Paramagnetismus ist eine Form des Magnetismus, wodurch das paramagnetische Material nur wenn in Gegenwart von einem äußerlich angewandten magnetischen Feld angezogen wird. Im Vergleich mit diesem Verhalten, diamagnetic Materialien werden durch magnetische Felder zurückgetrieben. Paramagnetische Materialien haben eine magnetische Verhältnisdurchdringbarkeit, die größer oder der Einheit (d. h., eine positive magnetische Empfänglichkeit) gleich ist, und werden folglich von magnetischen Feldern angezogen. Der magnetische durch das angewandte Feld veranlasste Moment ist in der Feldkraft geradlinig und ziemlich schwach. Es verlangt normalerweise, dass ein empfindliches analytisches Gleichgewicht die Wirkung entdeckt, und moderne Maße auf paramagnetischen Materialien werden häufig mit einem TINTENFISCH-Magnetometer geführt.

Paramagnetische Materialien haben eine kleine, positive Empfänglichkeit für magnetische Felder. Diese Materialien werden durch ein magnetisches Feld ein bisschen angezogen, und das Material behält die magnetischen Eigenschaften nicht, wenn das Außenfeld entfernt wird. Paramagnetische Eigenschaften sind wegen der Anwesenheit einiger allein stehender Elektronen, und von der Wiederanordnung der durch das magnetische Außenfeld verursachten Elektronpfade. Paramagnetische Materialien schließen Magnesium, Molybdän, Lithium und Tantal ein.

Verschieden von Ferromagneten behalten Paramagnete keine Magnetisierung ohne ein äußerlich angewandtes magnetisches Feld, weil Wärmebewegung randomizes die Drehungsorientierungen. Einige paramagnetische Materialien behalten Drehungsunordnung an der absoluten Null, bedeutend, dass sie im Boden-Staat paramagnetisch sind. So fällt die Gesamtmagnetisierung auf Null, wenn das angewandte Feld entfernt wird. Sogar in Gegenwart vom Feld gibt es nur eine kleine veranlasste Magnetisierung, weil nur ein kleine Bruchteil der Drehungen am Feld orientiert wird. Dieser Bruchteil ist zur Feldkraft proportional, und das erklärt die geradlinige Abhängigkeit. Die durch eisenmagnetische Materialien erfahrene Anziehungskraft ist nichtlinear und viel stärker, so dass sie, zum Beispiel, durch die Anziehungskraft zwischen einem Kühlschrank-Magnet und dem Eisen des Kühlschranks selbst leicht beobachtet wird.

Beziehung zu Elektrondrehungen

Konstituierende Atome oder Moleküle von paramagnetischen Materialien haben dauerhafte magnetische Momente (Dipole) sogar ohne ein angewandtes Feld. Der dauerhafte Moment ist allgemein wegen der Drehung von allein stehenden Elektronen im atomaren oder molekularen Elektron orbitals (sieh Magnetischen Moment). Im reinen Paramagnetismus wirken die Dipole mit einander nicht aufeinander und werden ohne ein Außenfeld wegen der Thermalaufregung zufällig orientiert, im magnetischen Nullnettomoment resultierend. Wenn ein magnetisches Feld angewandt wird, werden die Dipole dazu neigen, sich auf das angewandte Feld auszurichten, in einem magnetischen Nettomoment in der Richtung auf das angewandte Feld resultierend. In der klassischen Beschreibung, wie man verstehen kann, kommt diese Anordnung wegen eines Drehmoments vor, das auf den magnetischen Momenten durch ein angewandtes Feld zur Verfügung wird stellt, das versucht, die Dipolparallele zum angewandten Feld auszurichten. Jedoch können die wahren Ursprünge der Anordnung nur über die mit dem Quant mechanischen Eigenschaften der Drehung und des winkeligen Schwungs verstanden werden.

