Применение диамагнетиков и парамагнетиков: 2) Применение парамагнетиков

Содержание

2) Применение парамагнетиков

К
парамагнетикам относятся все постоянные
магниты (а это все элементы с
нескомпенсированной внешней электронной
оболочкой), имеющие широчайшую область
применения, т. к. к ним также относятся
ферромагнетики и ферриты.

В
основном магниты в электроприборах и
электрооборудовании. Например,
они используются в качестве сердечников
катушек индуктивности (увеличивают
ее). Из парамагнетиков с высокой магнитной
проницаемостью делаются магнитопроводы

детали или
их комплекты, предназначенных для
прохождения с определенными
потерями магнитного
потока,
возбуждаемого электрическим
током,
протекающим в обмотках устройств, в
состав которых эти магнитопроводы и
входят. Магнитопроводы являются
составными частями схемотехнических элементов
РЭА: трансформаторов, дросселей,
пускателей, контакторов, магнитных
головок, фильтров, контуров, запоминающих
устройств,
генераторов
и электродвигателей.
В магнитных проводах магнитное поле
как бы втягивается в них почти полностью,
и позволяет его направить куда угодно.

Такие
материалы как медь и алюминий очень
широко используются в электронике и
электротехнике, но в основном из-за того
что они хорошие проводники электричества
и тепла, а не из-зи пара и диамагнитных
свойств.

Диамагнетики

1) Основные свойства и природа диамагнетиков

Диамагнетизм —
вид магнетизма, проявляющийся в
намагничивании вещества навстречу
направлению действующего на него
внешнего магнитного поля.

При
внесении какого-либо тела в магнитное
поле в электронной оболочке каждого
его атома, в силу закона электромагнитной
индукции, возникают индуцированные
круговые токи, т. е. добавочное круговое
движение электронов вокруг направления
магнитного поля. Эти токи создают в
каждом атоме индуцированный магнитный
момент,
направленный, согласно правилу Ленца,
навстречу внешнему магнитному полю
(независимо от того, имелся ли первоначально
у атома собственный магнитный момент
или нет и как он был ориентирован). У
чисто диамагнитных веществ (диамагнетиков)
электронные оболочки атомов (молекул)
не обладают постоянным магнитным
моментом. Магнитные моменты, создаваемые
отдельными электронами в таких атомах,
в отсутствие внешнего магнитного поля
взаимно скомпенсированы. В частности,
это имеет место в атомах, ионах и молекулах
с целиком заполненными электронными
оболочками, например в атомах инертных
газов, в молекулах водорода, азота.

Удлинённый
образец диамагнетика в однородном
магнитном поле ориентируется
перпендикулярно силовым линиям поля
(вектору напряжённости поля). Из
неоднородного магнитного поля он
выталкивается в направлении уменьшения
напряжённости поля.

Индуцированный
магнитный момент I,
приобретаемый 1 молем диамагнитного
вещества, пропорционален напряжённости
внешнего поля Н,
т. е. l =
cH.
Коэффициент c называется молярной
диамагнитной восприимчивостью и имеет
отрицательный знак (т.к. I и Н направлены
навстречу друг другу). Обычно абсолютная
величина c мала (~ 10-6),
например для 1 моля гелия
= —
1,9×10-6.

В
металлах и полупроводниках часть
валентных электронов атомов имеет
возможность перемещаться от атома к
атому по всему образцу (в металлах число
таких «свободных» электронов не
зависит от температуры и очень велико,
в полупроводниках оно сравнительно
мало при низких температурах и быстро
растёт с нагреванием). Под воздействием
внешнего магнитного поля свободные
электроны двигаются по спиральным
квантованным орбитам, что также вызывает
небольшой диамагнетизм. В некоторых
веществах диамагнетизм Ландау особенно
велик, например в висмуте и графите
восприимчивость достигает —
(200—300)×10-6 на
моль.

Во
всех рассмотренных выше случаях
диамагнитная восприимчивость слабо
зависит от напряжённости магнитного
поля. Однако при очень низких температурах
у металлов (например, Be, Bi, Zn) и полупроводников
в сильных полях наблюдается периодическое
(осцилляционное) изменение восприимчивости
при плавном увеличении напряжённости
поля.

Наибольшее
по абсолютной величине значение
диамагнитной восприимчивости имеют
идеальные диамагнетики, или сверхпроволнки.

Классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики

Все вещества в зависимости от выраженности магнитных свойств делятся на сильномагнитные и слабомагнитные. Магнетики можно разделить по видам механизма, вызывающего намагничивание.

Что такое диамагнетики

Диамагнетики являются слабомагнитными веществами: они не магнитятся, если на них не действует магнитное поле.

Определение 1

Если парамагнетики внести во внешнее магнитное поле, то в их атомах начинается движение электронов, порождающее ориентированный круговой ток.

Этот ток обладает собственным магнитным моментом ρm.

Круговой ток, в свою очередь, порождает магнитную индукцию, дополнительную по отношению к внешним полям. Вектор этой индукции направлен против внешнего поля. Силу воздействия внешнего поля можно найти так:

Любое вещество может проявлять свойство диамагнетизма. Величина магнитной проницаемости диамагнетиков обычно приравнивается к единице (отклонение незначительно). В случае с жидкостями и твердыми телами величина восприимчивости равна примерно 5-10, у газов она заметно меньше. Данный показатель не имеет прямой связи с температурой – этот факт подтвержден экспериментально П. Кюри.

Диамагнетики бывают следующих видов:

  • классические;
  • аномальные;
  • сверхпроводники.

Если магнитное поле несильное, то величина намагниченности диамагнетика прямо пропорциональна напряженности магнитного поля H→.

Ниже представлена схема, которая наглядно показывает данную зависимость в случае с классическими диамагнетиками (в слабом магнитном поле):

Рисунок 1

Что такое парамагнетики

Парамагнетики также являются слабомагнитными веществами. Их молекулы характеризуются наличием постоянного магнитного момента pm→. Его энергию во внешнем поле можно вычислить так:

Если направления векторов B→ и pm→ совпадут, то величина энергии будет минимальной.

Определение 2

Если мы внесем парамагнетик во внешнее магнитное поле, то магнитные моменты получат преимущественную ориентацию в направлении поля, соответствующую распределению Больцмана.

Иными словами, вещество намагничивается: дополнительное поле усиливается за счет совпадения с внешним. При этом угол между векторами остается неизменным.

Смена ориентации магнитных моментов по распределению Больцмана связана со столкновениями и взаимодействием атомов между собой. В отличие от диамагнетиков, магнитная восприимчивость парамагнетиков меняется в зависимости от температуры в соответствии с законом Кюри или законом Кюри-Вейсса.

В формуле дельтой обозначена постоянная, которая может быть и больше 0, и меньше. 

Величина магнитной восприимчивости парамагнетика больше 0, но незначительно. Выделяют следующие виды парамагнетиков:

  • нормальные;
  • парамагнитные металлы;
  • антиферромагнетики.

Второй тип парамагнетиков не обнаруживает связи магнитной восприимчивости с температурой. Такие металлы являются слабомагнитными при χ≈10-6.

Парамагнетические вещества характеризуются наличием парамагнитного резонанса. Возьмем внешнее магнитное поле с помещенным в него парамагнетиком. Как мы уже писали выше, в нем создается дополнительное магнитное поле с вектором индукции, направленным перпендикулярно вектору постоянного поля. При взаимодействии дополнительного поля с магнитным моментом атома создается так называемый момент сил M→.

