Парамагнетики - это что такое и где их применяют?
Парамагнетики - удивительные вещества, обладающие полезными магнитными свойствами. Давайте разберемся, что из себя представляют эти материалы, каковы их особенности и области использования.
Что такое парамагнетики и их основные свойства
Парамагнетики - это вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении этого поля. Они имеют положительную магнитную восприимчивость, то есть притягиваются к магниту, но слабо.
Термин "парамагнетизм" ввел в 1848 году английский физик и химик Майкл Фарадей. Он разделил все вещества на ферромагнитные, диамагнитные, парамагнитные и другие типы.
Парамагнетики это вещества, атомы или молекулы которых обладают собственными магнитными моментами. Эти моменты хаотично ориентированы, пока на вещество не подействует внешнее магнитное поле. Тогда магнитные моменты выстраиваются вдоль поля, усиливая его.
Как только внешнее поле исчезает, парамагнетик теряет намагниченность. В отличие от ферромагнетиков, у которых сохраняется магнитная структура даже без поля.
Виды парамагнетиков
Существует несколько разновидностей парамагнетиков:
- Металлические парамагнетики - щелочные, щелочноземельные металлы и их сплавы;
- Диэлектрические парамагнетики - молекулы газов, соли металлов и др.;
- Полупроводниковые парамагнетики - германий, кремний;
- Редкоземельные парамагнетики - соединения церия, празеодима.
К парамагнетикам относятся также ферро- и антиферромагнетики, нагретые выше точки Кюри или Нееля.
Причины парамагнетизма
Парамагнетизм может быть вызван разными причинами:
- Орбитальный парамагнетизм - движение электронов по орбитам атомов;
- Спиновый парамагнетизм - собственные магнитные моменты электронов;
- Парамагнетизм Паули - намагниченность электронов проводимости в металлах;
- Ядерный парамагнетизм - магнитные моменты атомных ядер.
Наибольший вклад в парамагнетизм вносят спиновые и орбитальные магнитные моменты электронов.
В чистом виде ядерный парамагнетизм проявляется при сверхнизких температурах в веществах типа гелия-3, лишенных электронных магнитных моментов.
Теории парамагнетизма
Существует несколько теорий, объясняющих парамагнетизм:
- Классическая теория Ланжевена (1905 г.) для слабовзаимодействующих частиц;
- Квантовая теория Бриллюэна (1926 г.), учитывающая квантование пространственного момента.
Обе теории объясняют закон Кюри, согласно которому магнитная восприимчивость парамагнетиков обратно пропорциональна температуре.
Закон Кюри-Вейсса описывает отклонения от закона Кюри, связанные с взаимодействием частиц.
Магнитные свойства парамагнетиков
Рассмотрим подробнее магнитные характеристики парамагнетиков.
Магнитная восприимчивость парамагнетиков зависит от:
- Температуры - с ростом температуры восприимчивость падает;
- Напряженности магнитного поля - с увеличением поля растет.
При сильных полях или низких температурах намагниченность парамагнетиков приближается к насыщению.
Магнитная проницаемость парамагнетиков чуть больше единицы. Это отличает их от ферромагнетиков, у которых проницаемость существенно выше.
Примеры парамагнетиков
Рассмотрим некоторые примеры парамагнетиков:
- К металлическим парамагнетикам относятся алюминий, платина, щелочные и щелочноземельные металлы.
- Газообразными парамагнетиками являются кислород и оксид азота.
- Парамагнитные свойства проявляют неорганические соединения - хлорное железо, оксид марганца и другие.
Это лишь небольшой перечень наиболее распространенных парамагнетиков.
Применение парамагнетиков
Парамагнетики находят широкое применение в различных областях:
- В электротехнике используются парамагнитные материалы для изготовления катушек индуктивности, сердечников трансформаторов, электрических машин.
- В электронике применяют парамагнитные ферриты для создания постоянных магнитов, магнитных экранов, фильтров.
- В машиностроении и приборостроении используют парамагнитные сплавы в качестве конструкционных материалов.
- В химической промышленности парамагнетики применяют как катализаторы химических реакций.
- В медицине парамагнитные наночастицы используют для доставки лекарств, контрастных веществ.
Получение сверхнизких температур
Одно из важных применений парамагнетиков - получение сверхнизких температур методом магнитного охлаждения.