Wenn es genügend Energieaustausch zwischen benachbarten Dipolen gibt, werden sie aufeinander wirken, und können spontan ausrichten oder antiausrichten und magnetische Gebiete bilden, auf Ferromagnetismus (dauerhafte Magnete) oder Antiferromagnetismus beziehungsweise hinauslaufend. Paramagnetisches Verhalten kann auch in eisenmagnetischen Materialien beobachtet werden, die über ihrer Temperatur von Curie, und in Antiferromagneten über ihrer Temperatur von Néel sind. Bei diesen Temperaturen überwindet die verfügbare Thermalenergie einfach die Wechselwirkungsenergie zwischen den Drehungen.

In allgemeinen paramagnetischen Effekten sind ziemlich klein: Die magnetische Empfänglichkeit ist der Ordnung 10 bis 10 für die meisten Paramagnete, aber kann nicht weniger als 10 für synthetische Paramagnete wie Eisenflüssigkeiten sein.

Delocalization

In vielen metallischen Materialien sind die Elektronen beruflich reisend, d. h. sie reisen durch den Festkörper mehr oder weniger als ein Elektronbenzin. Dieses Verhalten ergibt sich aus starken Wechselwirkungen (gutes Augenhöhlenübergreifen in einem Vokabular eines Chemikers) zwischen den Welle-Funktionen von benachbarten Atomen in der verlängerten Gitter-Struktur. Die Welle-Funktionen der Wertigkeitselektronen bilden so ein Band mit gleichen Anzahlen von Drehungen oben und unten. Wenn ausgestellt, zu einem Außenfeld werden nur jene Elektronen in der Nähe vom Niveau von Fermi antworten, und ein kleiner Überschuss eines Typs von Drehungen wird resultieren. Diese Wirkung ist eine schwache Form des als Pauli-Paramagnetismus bekannten Paramagnetismus. Die Wirkung bewirbt sich immer mit einer diamagnetic Antwort des entgegengesetzten Zeichens wegen aller Kernelektronen der Atome. Stärkere Formen des Magnetismus verlangen gewöhnlich lokalisierte aber nicht beruflich reisende Elektronen. Jedoch in einigen Fällen kann ein bandstructure hinauslaufen, der es zwei delocalized Subbänder mit Staaten von entgegengesetzten Drehungen gibt, die verschiedene Energien haben. Wenn ein Subband über den anderen bevorzugt gefüllt wird, kann man beruflich reisende eisenmagnetische Ordnung haben. Diese Situation kommt gewöhnlich nur in relativ schmalen (d-) Bändern vor, die schlecht delocalized sind.

s und p Elektronen

Allgemein neigt starker delocalization in einem Festkörper wegen des großen Übergreifens mit benachbarten Welle-Funktionen dazu, zu Paarung von Drehungen (das Löschen) und so der schwache Magnetismus zu führen. Das ist, warum s- und P-Typ-Metalle normalerweise entweder Pauli-paramagnetisch sind oder als im Fall von Gold sogar diamagnetic. Im letzten Fall gewinnt der diamagnetic Beitrag von der geschlossenen Schale innere Elektronen einfach vom schwachen paramagnetischen Begriff der fast freien Elektronen.

d und f Elektronen

Stärkere magnetische Effekten werden normalerweise nur beobachtet, wenn d- oder F-Elektronen beteiligt werden. Besonders die Letzteren werden gewöhnlich stark lokalisiert. Außerdem kann die Größe des magnetischen Moments auf einem lanthanide Atom ziemlich groß sein, weil es bis zu 7 allein stehende Elektronen im Fall vom Gadolinium (III) (folglich sein Gebrauch in MRI) tragen kann. Das hoch sind magnetische mit lanthanides vereinigte Momente ein Grund, warum superstarke Magnete normalerweise auf Elementen wie Neodym oder Samarium basieren.