Данный момент стремится к смене угла между pm→ и B→.

Определение 3

При совпадении частоты прецессии с частотой переменного магнитного поля момент сил, создаваемый этим полем, будет либо постоянно увеличивать указанный угол, либо постоянно уменьшать. Это называется явлением парамагнитного резонанса.

Если магнитное поле слабое, то намагниченность в парамагнетиках будет пропорциональна напряженности поля и может быть выражена следующей формулой:

Рисунок 2

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Что такое ферромагнетики

В отличие от двух перечисленных выше магнетиков, ферромагнетики являются сильномагнитными веществами.

Определение 4

Ферромагнетики – это вещества с высокой магнитной проницаемостью, зависящей от внешнего магнитного поля.

Данные вещества могут иметь так называемую остаточную намагниченность. Выразить зависимость восприимчивости ферромагнетиков от напряженности внешнего магнитного поля можно с помощью функции. Она представлена на схеме ниже:

Рисунок 3

Намагниченность ферромагнетика имеет пределы насыщения. Это указывает нам на природу возникновения намагниченности в таких веществах: она образуется путем смены ориентации магнитных моментов вещества. Для ферромагнетиков также характерно такое явление, как гистерезис.

В магнитном отношении все ферромагнетики делят на мягкие и жесткие. Первые из них имеют высокую магнитную проницаемость и способны легко намагничиваться и размагничиваться. Они имеют широкое применение в электротехнических приборах, основанных на работе переменных полей (например, трансформаторов). Жесткие ферромагнетики имеют сравнительно небольшую проницаемость и намагничиваются трудно. Их используют при производстве постоянных магнитов.

Пример 1

Условие: на схеме выше (рис. 3) показана кривая намагниченности ферромагнетика. Постройте кривую, выражающую зависимость B(H) и определите, возможно ли насыщение для магнитной индукции. Поясните свой вывод.

Решение

Мы знаем отношение вектора магнитной индукции к вектору намагниченности.

B→=J→+μ0H→.

Из этого можно сделать вывод, что насыщения кривая B(H) иметь не может. Создадим график зависимости напряженности внешнего поля от индукции магнитного поля в соответствии с рисунком выше. Мы получили схему, называемую кривой намагничивания:

Рисунок 4

Ответ: кривая индукции не имеет насыщения.

Пример 2

Условие: выведите формулу восприимчивости парамагнетика при условии, что механизм его намагничивания точно такой же, как механизм электризации полярных диэлектриков. Среднее значение магнитного момента молекул в проекции на ось Z обозначается формулой ρmz=ρmL(β).

Здесь L(β)=cth(β)-1β означает функцию Ланжевена при β=ρmBkT.

Решение

Взяв высокие температуры и небольшие поля, получим следующее:

ρmB≪kT,→β≪1.

Значит, если β≪1cthβ=1β+β3-β345+…, можно ограничить функцию линейным членом и получить, что:

ρmB≪kT,→β≪1.

Возьмем нужную формулу и подставим в нее полученное значение:

ρmz=ρmρmB3kT=ρm2B3kT.

Зная, как связаны между собой напряженность магнитного поля и его индукция, а также приравняв магнитную проницаемость парамагнетика к 1, получим следующее:

ρmz=ρm2μ0h4kT.

В итоге формула намагниченности будет выглядеть так:

J=nρmz=ρm2μ0h4kTn.

Поскольку модуль намагниченности связан с модулем вектора (J=χH), мы можем записать результат:

χ=ρm2м0n3kT.

Ответ: χ=ρm2м0n3kT.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Парамагнетики

Cтраница 2

Диамагнетики и парамагнетики имеют относительную магнитную проницаемость, близкую к единице.
 [16]

Диамагнетики и парамагнетики имеют магнитную проницаемость, близкую к единице.
 [17]

Диамагнетики и парамагнетики имеют магнитную проницаемость, близкую к единице, и по магнитным свойствам нашли себе ограниченное применение в технике.
 [18]

Диамагнетики и парамагнетики имеют магнитную проницаемость, близкую к единице, и по магнитным свойствам нашли себе ограниченное применение в технике.
 [19]

Ферромагнетиками называются парамагнетики, у которых относительная магнитная проницаемость при температуре, меньшей точки Кюри, ц1 и зависит от напряженности внешнего магнитного поля.
 [20]

Ферромагнетиками называются парамагнетики с самопроизвольной намагниченностью, у которых относительная магнитная проницаемость при температуре, меньшей точки Кюри, ( I 1 и зависит от напряженности внешнего магнитного поля.
 [22]

Диамагнетики и парамагнетики иногда объединяют под названием слабомагнитных веществ, не обладающих атомным магнитным порядком, а ферромагнетики и ферримагнетики — под названием сильномагнитных веществ, обладающих атомным магнитным порядком; для антиферромагнетиков характерен атомный магнитный порядок, но количественно этот эффект весьма мал.
 [23]

Итак, парамагнетики и диамагнетики в магнитном поле намагничиваются по-разному. Поэтому их поведение в магнитном поле должно быть различным.
 [24]

Парамагнитные вещества ( парамагнетики) состоят из атомов, у которых орбитальные магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга. Парамагнитные атомы обладают магнитным моментом и создают в окружающем пространстве магнитное поле. В отсутствие внешнего магнитного поля в парамагнетике магнитные моменты атомов ориентированы хаотично и вследствие теплового движения их ориентация непрерывно изменяется.
 [25]

Сравнивая диамагнетики и парамагнетики, мы легко обнаруживаем, чем они отличаются: парамагнетики состоят из атомов или молекул, имеющих магнитные моменты, а диамагнетики — из атомов или молекул, магнитные моменты которых равны нулю. Теперь мы покажем, что наше наблюдение зафиксировало существенное обстоятельство: тела, состоящие из атомов ( молекул), имеющих магнитный момент, должны быть парамагнетиками, а тела, состоящие из атомов ( молекул) с нулевым моментом, — диамагнетиками.
 [26]

Заметим, что парамагнетики намагничиваются очень слабо даже и в сильных внешних полях. Из рис. 25.21 видно, что парамагнетик должен втягиваться во внешнее магнитное поле, поскольку разноименные полюсы магнитов притягиваются.
 [28]

Диа — и парамагнетики обычно относят к слабомагнитным, а остальные — к сильномагнитным веществам.
 [30]

Страницы:  

   1

   2

   3

   4




Новые свойства старых материалов | Научные открытия и технические новинки из Германии | DW

Шапка-невидимка, ещё недавно считавшаяся исключительно атрибутом волшебных сказок, привлекает всё более пристальное внимание серьёзных учёных. Ведь механизм, позволяющий сделать невидимым тот или иной объект, нашёл бы широкое применение не только в военной сфере. А уж про военную и говорить нечего! До сих пор физикам удалось разработать лишь технологию «стеллс», которая позволила американцам построить самолёты, невидимые для радиолокационных установок. Однако в диапазоне видимого света эти самолёты ничем не отличаются от всех прочих. И вот теперь группа физиков университета штата Мэриленд в Колледж-Парке объявила о том, что ей удалось сделать материальный объект невидимым в зелёном свете лазера. Руководитель этой группы – профессор Кристофер Дейвис (Christopher C. Davis) – честно признаётся, что и сам порой хотел бы быть невидимкой:

Ну конечно! Я думаю, каждый хоть раз в жизни мечтал стать невидимкой – или, скажем, уметь летать. Учёные тоже рассуждают о путешествиях во времени, незримости и невесомости. Некоторые из этих идей когда-нибудь станут реальностью!

