Paramagnetismus Ursachen, paramagnetische Materialien, Beispiele und Unterschiede zum Diamagnetismus

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

Im Gegensatz zu dem, was viele Menschen oft denken, werden magnetische Eigenschaften nicht nur auf ferromagnetische Substanzen reduziert. Alle Substanzen besitzen magnetische Eigenschaften, wenn auch in einer schwächeren Form. Diese Substanzen werden paramagnetisch und diamagnetisch genannt.

Auf diese Weise können zwei Arten von Substanzen unterschieden werden: paramagnetisch und diamagnetisch. In Gegenwart eines Magnetfeldes werden die paramagnetischen zu dem Bereich hingezogen, in dem die Feldstärke größer ist. Auf der anderen Seite werden die diamagnetischen von der Region des Feldes angezogen, in der die Intensität niedriger ist.

Wenn paramagnetische Materialien in der Gegenwart von Magnetfeldern vorliegen, erfahren sie dieselbe Art von Anziehung und Abstoßung, wie sie bei Magneten auftreten. Wenn das Magnetfeld jedoch verschwindet, beendet die Entropie die magnetische Ausrichtung, die induziert wurde.

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

Index

• 1 Ursachen
  • 1.1 Curie-Gesetz
• 2 Paramagnetische Materialien
• 3 Unterschiede zwischen Paramagnetismus und Diamagnetismus
• 4 Anwendungen
• 5 Referenzen

Ursachen

Paramagnetismus beruht auf der Tatsache, dass bestimmte Materialien aus Atomen und Molekülen bestehen, die permanent magnetische Momente (oder Dipole) haben, auch wenn sie nicht in der Nähe eines Magnetfeldes sind.

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

Im reinen Paramagnetismus wechselwirken die Dipole nicht miteinander, sondern sind zufällig in Abwesenheit eines äußeren Magnetfeldes als Folge der thermischen Bewegung ausgerichtet. Dies erzeugt ein magnetisches Nullmoment.

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

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

Auf diese Weise kann die thermische Bewegung, wenn das Material erhitzt wird, dem Effekt entgegenwirken, den das magnetische Feld auf die Dipole hat, und die magnetischen Momente werden auf chaotische Weise neu ausgerichtet, wodurch die Intensität des induzierten Feldes verringert wird.

Curies Gesetz

Das Curie-Gesetz wurde 1896 experimentell vom französischen Physiker Pierre Curie entwickelt. Es kann nur angewendet werden, wenn hohe Temperaturen auftreten und die paramagnetische Substanz in der Anwesenheit von schwachen Magnetfeldern ist.

Dies ist so, weil es den Paramagnetismus nicht beschreibt, wenn ein großer Teil der magnetischen Momente ausgerichtet ist.

Das Gesetz besagt, dass die Magnetisierung des paramagnetischen Materials direkt proportional zur angelegten Magnetfeldstärke ist. Es ist das, was als Curies Gesetz bekannt ist:

M = X = H = CH / T

In der vorherigen Formel ist M die Magnetisierung, H ist die magnetische Flussdichte des angelegten Magnetfeldes, T ist die Temperatur gemessen in Kelvin und C ist eine Konstante, die für jedes Material spezifisch ist und die Curie-Konstante genannt wird.

Aus der Beobachtung des Curie-Gesetzes folgt auch, dass die Magnetisierung umgekehrt proportional zur Temperatur ist. Aus diesem Grund neigen die Dipole und die magnetischen Momente dazu, wenn das Material erhitzt wird, die Orientierung zu verlieren, die durch das Vorhandensein des Magnetfelds erhalten wird.

Paramagnetische Materialien

Die paramagnetischen Materialien sind all jene Materialien mit magnetischer Permeabilität (Fähigkeit einer Substanz, ein magnetisches Feld anzuziehen oder durchzulassen), ähnlich der magnetischen Permeabilität des Vakuums. Solche Materialien zeigen ein vernachlässigbares Maß an Ferromagnetismus.

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

Unter den paramagnetischen Materialien gibt es eine besondere Art von Materialien, die superparamagnetisch genannt werden. Obwohl sie dem Curie-Gesetz folgen, haben diese Materialien einen ziemlich hohen Curie-konstanten Wert.

Unterschiede zwischen Paramagnetismus und Diamagnetismus

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

In jedem Fall haben die meisten Substanzen einen diamagnetischen Charakter, da Paare von Elektronen gepaart - und daher mit entgegengesetztem Spin - den Diamagnetismus schwach begünstigen. Im Gegensatz dazu tritt Diamagnetismus nur dann auf, wenn ungepaarte Elektronen vorhanden sind.

Sowohl paramagnetische als auch diamagnetische Materialien haben eine schwache Anfälligkeit für magnetische Felder, aber während sie im ersteren positiv ist, ist sie negativ.

Die diamagnetischen Materialien werden durch ein magnetisches Feld leicht abgestoßen; Auf der anderen Seite werden die paramagnetischen angezogen, wenn auch mit geringer Kraft. In beiden Fällen verschwinden die Wirkungen der Magnetisierung, wenn das Magnetfeld entfernt wird.

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

Anwendungen

Da paramagnetische Materialien in Abwesenheit eines Magnetfeldes ein ähnliches Vakuumverhalten aufweisen, sind ihre Anwendungen in der Industrie etwas reduziert.

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

Diese Technik wird in Fermentationen, bei der industriellen Herstellung von Polymeren, für den Verschleiß von Motorölen und bei der Herstellung von Bieren ua angewendet. In gleicher Weise wird diese Technik bei der Datierung archäologischer Überreste verwendet.

Referenzen 

1. Paramagnetismus (n. D.) In Wikipedia. Abgerufen am 24. April 2018 von es.wikipedia.org.
2. Diamagnetismus (n. D.) In Wikipedia. Abgerufen am 24. April 2018 von es.wikipedia.org.
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6. Obstgarten, A. F. (2003)Magnetochemie. Oxford Universitätspresse.