Η ΧΗΜΕΙΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΙ ΤΗΝ ΥΛΗ ΜΕ ΤΟΝ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟ: 7ο μέρος. Υλικά σιδηρομαγνητικά, διαμαγνητικά, παράμαγνητικά και οι ατομικές μαγνητικές ροπές τους

Δήμητρα Σπανού χημικός, μόνιμη καθηγήτρια του 1ου Γυμνασίου Δάφνης

ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΠΑΡΟΥΣΙΑΖΟΥΝ ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΥ

Ήδη γνωρίζουμε ότι, το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται μόνο από ένα κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο; Τι γίνεται όμως με τους μαγνήτες;

Σε ορισμένες ουσίες, δεν είναι όλα τα ηλεκτρόνια ζευγαρωμένα και πολλά ηλεκτρόνια περιστρέφονται προς την ίδια κατεύθυνση.  Τέτοιες ουσίες ονομάζονται σιδηρομαγνήτες.

Και δεδομένου ότι το ηλεκτρόνιο είναι ένα φορτισμένο σωματίδιο, τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από το άτομο προς την ίδια κατεύθυνση δημιουργούν ένα συνολικό μαγνητικό πεδίο. Αποδεικνύεται πως πρόκειται για  μικροσκοπικό ηλεκτρομαγνήτη.

ΠΟΙΑ ΥΛΙΚΑ

Τον διαχωρισμό των υλικών που - παρουσία ή μη εξωτερικού μαγνητικού πεδίου- εμφανίζουν μαγνητικές ιδιότητες  σε σιδηρομαγνητικά, διαμαγνητικά, παράμαγνητικά , αντισηδηρομαγνητικά, σιδηρίμαγνητικά (μικρομαγνήτες) τον έδωσε ο Michael Faraday το 1848

Η εμφάνιση ή όχι μαγνητικών ιδιοτήτων σε υλικά ξεκινά από την ατομική αλλά και μοριακή τους δομή, όπως και από την παρουσία ελεύθερων  ηλεκτρονίων στην ύλη τους, σχετίζεται με την μαγνητική τους ροπή και εξαρτάται από την διάταξη των μαγνητικών ροπών του υλικού

Οι μαγνητικές ιδιότητες σε ορισμένα από τα υλικά αυτά υπάρχουν άσχετα με την παρουσία μαγνητικού πεδίου ορισμένης Έντασης Β (σιδηρομαγνητικά) ενώ σε άλλα η εμφάνιση μαγνητικών ιδιοτήτων εξαρτάται από την παρουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου με όριο έντασης Β

Οφείλονται στην μαγνητική ροπή των ατόμων ιόντων ακόμη και ηλεκτρονίων τους 

ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑ (μ permeability)

Η μαγνητική διαπερατότηα χαρακτηρίζει τις μαγνητικές  ιδιότητες των υλικών τα οποία, βάσει αυτής, χαρακτηρίζονται σε σιδηρομαγνητικά, παραμαγνητικά, διαμαγνητικά

Είναι καθαρός αριθμός και αποτελεί το μέτρο της ικανότητας μαγνήτισης των υλικών και είναι ο λόγος της Έντασης της Μαγνητικής Επαγωγής προς την Ένταση του μαγνητικού πεδίου σε ένα σημείο του χώρου 

Η μαγνητική Διαπερατότητα του κενού είναι μο = 4π*10^-7.

ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ (ΕΠΙ)ΔΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ ( x magnetic susceptibility)

Εφόσον σε πολλές περιπτώσεις η εμφάνιση μαγνητικών ιδιοτήτων σε υλικά, μόνιμων ή παροδικών εξαρτάται από ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο,

 εισάγουμε το μέγεθος μαγνητική δεκτικότητα αντί για τον απλούστερο όρο μαγνητική ροπή.

Μαγνητική δεκτικότητα είναι μια φυσική ποσότητα που εκφράζει τη σχέση μεταξύ της μαγνητικής ροπής μιας μονάδας όγκου μαγνήτισης και της έντασης του μαγνητικού πεδίου. Είναι ο λόγος της Μαγνήτισης προς την Ένταση του Μαγνητικού πεδίου

 και οι τιμές της  κυμαίνονται από -1 έως άπειρο.

Αρνητικές τιμές δείχνου ότι το υλικό είναι διαμαγνητικό και διαμορφώνει μαγνητικό πεδίο αντίστροφο του εξωτερικού

Τα παραμαγνητικά υλικά έχουν θετική μαγνητική δεκτικότητα ενώ τα διαμαγνητικά υλικά έχουν αρνητική μαγνητική δεκτικότητα

ΣΙΔΗΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ

Κάποια άτομα συμβαίνει να έχουν σταθερό spin ή τροχιακή στροφορμή που οφείλεται σε ελλειπή (ασυμπλήρωτα) εσωτερικά κελύφη ηλεκτρονίων.