Однако до этого пока ещё далеко. Дейвис хоть и изобрёл шапку-невидимку, но функционирует она только в двухмерном пространстве, на плоскости, да и её размеры составляют всего лишь нескольких сотых долей миллиметра. Конечно, это может показаться довольно бессмысленной затеей – прилагать усилия к тому, чтобы сделать невидимым объект, который в силу крайне малых размеров и так практически не виден. Однако мэрилендским физикам важно было, прежде всего, удостовериться в том, что их концепция в принципе работает. Концепция, которую они позаимствовали у Дейвида Копперфилда и других иллюзионистов. Кристофер Дейвис этого и не скрывает:

Это почти как старый трюк фокусников: использовать соответствующее освещение сцены и систему зеркал, расположенных таким образом, чтобы свет от задней части сцены достигал зрителей в обход стоящего на сцене человека. В результате зрители видят то, что находится за человеком, то, что он должен был бы собой заслонять. И это делает человека на сцене как бы невидимкой.

Кристофер Дейвис действует так же: он заставляет свет огибать объект, как вода в ручье омывает камень. Однако для достижения этого эффекта он использует не зеркала, а несколько концентрически расположенных на тончайшей золотой подложке миниатюрных колец из полиметилметакрилата – материала, более известного как акриловое стекло или оргстекло. Если посмотреть на всю эту конструкцию сверху в микроскоп, бросается в глаза сходство с многорядной круговой дорожной развязкой. Благодаря этим кольцам из оргстекла объект, помещённый в центре развязки – так сказать, на островке, – становится невидимым. Дело в том, что если лазерный луч определённой частоты падает на золотую фольгу под определённым углом, он как бы попадает в ловушку, оказывается пойманным на поверхности тонкой плёнки. Профессор Дейвис поясняет:

Свет продолжает распространяться по этому золотому слою. Однако когда он достигает полимерных колец, те направляют его по кругу в обход центра. А центр – это то самое место, которое мы хотим сделать невидимым. А на противоположной стороне свет продолжает распространяться по золотой плёнке в прежнем направлении. У наблюдателя создаётся впечатление, будто свет прошёл через центр насквозь. На самом же деле наблюдатель просто видит то, что находится позади расположенного в центре объекта.

Помимо физиков университета штата Мэриленд, проблемой создания таких шапок-невидимок занимаются и другие группы исследователей. Однако до сих пор их модели могли делать объекты невидимыми лишь в диапазоне микроволн – в отличие от установки профессора Дейвиса, работающей в видимом зелёном свете. Да и принцип её действия несколько отличается от тех эффектов, что положены в основу традиционных моделей. Профессор Дейвис прибегнул к помощи одной из разновидностей так называемых квазичастиц, то есть частиц, выдуманных учёными для удобства описания того или иного явления, в котором энергия ведёт себя как некая квантовая частица. В данном случае речь идёт о квазичастицах, получивших название «поверхностные плазмоны». Когда лазерный луч соответствующей частоты попадает на тонкую металлическую плёнку, электроны проводимости начинают синхронно колебаться, и эти колебания со скоростью света распространяются по поверхности плёнки. Это немного напоминает волны, разбегающиеся по воде от брошенного в неё камня. Такое переменное поле может быть описано как газ, состоящий из квантовых частиц, которые учёные и назвали поверхностными плазмонами – в отличие от объёмных плазмонов, описывающих колебания электронов проводимости внутри ионной решётки кристалла. Поверхностные плазмоны возникают тогда, когда возникновение объёмных плазмонов невозможно, а это зависит от частоты возбуждающего поля лазерного луча. Именно эту коллективную вибрацию зарядов на поверхности металлической фольги и использует профессор Дейвис в своей шапке-невидимке:

Эти плазмоны известны уже давно, но долгое время на них никто не обращал внимания. Лишь около десяти лет назад технологическое развитие достигло такого уровня, что появилась возможность наблюдать и использовать этот эффект. Сегодня он находит практическое применение в целом ряде областей. На рынке имеются, например, химические и биологические сенсоры на основе поверхностных плазмонов. Мы сами разработали особый микроскоп высокого разрешения, в котором также использован этот эффект.

Таким образом, поверхностные плазмоны не только способны делать объекты невидимыми, но и напротив, помогают разглядеть их более детально. Впрочем, создание шапки-невидимки представляется учёным всё же более увлекательной – или более насущной – задачей. Если уж не для видимого света, то хотя бы для магнитного поля. Именно такую цель поставили перед собой британские учёные, специализирующиеся на так называемых метаматериалах, то есть композитных материалах, физические свойства которых – как правило, весьма необычные, – определяются не столько свойствами составляющих их компонентов, сколько микроструктурой материала в целом. В качестве примера можно назвать уже упоминавшуюся сегодня технологию «стеллс» – она базируется на одном из метаматериалов. Другим примером могут служить метаматериалы, обладающие отрицательным показателем преломления света: собирающая линза из такого материала не фокусирует, а рассеивает свет. Композит, разработанный теперь группой физиков Имперского колледжа науки, техники и медицины в Лондоне, является самым сильным в мире диамагнетиком. Напомню, что диамагнетики – вещества, намагничивающиеся навстречу направлению внешнего магнитного поля. Созданный лондонскими учёными метаматериал представляет собой, на первый взгляд, стопку тонких стеклянных пластин с металлическим отливом. Общая толщина стопки составляет лишь несколько миллиметров. Но под микроскопом можно разглядеть сотни тончайших металлических пластинок, расположенных между стеклянными пластинами строго параллельно и на определённом расстоянии друг от друга. Они изготовлены из свинца, – говорит один из разработчиков – Бен Вуд (Ben Wood) – и поясняет:

Мы разместили сверхпроводящие металлические пластинки таким образом, чтобы они имитировали диамагнетик – то есть материал, вытесняющий магнитное поле. В природе диамагнетиков очень много, однако этот эффект, как правило, крайне мал. Каждый, наверное, видел фотографию живой лягушки, парящей в магнитном поле. Это явление именуется диамагнитной левитацией. Дело в том, что организм лягушки в значительной степени состоит из воды, а вода – диамагнетик. Но парить лягушка может только потому, что масса её тела очень мала – эффект слишком слаб, чтобы удержать в воздухе более тяжёлый предмет. А наш метаматериал в десятки тысяч раз более сильный диамагнетик, чем всё, что встречается в природе.

Бен Вуд вот уже три года работает под руководством профессора сэра Джона Пендри (John Pendry), ведущего в мире специалиста в области метаматериалов. Свою цель Вуд видит в том, чтобы создать материал с переменной магнитной проницаемостью, которая позволила бы регулировать степень диамагнетизма. Вуд начал экспериментировать со сверхпроводящими металлами:

В прошлом году мы рассчитали теоретически, какой структурой должен обладать искусственный диамагнетик на основе сверхпроводников. Теперь мы получили первые опытные результаты, и они подтверждают: наш материал обладает в точности теми самыми свойствами, которых мы от него ждали.