Molekulare Lokalisierung

Natürlich ist das obengenannte Bild eine Generalisation, weil es Materialien mit einem verlängerten Gitter aber nicht einer molekularen Struktur gehört. Molekulare Struktur kann auch zu Lokalisierung von Elektronen führen. Obwohl es gewöhnlich energische Gründe gibt, warum eine molekulare Struktur solch resultiert, dass sie teilweise gefüllten orbitals nicht ausstellt (d. h. allein stehende Drehungen), kommen einige nichtgeschlossene Schale-Hälften wirklich in der Natur vor. Molekularer Sauerstoff ist ein gutes Beispiel. Sogar im eingefrorenen Festkörper enthält es di-radical Moleküle, die auf paramagnetisches Verhalten hinauslaufen. Die allein stehenden Drehungen wohnen in orbitals ist auf Sauerstoff p Welle-Funktionen zurückzuführen gewesen, aber das Übergreifen wird auf einen Nachbar in den O Molekülen beschränkt. Die Entfernungen zu anderen Sauerstoff-Atomen im Gitter bleiben zu groß, um zu delocalization zu führen, und die magnetischen Momente bleiben allein stehend.

Das Gesetz des Curie

Für niedrige Stufen der Magnetisierung folgt die Magnetisierung von Paramagneten, was als das Gesetz von Curie mindestens ungefähr bekannt ist. Dieses Gesetz zeigt an, dass die Empfänglichkeit χ paramagnetischer Materialien zu ihrer Temperatur umgekehrt proportional ist, d. h. dass Materialien magnetischer bei niedrigeren Temperaturen werden. Der mathematische Ausdruck ist:

:M ist die resultierende Magnetisierung

:χ ist die magnetische Empfänglichkeit

:H ist das magnetische Hilfsfeld, das in Ampere/Meter gemessen ist

:T ist absolute Temperatur, die in kelvins gemessen ist

:C ist ein materiell-spezifischer Curie unveränderlicher

Das Gesetz des Curie ist unter den allgemein gestoßenen Bedingungen der niedrigen Magnetisierung (μH  kT) gültig, aber gilt im high-field/low-temperature Regime nicht, wo die Sättigung der Magnetisierung vorkommt (μH  kT) und magnetische Dipole alle nach dem angewandten Feld ausgerichtet werden. Wenn die Dipole ausgerichtet werden, wird das Vergrößern des Außenfeldes die Gesamtmagnetisierung nicht vergrößern, da es keine weitere Anordnung geben kann.

Für ein paramagnetisches Ion mit aufeinander nichtwirkenden magnetischen Momenten mit dem winkeligen Schwung J ist das unveränderliche Curie die magnetischen Momente der individuellen Ionen, verbunden

:.

Der Parameter μ wird als der wirksame magnetische Moment pro paramagnetisches Ion interpretiert. Wenn man eine klassische Behandlung mit molekularen magnetischen Momenten vertreten als getrennte magnetische Dipole, μ verwendet, wird ein Curie-Gesetzausdruck derselben Form mit μ erscheinen, der im Platz von μ erscheint.

Wenn winkelige Augenhöhlenschwung-Beiträge zum magnetischen Moment klein sind, wie es für die meisten organischen Radikalen oder für octahedral Übergang-Metallkomplexe mit d oder hoher Drehung d Konfigurationen vorkommt, nimmt der wirksame magnetische Moment die Form (g = 2.0023...  2), an

:, wo n die Zahl von allein stehenden Elektronen ist. In anderen Übergang-Metallkomplexen gibt das einen nützlichen, wenn etwas gröber, Schätzung nach.

Beispiele von Paramagneten

Materialien, die 'Paramagnete' genannt werden, sind meistenteils diejenigen, die, mindestens über eine merkliche Temperaturreihe, magnetische Empfänglichkeit ausstellen, die an den Gesetzen des Curie oder Curie-Weiss klebt. Im Prinzip kann jedes System, das Atome, Ionen oder Moleküle mit allein stehenden Drehungen enthält, einen Paramagnet genannt werden, aber die Wechselwirkungen zwischen ihnen müssen sorgfältig betrachtet werden.