Είναι κυρίως στοιχεία μεταπτώσεως του περιοδικού πίνακα. Αυτό συμβαίνει γιατί τα στοιχεία αυτά διαθέτουν μονήρη ηλεκτρόνια που αυξάνουν την μαγνητική ροπή.

Στα στοιχεία αυτά συμπληρώνεται πρώτα η εξωτερική s υποστοιβάδα και το κάθε επόμενο ηλεκτρόνιο τοποθετείται σε εσωτερική στοιβάδα που συμβαίνει να είναι χαμηλότερης ενέργειας.

 Αυτό μπορεί να συμβεί επειδή κατά την πλήρωση των υποστοιβάδων σε μεγάλες στοιβάδες, κάποιες  υποστοιβάδες να έχουν μικρότερη ενέργεια από άλλες εσωτερικές τους και οι τελευταίες να μένουν ασυμπλήρωτες.

1s<2s< 2p< 3s<3p< 4s<= 3d < 4p< 5s= 4d< 5p < 6s =4f =5d< 6p <7s  

Παράδειγμα στο Νικέλιο, συμπληρώνεται η 4s πρώτα και μετά η 3d

 Αυτές οι ουσίες αποτελούν τους

Σιδηρομαγνήτες που  είναι ουσίες σε μεταλλική ή άμορφη κατάσταση που έχουν μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια και κάτω από μια ορισμένη κρίσιμη θερμοκρασία (Κιουρί) , οι μαγνητικές ροπές των ατόμων τους οι οποίες είναι παράλληλες μεταξύ τους ή βρίσκονται  μια ορισμένη διάταξη έχουν σαν αποτέλεσμα , να  εμφανίζει το υλικό μεγάλη μαγνήτηση και

αυθόρμητες μαγνητικές ιδιότητες, ώστε δημιουργούνται μόνιμοι μαγνήτες (σιδηρομαγνήτες), απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου

Είναι τα μεταβατικά στοιχεία

 σίδηρο   Fe  3 d μέταλλα)   μ=0 , , κοβάλτιο Co  3 d μέταλλα  μ=+4,6485 ,  νικέλιο  Ni  3 d μέταλλα

 αλλά κυρίως τα περισσότερα κράματά τους καθώς και κάποια άλατα όπως ο μαγνητιτης 

 Εάν έχουν όμως    μ< 0,25 μπορούν να καταταγούν στα παραμαγνητικά στοιχεία 

Σημαντικοί μαγνήτες αποδείχθηκαν αυτοί από  και τα μέταλλα σπάνιων γαιών κυρίων λανθανίδων 

 Γανδόλιο   Gd  3η ομάδα 6ης περιόδου

 Τέρβιο Tb  3η ομάδα 6ης περιόδου

 Δυσπρόσιο Dy 3η ομάδα 6ης περιόδου

 Χόλμιο Ho  3η ομάδα 6ης περιόδου

 Έρβιο Er  3η ομάδα 6ης περιόδου

Παράδειγμα το Δυσπρόσιο έχει ελεύθερα ηλεκτρόνια δύο στοιβάδες κάτω (4f) από την εξωτερική (6s)

Τα σιδηρομαγνητικά υλικά κατατάσσονται σε μαλακά σιδηρομαγνητικά υλικά και σκληρά σιδηρομαγνητικά υλικά

Συγκεκριμένα, στοιχεία μεταπτώσεως όπως ο σίδηρος, το νικέλιο, το κοβάλτιο, το χρώμιο έχουν σιδηρομαγνητικές ιδιότητες. Τα στοιχεία αυτά έχουν  στην 3d υποστοιβάδα ηλεκτρόνια, των οποίων οι μαγνητικές ροπές (spin) δεν  αλληλοαναιρούνται  ούτε  δίνουν ένα πολύ μικρό άθροισμα. 

Ισχυρές δυνάμεις στο υλικό ,  δημιουργούν μαγνητικές περιοχές (περιοχές Weiss ) όπου οι μαγνητικές ροπές γειτονικών ατόμων είναι ομοιόμορφα προσανατολισμένες . Δηλαδή κάθε περιοχή έχει μια μαγνήτιση, όμως αυτό δεν σημαίνει απαραίτητα ότι η κάθε περιοχή έχει την ίδια κατεύθυνση μαγνήτισης. Υπάρχουν μέταλλα όπως ο σίδηρος, στα οποία ο διαφορετικός προσανατολισμός των περιοχών αυτών να έχει σαν αποτέλεσμα να μην εμφανίζει συνολικά το υλικό μαγνητικές ιδιότητες γιατί αλληλοαναιρούνται . Μαγνητικές ιδιότητες εμφανίζονται όταν τα υλικά αυτά έρθουν κάτω από την επίδραση ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.