Правда, Вуд вынужден постоянно охлаждать образцы жидким гелием, чтобы поддерживать их в состоянии сверхпроводимости:

То, что происходит здесь на микроскопическом уровне, можно описать так: если какая-нибудь из этих сверхпроводящих пластин оказывается в постоянном внешнем магнитном поле, в ней начинает протекать слабый круговой ток, и в результате образуется магнитный момент, направленный навстречу внешнему полю и вытесняющий его. В результате это внешнее поле сохраняется только в зазорах между металлическими пластинами. Оно там как бы застревает. И чем плотнее друг к другу расположены пластины, тем сильнее вытесняется внешнее поле из композита в целом.

Иными словами, этот метаматериал действительно ведёт себя как диамагнетик с регулируемой магнитной проницаемостью. Такой композит может найти немало сфер применения. Например, экраны, исключающие проникновение постоянных магнитных полей в определённые помещения. Сегодня для этого используются магнитные материалы, существенно изменяющие то внешнее поле, от которого они должны защищать. Иногда это неприемлемо. Например, в ситуации, когда высокочувствительное электронное оборудование должно быть экранировано от магнитного поля, излучаемого ядерным магнитно-резонансным томографом, но само это поле должно оставаться строго гомогенным, иначе пострадает точность измерения – а с ней и точность диагностики. Эту задачу вполне могла бы решить защитная оболочка из нашего диамагнитного метаматериала, – говорит Бен Вуд:

Одна из наших целей состоит в создании магнитных шапок-невидимок. То есть материалов, которые магнитно экранировали бы те или иные зоны, но так, что снаружи это оставалось бы незаметным, поскольку никаких изменений внешнее поле не претерпевало бы.

Но до создания реально функционирующей магнитной шапки-невидимки ещё предстоит пройти долгий путь, и работы британских физиков – лишь первый шаг. Пока экран из диамагнитного метаматериала исправно выполняет свою функцию лишь при условии, что линии напряжённости внешнего магнитного поля расположены строго перпендикулярно к его поверхности. На практике такое условие почти невыполнимо.

А теперь – о том, как физики научно-исследовательской лаборатории компании «IBM» в Сан-Хосе, штат Калифорния, играют в бильярд атомами. Кием им при этом служит тончайшая игла, радиус острия которой составляет всего лишь несколько нанометров. Один из игроков – молодой немецкий исследователь Маркус Тернес (Markus Ternes) – говорит:

Инструмент, который мы для этого используем, называется сканирующий туннельный микроскоп. Важнейшим его компонентом является тонкая игла. Мы можем подвести эту иглу непосредственно к отдельному атому и таким образом его перемещать.

Сама по себе эта технология не нова. Сканирующий туннельный микроскоп был изобретён Гердом Биннингом (Gerd Binning) и Гейнрихом Рорером (Heinrich Rohrer), сотрудниками научно-исследовательской лаборатории компании «IBM» в Цюрихе, более четверти века назад. А в 1989-м году американскому физику Дону Эйглеру (Don Eigler), нынешнему научному руководителю Маркуса Тернеса, удалось с помощью подобного микроскопа разместить на поверхности 35 атомов ксенона таким образом, чтобы они образовали аббревиатуру «IBM». Конечно, это произвело сенсацию, но…

Принципиальный вопрос – какая сила необходима для того, чтобы произвести эту операцию – так и остался тогда без ответа. Лишь после того, как мы спарили этот сканирующий туннельный микроскоп с другим инструментом – сканирующим атомно-силовым микроскопом, – мы смогли вплотную подойти в ответу на этот вопрос.

Изрядно упрощая, можно сказать, что Тернес и его коллеги разместили на кончике сканирующей иглы туннельного микроскопа своего рода миниатюрный и чрезвычайно чувствительный силомер, динамометр. Кстати, следует иметь в виду, что сравнение с игрой в бильярд всё же даёт лишь очень приблизительное представление о происходящих здесь процессах. Если атом подтолкнуть иглой, он не катится, как шар по гладкому столу, а вынужден преодолевать неровности, поскольку поверхность, по которой он перемещается, сама состоит из атомов. Более верным представляется сравнение этого процесса с перемещением мяча для игры в гольф по картонным ячейкам для куриных яиц. Маркус Тернес поясняет:

Мы видим, в какой именно момент происходит это перемещение. А благодаря наличию сенсора-силомера мы можем теперь измерить необходимые для этого силы. Они чрезвычайно малы. Например, для перемещения одного атома кобальта по поверхности из меди нужно приложить силу в 17 пиконьютонов. Это одна миллионная часть одной миллионной части ньютона. А один ньютон – это примерно та сила, которая необходима для удержания плитки шоколада в гравитационном поле Земли.

Важно также, что атомы разных элементов на разных поверхностях ведут себя по-разному. Одни сдвигаются с места легко, другие нуждаются для этого в гораздо больших усилиях. Но именно это и представляет особый интерес с точки зрения будущего практического применения, – говорит Маркус Тернес:

Если задаться целью сконструировать некое устройство столь миниатюрных линейных размеров, то, конечно же, важно знать, какие атомы для этой цели годятся. Какие прочно закреплены, а какие мы можем легко передвинуть из точки А в точку Б.

Для будущих наномеханизмов нужны атомы обеих разновидностей – и те, что могут послужить основанием, и те, что образуют подвижные детали. Метод измерения, разработанный физиками «IBM», позволяет выяснить, какие атомы на какой поверхности оптимально подходят для каких конструкций. Во всяком случае, Маркус Тернес уже сегодня знает, что он собирается конструировать:

Мы хотим попытаться реализовать компьютерные вычисления и процессы накопления информации в наномасштабе. Для этого нам необходим этот инструмент. Компанию «IBM» чрезвычайно интересует вопрос, сколь малой может быть ячейка памяти.

Впрочем, этот вопрос интересует не только компанию «IBM», поскольку такие наноэлементы памяти – это рынок будущего, исчисляемый миллиардами евро.

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.

Урок 4. магнитные свойства вещества. электроизмерительные приборы — Физика — 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 4. Магнитные свойства вещества. Электроизмерительные приборы

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1. Магнитные свойства вещества.

2. Свойства диа-, пара- и ферромагнетиков.

3. Принцип действия электроизмерительных приборов.

Глоссарий по теме:

Магнитная проницаемость – это физическая скалярная величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данном веществе отличается от индукции магнитного поля в вакууме.

Диамагнетики – вещества, у которых магнитная проницаемость чуть меньше единицы. К таким веществам относятся золото, серебро, углерод, висмут.

Парамагнетики – вещества, у которых магнитная проницаемость чуть больше единицы. Это алюминий, вольфрам, щелочные металлы, магний, платина.

Ферромагнетики – вещества у которых магнитная проницаемость много больше единицы. Это железо, никель, кобальт, и сплавы металлов.

Точка Кюри – температура, при которой ферромагнетики теряют ферромагнитные свойства.

Ферриты – ферромагнитные материалы, не проводящие электрического тока.

Основная и дополнительная литература по теме:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С. 27-30.

2.Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. С. 113.

3. ЕГЭ 2017. Физика. 1000 задач с ответами и решениями. Демидова М.Ю., Грибов В.А., Гиголо А.И. М.: Экзамен, 2017.

