Paramagnetismo: cause, materiali paramagnetici, esempi e differenze con il diamagnetismo
Il paramagnetismo è una forma di magnetismo in cui determinati materiali sono debolmente attratti da un campo magnetico esterno e formano campi magnetici interni indotti nella direzione del campo magnetico applicato.
Contrariamente a quanto spesso pensano molte persone, le proprietà magnetiche non si riducono solo alle sostanze ferromagnetiche. Tutte le sostanze hanno proprietà magnetiche, anche se in una forma più debole. Queste sostanze sono chiamate paramagnetiche e diamagnetiche.
In questo modo si possono distinguere due tipi di sostanze: paramagnetica e diamagnetica. In presenza di un campo magnetico, i paramagnetici sono attratti verso l'area in cui l'intensità del campo è maggiore. D'altra parte, quelli diamagnetici sono attratti dalla regione del campo in cui l'intensità è più bassa.
Quando in presenza di campi magnetici, i materiali paramagnetici sperimentano lo stesso tipo di attrazione e repulsione vissuta dai magneti. Tuttavia, quando il campo magnetico scompare, l'entropia termina l'allineamento magnetico che è stato indotto.
In altre parole, i materiali paramagnetici sono attratti dai campi magnetici, sebbene non vengano trasformati in materiali permanentemente magnetizzati. Alcuni esempi di sostanze paramagnetiche sono: aria, magnesio, platino, alluminio, titanio, tungsteno e litio, tra gli altri.
cause
Il paramagnetismo è dovuto al fatto che alcuni materiali sono costituiti da atomi e molecole che hanno momenti magnetici permanenti (o dipoli), anche quando non sono in presenza di un campo magnetico.
I momenti magnetici sono originati dagli spin degli elettroni spaiati di metalli e altri materiali che possiedono proprietà paramagnetiche.
Nel puro paramagnetismo i dipoli non interagiscono tra loro, ma sono orientati casualmente in assenza di un campo magnetico esterno come conseguenza dell'agitazione termica. Questo genera un momento magnetico nullo.
Tuttavia, quando viene applicato un campo magnetico, i dipoli tendono ad allinearsi con il campo applicato, determinando un momento magnetico netto nella direzione di detto campo e l'aggiunta al campo esterno.
In ogni caso, l'allineamento dei dipoli può essere neutralizzato dall'effetto della temperatura.
In questo modo, quando il materiale viene riscaldato, l'agitazione termica è in grado di contrastare l'effetto che il campo magnetico ha sui dipoli e i momenti magnetici sono riorientati in modo caotico, riducendo l'intensità del campo indotto.
La legge di Curie
La legge di Curie fu sviluppata sperimentalmente dal fisico francese Pierre Curie nell'anno 1896. Può essere applicata solo quando si verificano alte temperature e la sostanza paramagnetica è in presenza di campi magnetici deboli.
Questo perché non riesce a descrivere il paramagnetismo quando una grande parte dei momenti magnetici sono allineati.
La legge afferma che la magnetizzazione del materiale paramagnetico è direttamente proporzionale all'intensità del campo magnetico applicato. È ciò che è noto come legge di Curie:
M = X ∙ H = CH / T
Nella formula precedente M è la magnetizzazione, H è la densità di flusso magnetico del campo magnetico applicato, T è la temperatura misurata in gradi Kelvin e C è una costante che è specifica per ciascun materiale ed è chiamata costante di Curie.
Dall'osservazione della legge di Curie segue anche che la magnetizzazione è inversamente proporzionale alla temperatura. Per questo motivo, quando il materiale viene riscaldato, i dipoli e i momenti magnetici tendono a perdere l'orientamento acquisito dalla presenza del campo magnetico.
Materiali paramagnetici
I materiali paramagnetici sono tutti quei materiali con permeabilità magnetica (capacità di una sostanza di attrarla o farla passare attraverso un campo magnetico) simile alla permeabilità magnetica del vuoto. Tali materiali mostrano un livello trascurabile di ferromagnetismo.
In termini fisici, si afferma che la sua permeabilità magnetica relativa (quoziente tra la permeabilità del materiale o del mezzo e la permeabilità del vuoto) è approssimativamente uguale a 1, che è la permeabilità magnetica del vuoto.
Tra i materiali paramagnetici c'è un particolare tipo di materiali che viene chiamato superparamagnetico. Sebbene seguano la legge di Curie, questi materiali hanno un valore costante di Curie piuttosto alto.
Differenze tra paramagnetismo e diamagnetismo
Fu Michael Faraday che, nel settembre del 1845, realizzò che in realtà tutti i materiali (non solo i ferromagneti) reagivano alla presenza di campi magnetici.
In ogni caso, la verità è che la maggior parte delle sostanze ha carattere diamagnetico, dal momento che coppie di elettroni accoppiati - e, quindi, con spin opposto - preferiscono leggermente il diamagnetismo. Al contrario, solo quando ci sono elettroni spaiati si verifica il diamagnetismo.
Sia i materiali paramagnetici che quelli diamagnetici hanno una debole suscettibilità ai campi magnetici, ma mentre nel primo caso è positivo in quest'ultimo, è negativo.
I materiali diamagnetici sono leggermente respinti da un campo magnetico; D'altra parte, i paramagnetici sono attratti, anche se con poca forza. In entrambi i casi, quando il campo magnetico viene rimosso, gli effetti della magnetizzazione scompaiono.
Come è già stato detto, la stragrande maggioranza degli elementi che compongono la tavola periodica sono diamagnetici. Quindi, esempi di sostanze diamagnetiche sono acqua, idrogeno, elio e oro.
applicazioni
Poiché i materiali paramagnetici hanno un comportamento simile al vuoto in assenza di un campo magnetico, le loro applicazioni nell'industria sono in qualche modo ridotte.
Una delle applicazioni più interessanti del paramagnetismo è la risonanza paramagnetica elettronica (RPE), che è ampiamente utilizzata in fisica, chimica e archeologia. È una tecnica spettroscopica con la quale è possibile rilevare specie con elettroni spaiati.
Questa tecnica viene applicata nelle fermentazioni, nella produzione industriale di polimeri, per l'usura degli olii motore e nella produzione di birre, tra le altre aree. Allo stesso modo, questa tecnica è ampiamente usata nella datazione di resti archeologici.