Η μαγνητική Διαπερατότητα στα σιδηρομαγνητικά υλικά είναι πολύ μεγαλύτερη της μονάδας

Σε ορισμένα (σκληρα σιδηρομαγνητικά) από αυτά οι μαγνητικές ιδιότητες παραμένουν και μετά την απομάκρυνση του εξωτερικού πεδίου και μετατρέπονται σε μόνιμους μαγνήτες  

όπως κράματα σιδήρου- νικελίου- κοβαλτίου ή κάποια οξείδια του σιδήρου σε ανάμειξη με άλλα βασικά οξείδια μετάλλων όπως   MgOFe ₂ O ₃ 

NiOFe ₂ O _3  κ.α

    Άλλα όμως (μαλακά σιδηρομαγνητικά)  χάνουν συν τω χρόνω τις ιδιότητες αυτές όταν το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο απομακρυνθεί (όπως ο ανοπτημένος σίδηρος)

 ΠΑΡΑΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ

Παραμαγνητικά υλικά είναι ουσίες που περιέχουν  άτομα ή μόρια που έχουν  μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια και αποτελούν στοιχειώδεις μαγνήτες που προσανατολίζονται  και   εμφανίζουν μαγνητικές ιδιότητες μόνο με την παρουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου και προς την κατεύθυνση του πεδίου αυτού.

Χωρίς εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, τα παραμαγνητικά υλικά δεν μαγνητίζονται γιατί λόγω της θερμικής κίνησης οι μαγνητικές ροπές των ατόμων τους προσανατολίζονται εντελώς τυχαία και δεν παρουσιάζουν συνολική μαγνητική ροπή, 

Με την επίδραση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου οι επιμέρους μαγνητικές τους ροπές προσανατολίζονται στην κατεύθυνση του πεδίου και έτσι δημιουργείται πεδίο μεγαλύτερης έντασης του αρχικού.

Η μαγνητική Διαπερατότητα στα παράμαγνητικά υλικά είναι μεγαλύτερη της μονάδας

Παραμαγνητικά υλικά είναι το Αλουμίνιο, η Πλατίνα, το Σαμάριο, και πολλά άλλα μέταλλα αλκαλίων και αλκαλικών γαιών και κράματα, το Οξυγόνο, το μονοξείδιο του Αζώτου, το οξείδιο του Μαγγανίου, ο χλωριούχος σίδηρος κ.λ.π.

ΔΙΑΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ

Διαμαγνητικά υλικά είναι ουσίες που δεν περιέχουν στα άτομα ή μόρια αυτών μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια, δεν παρουσιάζουν μόνιμη μαγνητική ροπή και δεν  εμφανίζουν μαγνητικές ιδιότητες με την παρουσία εσωτερικού μαγνητικού πεδίου

Είναι υλκκά που στα άτομά τους έχουν συμπληρωμένα κελύφη ηλεκτρονίων. Αρχικά είναι τα Αδρανή αέρια 

Η μαγνητική Διαπερατότητα στα διαμαγνημαγνητικά υλικά είναι μικρότερη της μονάδας

Το χαρακτηριστικό όμως είναι ότι εάν βρεθούν κάτω από την επίδραση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου η διαμαγνητική ουσία αποκτά μαγνητική επιδεκτικότητα  που εξαρτάται από την κατεύθυνσση του εξωτερικού πεδίου.  είναι αντίθετες και προς την κατεύθυνση του πεδίου αυτού.

Επομένως η αρχική Ένταση του μαγνητικού πεδίου μειώνεται.

Παραδείγματα διαμαγνητικών υλικών είναι το ξύλο και το γυαλί

Σαν τέλειοι διαμαγνήτες θεωρούνται και οι υπεραγωγοί που είναι ορισμένα υλικά όπως κράματα , κεραμικά κ.α. τα οποία κάτω από μια ορισμένη θερμοκρασία δεν παρουσιάζουν καμμία αντίσταση στην διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος. 

Οι υπεραγωγοί μπορούν να εξαλείψουν εντελώς ένα μαγνητικό πεδίο, ασθενέσθερο μιας κρίσιμης τιμής

Θυμόμαστε ότι, 

 στο άτομο, το σύνολο των μαγνητικών ροπών οφείλεται: α. στην περιστροφή των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα (μικρή σχετικά) και β. κυρίως γύρω από τον εαυτό τους (η μεγαλύτερη ,spin) - και γ. την μαγνητική ροπή του πυρήνα ( ελάχιστη, αμεληταία). 

Η  διάταξη των ηλεκτρονίων στις υποστοιβάδες έχει σαν αποτέλεσμα η συνολική μαγνητική ροπή των ατόμων του υλικού να παίρνει σγκεκριμένες τιμές ώστε να έχουμε σαν τελικό αποτέλεσμα μαγνητικά φαινόμενα.

Δήμητρα Σπανού

ΠΗΓΕΣ

https://users.ntua.gr/eglytsis/EM_B/Magnetic_Materials_p.pdf΄

https://wissenstexte.de/physik/magnetismus.htm

Σιδηρομαγνήτες - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)

Παραμαγνήτες - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)

Лучшие материалы - Что такое парамагнетизм и диамагнетизм (game-fans.ru)

Μαγνητική ευαισθησία - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)

https://k-tree.ru/tools/chemistry/periodic.php?element=Dy

ακατέργαστο