Теоретический материал для самостоятельного изучения.

Все вещества в окружающей нас природе в какой — то мере обладают магнитными свойствами. Ещё с глубокой древности была известна способность некоторых минералов притягивать железные предметы. Среди многих приборов навигации, необходимых для прокладывания курса кораблей или самолётов, обязательно должен быть и магнитный компас. Во многих измерительных приборах основными деталями служат постоянные магниты. Что же происходит с веществом, помещённом в магнитное поле? Вспомним, как магнитные свойства катушки, по которой течёт ток, усиливаются, если в катушку вставлен железный сердечник. Железный сердечник намного увеличивает магнитное поле в катушке с током. Мы знаем, что вокруг катушки с электрическим током возникает магнитное поле, а железный сердечник, создаёт своё магнитное поле и, согласно принципу суперпозиции полей, векторы этих двух полей складываются. Таким образом, мы наблюдаем усиление магнитного поля. Магнитную индукцию, создаваемую электрическим током, обозначим через (В0). Магнитную индукцию поля в веществе обозначим через (В). При введении железного сердечника, появляется магнитная индукция поля, возникающая благодаря намагничиванию вещества (В1). Эти поля складываются по принципу суперпозиции полей. В итоге мы наблюдаем, что вещество может усилить или, возможно ослабить магнитное поле. Магнитная индукция поля, создаваемого этими токами в вакууме, будет меньше, чем магнитная индукция поля в веществе.

Магнитной проницаемостью вещества называется физическая скалярная величина показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данном веществе отличается от индукции магнитного поля в вакууме.

Французский физик Андре Мари Ампер сравнивал магнитные поля, создаваемые полосовым магнитом и проводниками с током. В итоге, Ампер выдвинул гипотезу, что внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи. Круговые электрические токи – это токи, обусловленные орбитальными движениями электронов вокруг ядра.

Английский физик Майкл Фарадей исследовал влияние вещества на магнитное поле. В итоге, он определил, что все вещества изменяют магнитное поле, если их поместить во внешнее магнитное поле. Получается если вещество поместить во внешнее магнитное поле, оно становится источником своего магнитного поля. Это явление называют намагничиванием. Таким образом, Майкл Фарадей обнаружил, что вещества делятся на три группы — диа-, пара-, и ферромагнетики.

Диамагнетики – это вещества, у которых магнитная проницаемость чуть меньше единицы. К таким веществам относятся золото, серебро, углерод, висмут. Магнитная проницаемость висмута равна 0,9998. Значит, магнитное поле ослабляется, когда в него помещают это вещество В˂В0. Это означает, что вектор магнитной индукции поля, создаваемого веществом направлен противоположно вектору магнитной индукции поля, создаваемого током.

Парамагнетики – вещества, у которых магнитная проницаемость чуть больше единицы. Это алюминий, вольфрам, щелочные металлы, магний, платина. Эти вещества намагничиваются очень слабо, намагничиваются вдоль намагничивающего поля. Вектор магнитной индукции поля, создаваемого веществом, направлен в ту же сторону, что и вектор магнитной индукции поля, создаваемого током.

Ферромагнетики – это вещества, у которых магнитная проницаемость во много раз больше единицы. Это такие вещества как железо, кобальт, никель и сплавы металлов. Для железа магнитная проницаемость равна одна тысяча (1000).

Магнитные поля создаются ферромагнетиками не только вследствие обращения электронов вокруг ядер, но и вследствие их собственного вращения. Собственный вращательный момент (момент импульса) электрона называется спином. Согласно простейшим представлениям, электроны вращаясь вокруг собственной оси обладая зарядом, имеют, магнитное поле наряду с полем, появляющимся за счёт их орбитального движения вокруг ядер. В ферромагнетиках существуют области с параллельными ориентациями спинов, называемыми доменами; размеры доменов порядка 0.5 мкм. Параллельная ориентация спинов обеспечивает доменам минимум потенциальной энергии. Если ферромагнетик не намагничен, то ориентация доменов хаотична и суммарное магнитное поле, создаваемой доменами, равно нулю. При включении внешнего магнитного поля домены ориентируются вдоль линий магнитной индукции этого поля, и индукция магнитного поля в ферромагнетиках увеличивается, становясь в тысячи и даже миллионы раз больше индукции внешнего поля

Ферромагнитные свойства у веществ существуют только в определённой области температуры. Температура, при которой ферромагнитные материалы теряют свои ферромагнитные свойства, называют точкой Кюри по имени открывшего данное явление французского учёного Пьера Кюри. Если сильно нагреть намагниченный образец, то он потеряет способность притягивать железные предметы. Точка Кюри для железа 753 градусов по Цельсию, для кобальта 1000 градусов по Цельсию. Существуют ферромагнитные сплавы, у которых точка Кюри менее 100 градусов. Первые детальные исследования магнитных свойств ферромагнетиков были выполнены выдающимся русским физиком А.Г. Столетовым.

Большое применение получили ферромагнитные материалы, не проводящие электрического тока – ферриты. Это химические соединения оксидов железа с оксидами других веществ. К их числу относится и магнитный железняк.

Стальной или железный сердечник в катушке усиливает создаваемое ею магнитное поле, не увеличивая силу тока в катушке. Это экономит электроэнергию. Сердечники трансформаторов, генераторов, электродвигателей и т. д. изготовляют из ферромегнетиков. При выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остаётся намагниченным, таким образом создаёт магнитное поле в окружающем пространстве. Это объясняется тем, что домены не возвращаются в прежнее положение и их ориентация частично сохраняется. Благодаря этому существуют постоянные магниты. Постоянные магниты широко применяются в электроизмерительных приборах, громкоговорителях и телефонах, звукозаписывающих аппаратах, магнитных компасах и т.д. Электроизмерительный прибор является необходимым устройством в связи, промышленности, на транспорте, в медицине и в научных исследованиях.

Примеры и разбор решения заданий:

1. Для каких целей применяют ферромагнитные материалы? Выберите один правильный ответ.

Варианты ответов:

1) для усиления силы тока;

2) для ослабления магнитного поля;

3) для усиления магнитного поля;

4) для ослабления силы тока.

Пояснение: ферромагнетики и ферромагнитные материалы это вещества, которые создают наиболее сильные магнитные поля.

Правильный ответ: 3) для усиления магнитного поля.

2. По графику определите магнитную проницаемость стали при индукции В0 намагничивающего поля 1) 0,4 мТл, 2) 1,2 мТл.

Дано:

1) B0 = 0.4 мТл

2) B0 = 1,2 мТл

µ1 -? µ2 -?

Решение:

По определению магнитная проницаемость µ показывает, во сколько раз индукция магнитного поля В в веществе превышает индукцию намагничивающего поля В0 в вакууме: µ =

  1. При В0 = 0,4 мТл по графику находим что В = 0,8 Тл, следовательно:

2) При В0 = 1.2 мТл, по графику В = 1,2 Тл

Следовательно:

Ответ: µ1 = 2000; µ2 = 1000

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.

Диамагнетизм и парамагнетизм | Введение в химию

Цель обучения
  • Отличить диамагнетик от парамагнитных атомов.

