию), которое имеет небольшую, но положительную восприимчивость, которая мало изменяется в зависимости от силы намагничивания.

Магнитные свойства твердых тел

Материалы можно классифицировать по их реакции на внешние магнитные поля как диамагнитные, парамагнитные или ферромагнитные.Эти магнитные отклики сильно различаются по силе. Диамагнетизм является свойством всех материалов и противостоит приложенным магнитным полям, но очень слаб. Парамагнетизм, если он присутствует, сильнее диамагнетизма и создает намагниченность в направлении приложенного поля, пропорциональную приложенному полю. Ферромагнитные эффекты очень велики, производя намагниченность иногда на несколько порядков больше, чем приложенное поле, и, как таковые, они намного больше, чем диамагнитные или парамагнитные эффекты.

Намагниченность материала выражается через плотность суммарных магнитных дипольных моментов μ в материале. Мы определяем векторную величину, называемую намагниченностью M, равной

.
M = μ _всего / В.

Тогда полное магнитное поле B в материале равно

B = B ₀ + μ ₀ M

, где μ ₀ — магнитная проницаемость пространства, а B ₀ — внешнее магнитное поле. Когда магнитные поля внутри материалов рассчитываются с использованием закона Ампера или закона Био-Савара, тогда μ ₀ в этих уравнениях обычно заменяется просто μ с определением

.
μ = K _м μ ₀

, где K _м называется относительной проницаемостью.Если материал не реагирует на внешнее магнитное поле, создавая какую-либо намагниченность, тогда K _m = 1. Другой обычно используемой магнитной величиной является магнитная восприимчивость, которая указывает, насколько относительная проницаемость отличается от единицы.

Магнитная восприимчивость χ _м = K _м — 1

Для парамагнитных и диамагнитных материалов относительная проницаемость очень близка к 1, а магнитная восприимчивость очень близка к нулю. Для ферромагнитных материалов эти количества могут быть очень большими.

Другой способ справиться с магнитными полями, возникающими в результате намагничивания материалов, — это ввести величину, называемую напряженностью магнитного поля H. Его можно определить соотношением

H = B ₀ / μ ₀ = B / μ ₀ — M

и имеет значение однозначного определения управляющего магнитного воздействия от внешних токов в материале, независимо от магнитного отклика материала. Связь для B выше может быть записана в эквивалентной форме

B = μ ₀ (H + M)

H и M будут иметь одинаковые единицы измерения, ампер / метр.

Ферромагнитные материалы претерпевают небольшие механические изменения при приложении магнитных полей, слегка расширяясь или сжимаясь. Этот эффект называется магнитострикцией.

Алюминий магнитный? — Techiescientist

Все элементы таблицы Менделеева при определенных условиях проявляют магнетизм. Это связано с тем, что каждый элемент имеет способность генерировать электрический ток, опять же при определенных условиях. Поскольку каждый элемент имеет собственное магнитное поле, они будут реагировать определенным образом, когда два магнитных поля входят в тесный контакт.Многие студенты не знают о магнетизме алюминия. Давайте проверим ответ на вопрос — алюминий магнитный.

Итак, алюминий магнитный? Да, алюминий по своей природе слабомагнитен, так как он слабо притягивает магнит в присутствии внешнего магнитного поля. В отсутствие приложенного внешнего магнитного поля алюминий немагнитен. Такое поведение связано с наличием неспаренных электронов в s- и p-оболочках атома алюминия.

Именно электроны в основном определяют поведение притяжения или отталкивания.

В случае, если атомы элемента имеют парные электроны, это будет диамагнетик. Тогда как, если элемент имеет неспаренные электроны в своих атомах, это парамагнетик.

Алюминий парамагнитен по своей природе из-за наличия неспаренных электронов как в s, так и в p-оболочках.

Электронная конфигурация из алюминия

Из диаграммы можно понять, что алюминий имеет только один электрон в 3p-оболочке, что делает его непарным. Этот один неспаренный электрон способствует парамагнетизму алюминия.

Почему алюминий слабо притягивает магнит?

Как мы знаем, спаренные электроны вращаются в противоположных направлениях, чтобы компенсировать суммарный дипольный момент.

В случае неспаренных электронов во время вращения чистый дипольный момент не сокращается. Это делает их крошечными магнитами.

Чем больше количество неспаренных электронов, тем выше будет притяжение к магниту в присутствии приложенного внешнего магнитного поля.

Поскольку алюминий имеет только один неспаренный электрон, он слабо притягивает магнит в присутствии внешнего магнитного поля.

Кроме того, алюминий не сохраняет никакой намагниченности в отсутствие приложенного внешнего магнитного поля. Это свойство проявляется в большинстве других парамагнетиков.

Способствуют ли s- и p-оболочки атома алюминия слабому магнетизму?

Да. Обычно в алюминии как твердом теле наблюдается сильная делокализация из-за большого перекрытия с соседними волновыми функциями.