Systeme mit minimalen Wechselwirkungen

Die schmalste Definition würde sein: Ein System mit allein stehenden Drehungen, die mit einander nicht aufeinander wirken. In diesem schmalsten Sinn ist der einzige reine Paramagnet ein verdünntes Benzin von monatomic Wasserstoffatomen. Jedes Atom hat ein aufeinander nichtwirkendes allein stehendes Elektron. Natürlich konnten die Letzteren über ein Benzin von Lithiumatomen gesagt werden, aber diese besitzen bereits zwei paarweise angeordnete Kernelektronen, die eine diamagnetic Antwort des entgegengesetzten Zeichens erzeugen. Genau genommen ist Li ein Mischsystem deshalb, obwohl zugegebenermaßen der diamagnetic Bestandteil schwach und häufig verwahrlost ist. Im Fall von schwereren Elementen wird der diamagnetic Beitrag wichtiger, und im Fall von metallischem Gold beherrscht er die Eigenschaften. Natürlich wird der Element-Wasserstoff 'paramagnetisch' eigentlich nie genannt, weil das monatomic Benzin nur bei der äußerst hohen Temperatur stabil ist; H Atom-Vereinigung, um molekularen H und auf diese Weise zu bilden, werden die magnetischen Momente (gelöscht), weil das Drehungspaar verloren. Wasserstoff ist deshalb diamagnetic, und dasselbe hält für die meisten Elemente für wahr. Obwohl die elektronische Konfiguration der individuellen Atome (und Ionen) der meisten Elemente allein stehende Drehungen enthält, ist es nicht richtig, um diese Elemente 'Paramagnete' zu nennen, weil an der Umgebungstemperatur das Löschen sehr viel die Regel aber nicht die Ausnahme ist. Jedoch ist die Löschen-Tendenz für F-Elektronen am schwächsten, weil f (besonders 4f) orbitals radial zusammengezogen werden und sie nur schwach mit orbitals auf angrenzenden Atomen überlappen. Folglich sind die lanthanide Elemente mit unvollständig gefülltem 4f-orbitals paramagnetisch oder magnetisch bestellt.

So sind kondensierte Phase-Paramagnete nur möglich, wenn die Wechselwirkungen der Drehungen, die entweder zum Löschen oder zur Einrichtung führen, in der Bucht durch die Strukturisolierung der magnetischen Zentren behalten werden. Es gibt zwei Klassen von Materialien, für die das hält:

• Molekulare Materialien mit einem (isolierten) paramagnetischen Zentrum.
• Gute Beispiele sind Koordinationskomplexe von d- oder F-Metallen oder Proteinen mit solchen Zentren, z.B myoglobin. In solchen Materialien handelt der organische Teil des Moleküls als ein Umschlag, der die Drehungen vor ihren Nachbarn beschirmt.
• Kleine Moleküle können in der radikalen Form stabil sein, Sauerstoff O ist ein gutes Beispiel. Solche Systeme sind ziemlich selten, weil sie dazu neigen, ziemlich reaktiv zu sein.
• Verdünnte Systeme.
• Das Auflösen einer paramagnetischen Art in einem diamagnetic Gitter bei kleinen Konzentrationen, z.B. Nd in CaCl wird die Neodym-Ionen auf freiem Fuß genug Entfernungen trennen, dass sie nicht aufeinander wirken. Solche Systeme sind von Hauptwichtigkeit dafür, was als die empfindlichste Methode betrachtet werden kann, paramagnetische Systeme zu studieren: EPR.

Systeme mit Wechselwirkungen

Wie oben angegeben behalten viele Materialien, die d- oder F-Elemente enthalten, wirklich ungelöschte Drehungen. Salze solcher Elemente zeigen häufig paramagnetisches Verhalten, aber an niedrig genug Temperaturen können die magnetischen Momente bestellen. Es ist ziemlich üblich, solche Materialien 'Paramagnete' zu nennen, wenn man sich auf ihr paramagnetisches Verhalten über ihrem Curie oder Néel-Punkten besonders bezieht, wenn solche Temperaturen sehr niedrig sind oder nie richtig gemessen worden sind. Sogar für Eisen ist es ziemlich üblich zu sagen, dass Eisen ein Paramagnet über seinem relativ hohen Curie-Punkt wird. In diesem Fall wird der Curie-Punkt als ein Phase-Übergang zwischen einem Ferromagnet und einem 'Paramagnet' gesehen. Der Wortparamagnet bezieht sich jetzt bloß auf die geradlinige Antwort des Systems zu einem angewandten Feld, dessen Temperaturabhängigkeit eine amendierte Version des Gesetzes von Curie verlangt, das als das Gesetz des Curie-Weiss bekannt ist:

Dieses amendierte Gesetz schließt einen Begriff θ ein, der die Austauschwechselwirkung beschreibt, die, obgleich überwunden, durch die Wärmebewegung da ist. Das Zeichen von θ hängt ab, ob eisen - oder antimagnetische Wechselwirkungen vorherrschen und es selten genau Null ist, außer in den verdünnten, Einzelfällen, die oben erwähnt sind.

Offensichtlich ist die paramagnetische Beschreibung des Curie-Weiss über T oder T eine ziemlich verschiedene Interpretation des Wortes 'Paramagnet', weil es die Abwesenheit von Wechselwirkungen, aber eher nicht einbezieht, dass die magnetische Struktur ohne ein Außenfeld bei diesen genug hohen Temperaturen zufällig ist. Selbst wenn θ Null nah ist, bedeutet das nicht, dass es keine Wechselwirkungen gerade gibt, dass das Übereinstimmen eisen - und die sich antiausrichtenden antimagnetischen annulliert. Eine zusätzliche Komplikation besteht darin, dass die Wechselwirkungen häufig in verschiedenen Richtungen des kristallenen Gitters (anisotropy) verschieden sind, zu komplizierten magnetischen einmal bestellten Strukturen führend.

Die Zufälligkeit der Struktur gilt auch für die vielen Metalle, die eine paramagnetische Nettoantwort über eine breite Temperaturreihe zeigen. Sie folgen keinem Typ-Gesetz Curie als Funktion der Temperatur jedoch, häufig sind sie mehr oder weniger Temperaturunabhängiger. Dieser Typ des Verhaltens ist einer beruflich reisenden Natur und besser genannt Pauli-Paramagnetismus, aber es ist ziemlich üblich, z.B zu sehen, dass das Metallaluminium einen 'Paramagnet' genannt hat, wenn auch Wechselwirkungen stark genug sind, um diesem Element sehr gutes elektrisches Leitvermögen zu geben.

Superparamagnets

Eine Material-Show hat magnetisches Verhalten veranlasst, das einem Typ-Gesetz von Curie, aber mit außergewöhnlich großen Werten für die Konstanten von Curie folgt. Diese Materialien sind als superparamagnets bekannt. Sie werden durch einen starken eisenmagnetischen oder ferrimagnetic Typ der Kopplung in Gebiete einer beschränkten Größe charakterisiert, die sich unabhängig von einander benehmen. Die Hauptteil-Eigenschaften solch eines Systems ähneln den eines Paramagnets, aber auf einem mikroskopischen Niveau wird ihnen bestellt. Die Materialien zeigen wirklich eine Einrichtungstemperatur, über der das Verhalten zum gewöhnlichen Paramagnetismus (mit der Wechselwirkung) zurückkehrt. Eisenflüssigkeiten sind ein gutes Beispiel, aber das Phänomen kann auch innerhalb von Festkörpern z.B vorkommen, wenn verdünnte paramagnetische Zentren in einem starken beruflich reisenden Medium der eisenmagnetischen Kopplung solcher als eingeführt werden, wenn Fe in TlCuSe oder der Legierung AuFe eingesetzt wird. Solche Systeme enthalten verbundene Trauben von ferromagnetically, die bei niedrigeren Temperaturen hinausekeln. Sie werden auch mictomagnets genannt.

Siehe auch

• Bohr magneton
• Curie-Temperatur
• Diamagnetism
• Ferromagnetismus
• Magnetochemistry

Allgemeine Bezugstexte

• Charles Kittel, Einführung in die Physik des Festen Zustands (Wiley: New York, 1996).
• Neil W. Ashcroft und N. David Mermin, Physik des Festen Zustands (Harcourt: Orlando, 1976).
• John David Jackson, Klassische Elektrodynamik (Wiley: New York, 1999).

Links

http://www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/MagParticle/Physics/MagneticMatls.htm