Ключевые моменты
    • Каждый раз, когда два электрона имеют одну и ту же орбиталь, их спиновые квантовые числа должны быть разными. Когда два электрона объединяются в пары на орбитали или их общий спин равен 0, они являются диамагнитными электронами. Атомы со всеми диамагнитными электронами называются диамагнитными атомами.
    • Парамагнитный электрон — это неспаренный электрон. Атом считается парамагнитным, если даже одна орбиталь имеет чистый спин. У атома может быть десять диамагнитных электронов, но пока у него есть один парамагнитный электрон, он по-прежнему считается парамагнитным атомом.
    • Диамагнитные атомы отталкивают магнитные поля. Непарные электроны парамагнитных атомов перестраиваются в ответ на внешние магнитные поля и поэтому притягиваются. Парамагнетики не сохраняют намагниченность в отсутствие магнитного поля, поскольку тепловая энергия рандомизирует ориентацию электронного спина.

Условия
  • парамагнитные материалы, которые притягиваются внешним магнитным полем и образуют внутренние индуцированные магнитные поля в направлении приложенного магнитного поля.
  • диамагнетик — материалы, которые создают индуцированное магнитное поле в направлении, противоположном приложенному извне магнитному полю, и поэтому отталкиваются приложенным магнитным полем.
  • лантаноид Любой из 14 редкоземельных элементов от церия (или лантана) до лютеция в периодической таблице.Поскольку их внешние орбитали пусты, у них очень похожий химический состав. Под ними — актиниды.
  • квантовое число — одно из определенных целых или полуцелых чисел, которые определяют состояние квантово-механической системы (например, электрона в атоме).
  • MRIM Магнитно-резонансная томография, метод медицинской визуализации, используемый в радиологии для исследования анатомии и физиологии тела как при его здоровье, так и при болезни.

Диамагнетизм

Каждый раз, когда два электрона имеют одну и ту же орбиталь, их спиновые квантовые числа должны быть разными.Другими словами, один из электронов должен иметь «спин вверх» с [latex] m_s = + \ frac {1} {2} [/ latex], а другой электрон должен иметь «спин вниз» с [ латекс] m_s = — \ frac {1} {2} [/ latex]. Это важно, когда дело доходит до определения полного спина электронной орбитали. Чтобы решить, сокращаются ли спины электронов, сложите их спиновые квантовые числа. Когда два электрона объединяются в пары на орбитали или их общий спин равен 0, они называются диамагнитными электронами.

Думайте о вращении как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки.Если одно вращение вращается по часовой стрелке, а другое — против часовой стрелки, то два направления вращения уравновешивают друг друга и не остается никакого вращения. Обратите внимание, что все это означает с точки зрения электронов, разделяющих орбиталь: поскольку электроны на одной и той же орбитали всегда имеют противоположные значения для своих квантовых чисел спина (m s ), они всегда в конечном итоге компенсируют друг друга. Другими словами, на орбитали, содержащей два электрона, не остается никакого спина.

Спин электрона очень важен для определения магнитных свойств атома.Если все электроны в атоме спарены и делят свою орбиталь с другим электроном, то полный спин на каждой орбитали равен нулю, и атом является диамагнитным. Диамагнитные атомы не притягиваются к магнитному полю, а скорее слегка отталкиваются.

Диамагнитная левитация Небольшой (~ 6 мм) кусок пиролитического графита (материала, похожего на графит), парящий над массивом постоянных золотых 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).

Парамагнетизм

Электроны, которые находятся на одной орбите, называются парамагнитными электронами. Помните, что если электрон находится один на орбитали, орбиталь имеет чистый спин, потому что спин одиночного электрона не компенсируется. Если даже одна орбиталь имеет чистый спин, весь атом будет иметь чистый спин. Следовательно, атом считается парамагнитным, если он содержит хотя бы один парамагнитный электрон. Другими словами, у атома может быть 10 спаренных (диамагнитных) электронов, но до тех пор, пока у него есть один неспаренный (парамагнитный) электрон, он по-прежнему считается парамагнитным атомом.

Так же, как диамагнитные атомы слегка отталкиваются от магнитного поля, парамагнитные атомы слегка притягиваются к магнитному полю. Парамагнитные свойства обусловлены перестройкой траектории электронов, вызванной внешним магнитным полем. Парамагнетики не сохраняют никакой намагниченности в отсутствие приложенного извне магнитного поля, потому что тепловое движение рандомизирует ориентацию спина. Более сильные магнитные эффекты обычно наблюдаются только при участии d- или f-электронов.Величина магнитного момента атома лантаноида может быть довольно большой, так как он может переносить до семи неспаренных электронов в случае гадолиния (III) (отсюда его использование в МРТ).

Показать источники

Boundless проверяет и курирует высококачественный контент с открытой лицензией из Интернета. Этот конкретный ресурс использовал следующие источники:

Парамагнетизм и диамагнетизм

Парамагнетизм

Парамагнетизм — это форма магнетизма, при которой парамагнитный материал притягивается только в присутствии внешнего магнитного поля.Парамагнитные материалы имеют относительную магнитную проницаемость, большую или равную единице (то есть положительную магнитную восприимчивость), и, следовательно, притягиваются к магнитным полям. Магнитный момент, индуцированный приложенным полем, линейно зависит от напряженности поля; он тоже слабоват.

Составляющие атомы или молекулы парамагнитных материалов обладают постоянными магнитными моментами (диполями) даже в отсутствие приложенного поля. Как правило, постоянный момент вызван вращением неспаренных электронов на атомных или молекулярных электронных орбиталях.В чистом парамагнетизме диполи не взаимодействуют друг с другом и ориентированы случайным образом в отсутствие внешнего поля из-за теплового возбуждения; это приводит к нулевому чистому магнитному моменту. При приложении магнитного поля диполи будут стремиться выровняться с приложенным полем, в результате чего возникает чистый магнитный момент в направлении приложенного поля.

Парамагнетики обладают небольшой положительной восприимчивостью к магнитным полям. Эти материалы слегка притягиваются магнитным полем, и материал не сохраняет магнитные свойства при удалении внешнего поля, как показано на рис.Парамагнитные свойства обусловлены наличием некоторых неспаренных электронов и перестройкой траектории электронов, вызванной внешним магнитным полем.

Парамагнитные материалы и электрические поля

Ориентация в парамагнитном материале при приложении электрического поля (правое изображение) и его удалении (левое изображение).

Парамагнитные материалы включают магний, молибден, литий и тантал. В отличие от ферромагнетиков, парамагнетики не сохраняют никакой намагниченности в отсутствие внешнего магнитного поля, потому что тепловое движение рандомизирует ориентации спинов, ответственные за магнетизм.Некоторые парамагнитные материалы сохраняют спиновой беспорядок при абсолютном нуле (то есть они парамагнитны в основном состоянии). Таким образом, при снятии приложенного поля общая намагниченность падает до нуля. Даже в присутствии поля существует лишь небольшая наведенная намагниченность, потому что только небольшая часть спинов будет ориентирована полем.

Диамагнетизм

Диамагнетизм — это свойство объекта или материала, которое заставляет его создавать магнитное поле в противовес приложенному извне магнитному полю.Таким образом, в отличие от парамагнетиков, диамагнетики отталкиваются магнитными полями, что может привести к его необычным эффектам, таким как левитация диамагнитного материала, когда он находится над мощным магнитом (как показано на рисунке).