Из-за этого алюминий имеет большую скорость Ферми, из-за которой электроны менее чувствительны к сдвигам при наличии энергии.Это приводит к слабому магнетизму.

Это поведение также называется парамагнетизмом Паули.

Магнитная восприимчивость алюминия

Магнитная восприимчивость алюминия 2,2 χm.

χm = км-1 (x 10-5)

км — относительная проницаемость.

Положительная относительная магнитная проницаемость больше 1, что означает, что элемент намагничивается в приложенном внешнем магнитном поле.

В дополнение к этому χm называется магнитной восприимчивостью, которая не будет равна нулю, если материал реагирует на любое намагничивание.

Из приведенной выше таблицы видно, что магнитная восприимчивость алюминия положительна и больше 0.

Он гарантирует, что алюминий действительно притягивается к приложенному внешнему магнитному полю, но число 2,2 низкое, что является причиной слабого притяжения.

ПРИМЕЧАНИЕ: просто для сравнения диапазон относительной проницаемости (км) составляет от 150 до 5000.

Парамагнитное поведение алюминия

Диаграмма показывает поведение парамагнитных и диамагнитных элементов, когда магнитная восприимчивость больше нуля и меньше нуля.

На изображениях выше показано парамагнитное поведение алюминия.

Первый — это график между магнитной восприимчивостью и температурой. Кривая не является линейной, что подтверждает, что для алюминия намагниченность обратно пропорциональна температуре.

Соответствует ли алюминий закону Кюри?

Да. Закон Кюри гласит, что намагниченность элемента прямо пропорциональна приложенному внешнему магнитному полю.

В случае, если элемент нагревается, степень пропорциональности сильно уменьшается.

В конце концов, значение достигает фиксированного числа. Это делает намагниченность обратно пропорциональной температуре. Алюминий активно проявляет поведение, подчиняющееся закону Кюри-Вейсса.

χm = C / (T — θ)
χm = молярная магнитная восприимчивость
C = постоянная Кюри
θ = постоянная Вейсса

На втором изображении показано движение электронов в парамагнитном алюминии.

Как создать внешнее магнитное поле для алюминия?

Просто поднесите элемент к магниту.Давайте проверим эту концепцию на нескольких примерах.

Если вы попытаетесь провести магнит внутри алюминиевой трубы, он будет двигаться медленно и будет выглядеть так, как будто он плывет.

Попробуйте переключить магнит на любой другой металл, через который он пройдет в мгновение ока. Другим примером может быть перемещение алюминиевой банки ближе к висящему магниту.

Этот магнит начнет двигаться в том же направлении, что и алюминий. Еще одним примером может быть катание алюминиевой банки, поставленной на пол, путем поднесения и перемещения магнита достаточно близко к ней.

Движение магнита внутри алюминиевой трубы и прохождение алюминиевого баллона ближе к магниту образует электрический ток.

Этот электрический ток дополнительно образует магнитное поле. Когда магнитное поле алюминия и магнита сталкивается, алюминий слабо притягивает магнит. Это происходит из-за явления закона Ленца.

Кроме того, в приведенных выше примерах (кроме алюминиевой трубы) постарайтесь удерживать и алюминий, и магнит статичными, и посмотрите, происходит ли движение.К этому времени вы, возможно, совсем не удивитесь, увидев какое-либо движение.

Посмотрите видео ниже, чтобы лучше понять

Некоторые другие вопросы по теме

Что такое парамагнетизм Паули?

Парамагнетизм Паули по своей природе намного слабее, чем другие формы парамагнетизма. Это связано с тем, что электроны, расположенные ближе к поверхности Ферми, могут изменять свой спин, чтобы соответствовать приложенному внешнему магнитному полю.

Что такое поверхность Ферми?

Это поверхность в обратном пространстве, которая отделяет занятые электроны от незанятых электронных состояний только при нулевой температуре.

Что такое закон Ленца?

Этот закон гласит, что направление электрического тока, индуцированного изменением магнитного поля в проводнике, таково, что магнитное поле, создаваемое электрическим током, противодействует исходному магнитному полю.

Этот закон объясняет волочащееся поведение вихревых токов.Алюминий следует этому закону, реагируя на приложенное внешнее магнитное поле и слабо притягивая магнит внутри себя.

Что такое вихревые токи?

Вихревой ток — это непрерывная петля электрического тока, индуцированная изменением магнитного поля в проводнике согласно закону индукции Фарадея.

Что такое закон индукции Фарадея?

Это основной закон электромагнетизма, который помогает предсказать, как магнитное поле будет реагировать на индуцированное электрическое поле, создавая электродвижущую силу.Это явление также называют электромагнитной индукцией.

Является ли алюминий сверхпроводником?

Алюминий не является сверхпроводником при низких и комнатных температурах. Но удивительно, что при высоких и очень высоких температурах алюминий является сверхпроводником.

Заключение

Все элементы обладают магнитным поведением, в некоторых случаях это проявляется без присутствия внешнего магнитного поля (ферромагнетики).