PARAMAGNETISME: OORZAKEN, PARAMAGNETISCHE MATERIALEN, VOORBEELDEN - FYSIEK - 2025

Het paramagnetisme is een vorm van magnetisme waarbij bepaalde materialen zwak worden aangetrokken door een extern magnetisch veld en interne magnetische velden vormen die worden geïnduceerd in de richting van het aangelegde magnetische veld.

In tegenstelling tot wat veel mensen vaak denken, zijn magnetische eigenschappen niet alleen beperkt tot ferromagnetische stoffen. Alle stoffen hebben magnetische eigenschappen, zelfs op een zwakkere manier. Deze stoffen worden paramagnetisch en diamagnetisch genoemd.

Op deze manier kunnen twee soorten stoffen worden onderscheiden: paramagnetisch en diamagnetisch. In aanwezigheid van een magnetisch veld worden de paramagnetische velden aangetrokken naar de zone waar de intensiteit van het veld groter is. In plaats daarvan worden diamagnetische stoffen aangetrokken tot het gebied van het veld waar de intensiteit het laagst is.

In de aanwezigheid van magnetische velden ervaren paramagnetische materialen dezelfde soort aantrekking en afstoting als magneten. Wanneer het magnetische veld echter verdwijnt, maakt de entropie een einde aan de magnetische uitlijning die was geïnduceerd.

Met andere woorden, paramagnetische materialen worden aangetrokken door magnetische velden, hoewel ze geen permanent gemagnetiseerde materialen worden. Enkele voorbeelden van paramagnetische stoffen zijn onder meer: ​​lucht, magnesium, platina, aluminium, titanium, wolfraam en lithium.

Oorzaken

Paramagnetisme is te wijten aan het feit dat bepaalde materialen zijn opgebouwd uit atomen en moleculen met permanente magnetische momenten (of dipolen), zelfs als ze niet in de aanwezigheid van een magnetisch veld zijn.

Magnetische momenten worden veroorzaakt door de spins van ongepaarde elektronen in metalen en andere materialen met paramagnetische eigenschappen.

Bij puur paramagnetisme hebben de dipolen geen interactie met elkaar, maar worden ze willekeurig georiënteerd bij afwezigheid van een extern magnetisch veld als gevolg van thermische agitatie. Dit genereert een magnetisch moment van nul.

Wanneer echter een magnetisch veld wordt aangelegd, hebben de dipolen de neiging om uit te lijnen met het aangelegde veld, wat resulteert in een netto magnetisch moment in de richting van dat veld en een aanvulling op dat van het externe veld.

In beide gevallen kan de uitlijning van de dipolen worden tegengegaan door het effect van temperatuur.

Op deze manier kan de thermische agitatie, wanneer het materiaal wordt verwarmd, het effect van het magnetische veld op de dipolen tegengaan en heroriënteren de magnetische momenten zichzelf op een chaotische manier, waardoor de intensiteit van het geïnduceerde veld wordt verminderd.

Curie's wet

De wet van Curie werd experimenteel ontwikkeld door de Franse natuurkundige Pierre Curie in 1896. Hij kan alleen worden toegepast bij hoge temperaturen en de paramagnetische substantie bevindt zich in de aanwezigheid van zwakke magnetische velden.

Dit komt omdat het paramagnetisme niet beschrijft wanneer een groot deel van de magnetische momenten is uitgelijnd.

De wet stelt dat de magnetisatie van het paramagnetische materiaal recht evenredig is met de intensiteit van het aangelegde magnetische veld. Het is wat bekend staat als Curie's Law:

M = X ∙ H = CH / T

In de bovenstaande formule is M de magnetisatie, H is de magnetische fluxdichtheid van het aangelegde magnetische veld, T is de temperatuur gemeten in graden Kelvin en C is een constante die specifiek is voor elk materiaal en wordt de Curie-constante genoemd.