Левитирующий углерод

Пиролитический углерод, парящий над постоянными магнитами

Диамагнетизм, в большей или меньшей степени, является свойством всех материалов и всегда вносит слабый вклад в реакцию материала на магнитное поле.Однако для материалов, которые проявляют какую-либо другую форму магнетизма (например, ферромагнетизм или парамагнетизм), диамагнитный вклад становится незначительным. Кроме того, все проводники проявляют эффективный диамагнетизм при воздействии изменяющегося магнитного поля. Например, сила Лоренца, действующая на электроны, заставляет их циркулировать вокруг, образуя вихревые токи. Затем вихревые токи создают индуцированное магнитное поле, противоположное приложенному полю, препятствующее движению проводника.

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 проявляет постоянные магнитные свойства, а не проявляет их только в присутствии внешнего магнитного поля (рисунок \ (\ 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 к магнитному полю)

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 показан жидкий кислород, притягиваемый магнитным полем, созданным сильным магнитом:

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

Диамагнетизм (отраженный 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 в нем есть неспаренные электроны, то вещество парамагнитно, а если все электроны спарены, то вещество диамагнитно. Этот процесс можно разбить на три этапа:

  1. Запишите электронную конфигурацию
  2. Нарисуйте 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.

    Шаг 4. Определите, является ли вещество парамагнитным или диамагнитным

    Поскольку неспаренных электронов нет, атомы \ (\ ce {Zn} \) диамагнитны.

    Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

    1. Сколько неспаренных электронов содержится в атомах кислорода?
    2. Сколько неспаренных электронов находится в атомах брома?
    3. Укажите, являются ли атомы бора парамагнитными или диамагнитными. {-}} \) парамагнитными или диамагнитными.{2 +}} \) ионы бывают парамагнитными или диамагнитными.
    Ответьте на
    Атом O имеет 2s 2 2p 4 в качестве электронной конфигурации. Следовательно, O имеет 2 неспаренных электрона.
    Ответ б
    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.

      Диамагнетизм и парамагнетизм :: Физика конденсированных сред :: Интернет-пространство Руди Винтера

      Диамагнетизм

      Согласно с
      Закон Ленца ,
      любой ток, индуцированный магнитным полем, вызывает магнитное поле, противоположное исходному
      индуцирующее поле. Это следует из применения правила правой руки как при наведении тока полем, так и в тисках.
      наоборот.По этой причине диамагнитная восприимчивость всегда отрицательна,
      , то есть , плотность линий B-поля уменьшается из-за диамагнетизма.

      В полуклассическом представлении об атоме (левый рисунок) электрон можно рассматривать как вращающийся вокруг ядра на фиксированном расстоянии.
      Если поместить в магнитное поле,
      прецессия
      вектора, связывающего электрон с ядром вокруг оси поля
      наблюдается. Частота $ \ omega $ этой прецессии задается
      Теорема Лармора :
      $$ \ omega = \ frac {eB} {2m_e} $$
      где $ e $ и $ m_e $ — заряд и масса электрона соответственно.2B} {4 \ pi m_e} $$
      где множитель $ -Z $ складывает все электроны в атоме и подтверждает тот факт, что электроны имеют отрицательный заряд.

      Имея ток, мы можем определить индуцированный им магнитный момент. Для этого помогает сравнение Larmor
      ток в атоме с током, текущим по однопроводной петле
      (правый рисунок). Магнитный момент $ p_m $, индуцированный
      ток $ I $ пропорционален току и площади, окружающей его, $ p_m = AI $ (и указывает в направлении, перпендикулярном этому
      площадь).2 \ rangle $ обозначает среднее расстояние всех электронов от оси поля в случае атома.

      Эта довольно грубая классическая интерпретация дает нам хорошую оценку
      индуцированный магнитный момент
      в атоме из-за
      взаимодействие электронов материала с магнитным полем. Учитывая химический состав и плотность (а значит,
      электронной плотности) материала, мы можем вычислить его
      диамагнитная восприимчивость .
      Эта простая модель дает адекватные результаты, за исключением случая
      электронов проводимости
      в металлах.Поскольку они делокализованы по множеству атомов в решетке, идея
      течения Лармора не воздает им должного.

      Парамагнетизм

      Для
      парамагнетизм ,
      необходим квантово-механический анализ. В
      магнитный момент , $ \ vec {p} _m $,
      атома зависит от его
      полный угловой момент , $ \ vec {J} $.
      Эти двое связаны
      гиромагнитное отношение , $ \ gamma $, (в Гц / Тл),
      константа материала для конкретного элемента:
      $$ \ vec {p} _m = \ gamma \ hbar \ vec {J} $$
      В качестве альтернативы мы можем выразить связь между $ \ vec {p} _m $ и $ \ vec {J} $ в терминах кратных
      Магнетон Бора
      $$ \ mu_B: = \ frac {e \ hbar} {2m_e} $$
      который по сути является «квантом магнитного момента» (измеряется в Дж / Тл).Используя этот формализм, магнитный момент равен
      $$ \ vec {p} _m = -g \ mu_B \ vec {J} $$
      В
      g-фактор
      (безразмерный) зависит от того, как различные спины и орбитальные угловые моменты всех электронов в
      пара атомов. Его значение можно рассчитать с помощью
      Уравнение Ланде :
      $$ g = 1 + \ frac {J (J + 1) + S (S + 1) -L (L + 1)} {2J (J + 1)} $$
      где $ S $, $ L $ и $ J $ — объединенные
      квантовые числа спина, орбитального и полного углового момента
      электронов в атоме.
      Если угловые моменты складываются таким образом, что g-фактор равен нулю, материал не может быть парамагнитным.
      (Подробнее о том, как эти
      угловые моменты
      объедините, чтобы следовать в лекции по атомной физике.)

      Когда атом с постоянным магнитным моментом помещается в магнитное поле, ранее
      вырожденных магнитных состояний
      разделены на подсостояния с различной энергией, разделенные энергией магнитного взаимодействия, $ 2p_mB $ (левое и правое поля
      рисунок). Это аналогично
      Эффект Зеемана
      разделяющие энергетические уровни спиновых состояний электронов, кроме
      что мы рассматриваем полный угловой момент (включая спиновые и орбитальные компоненты) атома в целом.Величина
      Дробилка Зеемана
      является:
      $$ E_ {mgn} = — \ vec {p} _m \ vec {B} = m_ {J} g \ mu_BB $$
      где
      магнитное квантовое число , $ m_ {J} = — J, -J + 1, \ cdots, + J-1, + J $,
      относится к полному угловому моменту.

      Относительная заселенность отдельных уровней дается
      Распределение Больцмана ,
      который сравнивает магнитный
      энергия взаимодействия $ p_mB $ с тепловой энергией $ k_BT $, т. x} \ qquad \ qquad x = \ frac {p_mB} {k_BT} \ qquad.2B} {k_BT} $$

      $$ \ textbf {закон Кюри:} \ qquad \ chi_ {para} = \ frac {C} {T} $$

      Это показывает, что парамагнитная восприимчивость $ \ chi_ {para} $ обратно пропорциональна температуре. Это наблюдение известно как
      Закон Кюри и константа пропорциональности — это
      Константа Кюри .

      Если $ J \ gt \ frac {1} {2} $, будет более двух зеемановских уровней. Поскольку их энергии всегда распределены симметрично относительно
      вырожденный уровень энергии при $ B = 0 $, анализ остается в силе, и есть просто больше членов Больцмана, которые нужно суммировать в знаменателе
      при расчете относительной численности населения.