Этот метод основан на том, что при намагничивании парамагнетика поглощается тепловая энергия. Это приводит к резкому снижению температуры образца.
Так удается достичь температур порядка долей градуса Кельвина и ниже. Сверхнизкие температуры необходимы в физических исследованиях.
Исследование парамагнетиков
Для изучения магнитных свойств парамагнетиков используются различные методы:
- Измерение магнитной восприимчивости в зависимости от температуры и напряженности поля.
- Исследование парамагнитного резонанса.
- Определение намагниченности образцов.
- Моделирование магнитной структуры парамагнетиков.
Эти методы позволяют рассчитать магнитные моменты атомов и молекул, изучить строение веществ.
Парамагнетики и диамагнетики
Диамагнетики, в отличие от парамагнетиков, намагничиваются в магнитном поле в направлении, противоположном внешнему полю. У них отрицательная магнитная восприимчивость.
К диамагнетикам относятся водород, благородные газы, медь, золото, кварц.
Взаимодействие диамагнетиков с магнитным полем значительно слабее. Они используются гораздо реже, чем парамагнетики.
Перспективы применения
В будущем возможно расширение использования парамагнетиков:
- В медицине для адресной доставки лекарств в организме.
- В космической технике благодаря их радиационной стойкости.
- В квантовых компьютерах на основе парамагнитных материалов.
Продолжаются поиски новых перспективных парамагнетиков с улучшенными свойствами.
Физические свойства парамагнетиков
Помимо магнитных характеристик, парамагнетики обладают определенными физическими свойствами:
- Высокая тепло- и электропроводность у металлических парамагнетиков.
- Относительно низкая плотность у щелочных и щелочноземельных металлов.
- Высокая твердость у соединений переходных металлов.
- Хрупкость редкоземельных парамагнетиков.
Эти свойства определяют особенности применения разных групп парамагнетиков.
Парамагнетики и антиферромагнетики
Антиферромагнетики относятся к магнитоупорядоченным веществам, в которых магнитные моменты атомов ориентированы антипараллельно.
При нагревании выше точки Нееля антиферромагнетики переходят в парамагнитное состояние с неупорядоченной ориентацией моментов.
Примеры антиферромагнетиков: оксиды марганца, никеля, кобальта, хрома. Они широко используются в электронике и вычислительной технике.
Влияние примесей
Магнитные свойства парамагнетиков сильно зависят от наличия примесей.
Даже небольшое количество примесных атомов в кристаллической решетке может привести к появлению ферромагнитных или антиферромагнитных свойств.
Поэтому очень важно контролировать чистоту парамагнетиков при их получении, особенно для высокоточных применений.
Парамагнетики в современном мире
Парамагнетики играют важную роль в современных технологиях:
- Применяются в вычислительной технике для создания постоянных магнитов, магнитной памяти.
- Используются в электронных устройствах - датчиках, измерителях, фильтрах.
- Востребованы в альтернативной энергетике - ветряных генераторах, солнечных батареях.
Разработка новых парамагнитных материалов с улучшенными характеристиками продолжается.
Парамагнетики в повседневной жизни
Парамагнетики применяются не только в промышленности и науке, но и в быту:
- В посуде из нержавеющей стали, содержащей парамагнитные примеси хрома и никеля.
- В постоянных магнитах на холодильниках, досках для записей.
- В магнитных держателях для смартфонов в автомобиле.
Таким образом, парамагнетики делают нашу жизнь чуточку удобнее.
Парамагнетики и окружающая среда
Влияние парамагнетиков на экологию неоднозначно:
- Производство парамагнетиков может быть экологически "грязным".
- С другой стороны, они помогают создавать "зеленые" технологии.
Необходим поиск наиболее экологичных способов получения и утилизации парамагнетиков.
Парамагнетики в искусстве
Художники используют парамагнетики для создания необычных эффектов:
- Картины с ферромагнитным порошком, который выстраивается вдоль магнитов.
- Скульптуры из парамагнитных материалов, "парящие" над магнитами.
В дальнейшем возможно применение парамагнетиков в интерактивных инсталляциях и перформансах.
Будущее парамагнетиков
Что ждет парамагнетики в будущем?
- Разработка материалов с уникальными магнитными свойствами.
- Применение в квантовых и оптических технологиях.
- Использование в нано- и биотехнологиях.
Парамагнетики сохранят свою востребованность благодаря универсальности и широкому спектру применения.