Het observeren van de wet van Curie laat ook zien dat magnetisatie omgekeerd evenredig is met de temperatuur. Om deze reden verliezen de dipolen en de magnetische momenten, wanneer het materiaal wordt verwarmd, de oriëntatie die is verkregen door de aanwezigheid van het magnetische veld.

Paramagnetische materialen

Paramagnetische materialen zijn al die materialen met magnetische permeabiliteit (het vermogen van een stof om een ​​magnetisch veld aan te trekken of te laten passeren) vergelijkbaar met de magnetische permeabiliteit van een vacuüm. Dergelijke materialen vertonen een verwaarloosbaar niveau van ferromagnetisme.

In fysieke termen wordt gesteld dat de relatieve magnetische permeabiliteit ervan (quotiënt tussen de permeabiliteit van het materiaal of medium en de permeabiliteit van een vacuüm) ongeveer gelijk is aan 1, wat de magnetische permeabiliteit van een vacuüm is.

Onder paramagnetische materialen is er een bepaald type materialen dat superparamagnetisch wordt genoemd. Hoewel ze de wet van Curie volgen, hebben deze materialen een vrij hoge waarde van de Curie-constante.

Verschillen tussen paramagnetisme en diamagnetisme

Het was Michael Faraday die in september 1845 besefte dat in werkelijkheid alle materialen (niet alleen ferromagnetische) reageren op de aanwezigheid van magnetische velden.

In ieder geval is de waarheid dat de meeste stoffen diamagnetisch van aard zijn, aangezien de paren elektronenparen - en dus met tegengestelde spin - een zwakke voorkeur hebben voor diamagnetisme. Integendeel, alleen als er ongepaarde elektronen zijn, treedt diamagnetisme op.

Zowel paramagnetische als diamagnetische materialen hebben een zwakke gevoeligheid voor magnetische velden, maar terwijl het in het eerste positief is, in het laatste, is het negatief.

Diamagnetische materialen worden enigszins afgestoten door een magnetisch veld; aan de andere kant worden paramagnetica aangetrokken, hoewel ook met weinig kracht. In beide gevallen verdwijnen de effecten van magnetisatie wanneer het magnetische veld wordt verwijderd.

Zoals eerder vermeld, is de overgrote meerderheid van de elementen waaruit het periodiek systeem bestaat diamagnetisch. Voorbeelden van diamagnetische stoffen zijn dus water, waterstof, helium en goud.

Toepassingen

Omdat paramagnetische materialen een soortgelijk gedrag vertonen als vacuüm in afwezigheid van een magnetisch veld, zijn hun toepassingen in de industrie enigszins beperkt.

Een van de meest interessante toepassingen van paramagnetisme is elektronische paramagnetische resonantie (RPE), die veel wordt gebruikt in de natuurkunde, scheikunde en archeologie. Het is een spectroscopietechniek waarmee het mogelijk is om soorten met ongepaarde elektronen te detecteren.

Deze techniek wordt onder meer toegepast bij fermentaties, bij de industriële vervaardiging van polymeren, bij de slijtage van motoroliën en bij de bereiding van bieren. Evenzo wordt deze techniek veel gebruikt bij het dateren van archeologische overblijfselen.

Referenties

1. Paramagnetisme (zd). Op Wikipedia. Opgehaald op 24 april 2018, via es.wikipedia.org.
2. Diamagnetisme (zd). Op Wikipedia. Opgehaald op 24 april 2018, via es.wikipedia.org.
3. Paramagnetisme (zd). Op Wikipedia. Opgehaald op 24 april 2018, via en.wikipedia.org.
4. Diamagnetisme (zd). Op Wikipedia. Opgehaald op 24 april 2018, via en.wikipedia.org.
5. Chang, MC "Diamagnetisme en paramagnetisme" (PDF). NTNU dictaten. Opgehaald op 25 april 2018.
6. Orchard, AF (2003) Magnetochemie. Oxford Universiteit krant.