      Существуют разные сценарии, по которым спины и орбитальные угловые моменты могут объединяться в общий угловой момент.
      (схемы LS и JJ),
      в зависимости от типа атома. Естественно, это повлияет на
      число состояний Зеемана для магнитного момента атома и, следовательно, константа Кюри материала, содержащего этот атом.
      Чтобы усложнить ситуацию, если некоторые электроны находятся в возбужденных электронных состояниях,
      это также изменит J и, таким образом, повлияет на постоянную Кюри материала.

      Диамагнетизм — обзор | Темы ScienceDirect

      Ферромагнетизм

      В то время как эффекты парамагнетизма и диамагнетизма в материале небольшие и изменяют κ m лишь незначительно от его значения единицы для свободного пространства, эффект ферромагнетизма очень велик.В таких материалах, как железо, никель и кобальт, называемых переходными элементами, существуют силы на микроскопическом уровне, которые выравнивают направления магнитных полей амперовых токовых петель в этих материалах. Эти силы, называемые обменными силами , имеют квантово-механическое происхождение и, следовательно, не могут быть объяснены в терминах классической физики; объяснение этих сил выходит за рамки наших исследований. Выравнивание магнитных полей амперных токовых петель обменными силами происходит самопроизвольно; то есть это может произойти без приложения какого-либо внешнего магнитного поля.Это спонтанное выравнивание распространяется на объемы, которые обычно меньше 1 мм 3 , но содержат миллионы атомов. Такая область полного выравнивания амперных магнитных полей называется ферромагнитным доменом .

      Теперь рассмотрим домены в макроскопическом образце, показанном на рисунке 17.17, чистого ферромагнитного материала, материала, который не подвергался воздействию очень сильных внешних магнитных полей. Направления магнитного поля доменов ориентированы случайным образом, поэтому суммарное магнитное поле внутри образца равно нулю.На рисунке 17.18 (а) показаны смежные или соприкасающиеся домены исходного образца. На рисунке 17.18 (b) показана та же область этого образца после того, как к образцу было приложено относительно небольшое внешнее магнитное поле B ext . Приложенное поле вызвало движение доменной стенки , что привело к увеличению объема выгодно ориентированных доменов, с полями, выровненными в направлении B ext , за счет менее выгодно ориентированных.Образец на Рисунке 17.18 (b) частично намагничен; чистое магнитное поле доменов увеличивает приложенное поле. Для малых приложенных полей движение доменной стенки обратимо; если бы приложенное поле было удалено, доменные стенки вернутся в исходное положение (нулевое приложенное поле), и образец снова будет размагничен. Но когда к образцу приложено относительно сильное магнитное поле, в дополнение к значительному перемещению доменной стенки происходит поворот домена на , на , ситуация, показанная на рисунке 17.18 (c).Внешнее поле изменило направление амперных полей в отдельных доменах. Достаточно большие внешние поля вызывают полное выравнивание в образце, и тогда образец считается насыщенным на .

      Рисунок 17.17. Произвольно ориентированные ферромагнитные домены в первичном образце ферромагнитного материала.

      Рисунок 17.18. Домены ферромагнитного образца, когда (а) магнитное поле не было приложено, (б) приложено относительно небольшое внешнее магнитное поле B ext , и (c) когда относительно сильное внешнее магнитное поле B ext прилагается.

      Когда ферромагнитный образец испытывает вращение доменов или даже значительное движение доменных стенок, намагничивающее действие на образец становится необратимым. То есть удаление приложенного поля не восстанавливает случайную ориентацию направлений поля домена, и чистое магнитное поле внутри образца не равно нулю. Остаточное магнитное поле сохраняется, и образец называется намагниченным. На данный момент ферромагнитный образец представляет собой «постоянный» магнит, как игрушечные магниты, которые знакомы большинству из нас.

      Слово «постоянный» в этом контексте неточно. Во-первых, любой постоянный магнит можно полностью размагнитить, подняв его температуру выше его точки Кюри , температуры, при которой хаотический эффект теплового движения в образце достаточен для преодоления магнитного выравнивания. Далее, как мы сейчас увидим, постоянные магниты можно изменять; они могут быть размагничены, или их магнитные поля могут быть изменены или даже инвертированы путем изменения внешнего поля, приложенного к образцу.

      Предположим, что образец ферромагнитного материала был намагничен так, что он имеет остаточное магнитное поле в направлении x , когда к образцу не приложено внешнее поле. Если теперь к образцу приложить магнитное поле в отрицательном направлении x , противоположном остаточному полю образца, чистое поле, вызванное выравниванием домена, может быть уменьшено до нулевого значения. Затем, если величина внешнего поля дополнительно увеличивается в отрицательном направлении x , поля доменов выравниваются в направлении, противоположном их первоначальному направлению.А если внешнее приложенное поле убрать, образец снова станет «постоянным» магнитом, но направление его поля изменится на обратное. Теперь ясно, что реакция ферромагнитного образца на внешнее приложенное поле зависит от физического состояния образца, состояния, которое, в свою очередь, зависит от недавней истории образца.

      Утверждается, что материал с физическими характеристиками, зависящими от его магнитной истории, проявляет магнитный гистерезис . Ферромагнитный образец «запоминает» направление (в своей собственной системе отсчета), в котором он последний раз испытывал значительное сильное магнитное поле.Ферромагнитные материалы являются подходящими элементами памяти в компьютерах и калькуляторах, поскольку они обладают гистерезисом.

      Ферромагнитный тороид на рисунке 17.19, например, иллюстрирует, как может быть сконструирован элемент цифровой памяти. На рисунке 17.19 (a) импульс тока через катушку, обозначенную цифрой 1, в указанном направлении направления создает остаточное магнитное поле B внутри тороида по часовой стрелке, как показано. Точно так же, как показано на рисунке 17.19 (b), импульс тока через катушку, обозначенную 0, создает остаточный B в противоположном смысле.Любой бит информации может быть «постоянно» сохранен в ориентации доменного поля тороида. Катушка, помеченная на рисунке знаком вопроса, может использоваться вместе с соответствующей схемой для опроса или выборки ощущения поля тороида без использования тока, достаточного для изменения ощущения остаточного поля тороида. Огромные массивы таких элементов памяти могут быть собраны для формирования банков памяти цифровых компьютеров.

      Рисунок 17.19. Тороид, сделанный из ферромагнитного материала, используется в качестве элемента цифровой памяти.( a ) Ток в контуре 1 создает непрерывное магнитное поле. ( b ) Ток в контуре 0 создает магнитное поле против часовой стрелки.

      Магнитные свойства твердых тел

      Материалы могут быть классифицированы 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, как

      .
      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 какое-либо намагничивание, 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.

      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 каждую орбиталь 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 отношение это имеет 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 одинаковым 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 любые 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

      Диамагнетизм объектов с парными электронами отталкиваются внешним магнитным полем
      Парамагнетизм объектов с неспаренными электронами притягиваются внешними магнитными полями
      Правило Хунда утверждает, что незначительное отталкивание между отрицательно заряженными электронами заставит их войти на отдельные орбитали одного и того же уровня энергии перед заполнением орбитали, на которой уже есть электрон.

      Добавить комментарий

      Ваш адрес email не будет опубликован.