Pararagnetismo

Spieghiamo cos'è il paramagnetismo, le sue caratteristiche, le applicazioni e forniamo diversi esempi

I momenti magnetici permanenti sono orientati casualmente, ma si allineano con il campo magnetico applicato. Fonte: Wikimedia Commons/F. Zapata.

Cos'è il paramagnetismo?

Lui Pararagnetismo È l'attrazione che alcuni materiali sperimentano in presenza di un campo magnetico esterno. Le sostanze paramagnetiche sono debolmente attratte dalle regioni in cui questo campo è più intenso.

L'origine del paramagnetismo è il movimento degli elettroni nell'atomo, poiché qualsiasi carica elettrica in movimento si comporta come una piccola spira di corrente, generando il proprio campo magnetico.

Il magnetismo dell'elettrone e dell'atomo è caratterizzato attraverso la grandezza vettoriale chiamata Momento magnetico. Gli atomi di materiali paramagnetici hanno momenti magnetici netti, poiché hanno elettroni mancanti, cioè elettroni solitari in un orbitale e il cui momento magnetico netto non è annullato da un altro.

Questo è ciò che accade in alluminio, una sostanza paramagnetica il cui orbitale 3p contiene un singolo elettrone che dà all'atomo il suo momento magnetico netto. Iron, d'altra parte, la cui risposta magnetica è ancora più intensa, ha 4 elettroni mancanti al suo ultimo livello.

Prima di applicare il campo esterno, i momenti magnetici di un materiale sono orientati in modo casuale e quindi la sua magnetizzazione, che è il momento magnetico netto per unità di volume, è nullo. Ma una volta applicato il campo esterno, i momenti magnetici tendono ad essere orientati nella stessa direzione del campo, sebbene l'agitazione termica degli atomi sia opposta, impedendo un allineamento completo.

Quando il materiale viene rimosso dal campo esterno o questo scompare, i momenti magnetici di una sostanza paramagnetica ritornano allo stato iniziale di disturbo. Ma mentre rimangono allineati, la sostanza si comporta come un magnete debole.

Caratteristiche del paramagnetismo

I materiali paramagnetici sono caratterizzati dalla presentazione:

1.- Più strato elettronico esterno parzialmente pieno.

2.- Momenti magnetici netti permanenti, a causa della presenza di elettroni mancanti, il cui momento magnetico non è cancellato con quello di un altro elettrone.

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3.- Momenti magnetici orientati a caso in assenza di un campo magnetico esterno.

4.- Magnetizzazione netta in presenza di un campo esterno, che scompare non appena il campo viene soppresso. Succede che l'allineamento con il campo esterno favorisca lo stato di energia minimo degli elettroni.

5.- Suscettibilità magnetica positiva e piccola: tra 10⁻⁶ e 10⁻². La suscettibilità magnetica è l'indicatore senza dimensioni della facilità della sostanza per magnetizzare in presenza di un campo esterno.

6.- Diminuzione della magnetizzazione con la temperatura. In effetti, i materiali paramagnetici obbediscono alla legge di Curie:

Dove χ è la suscettibilità magnetica, t è la temperatura in Kelvin e C è una costante del materiale.

Applicazioni di paramagnetismo

Risonanza paramagnetica elettronica

Questa tecnica rileva le specie paramagnetiche quando si applica un campo magnetico esterno alle molecole di un solido paramagnetico, in questo modo sono indotti alcuni cambiamenti negli stati di spin, chiamati transizioni.

Successivamente applicando l'energia elettromagnetica nell'intervallo a microonde, è possibile produrre un particolare spettro di assorbimento, chiamato Risonanza di spin elettronica.

Questo spettro consente di studiare molecole di origine organica, come i radicali liberi dall'interazione tra materia organica e radiazioni ionizzanti, offrendo, tra l'altro, preziose informazioni sul danno prodotto da tali radiazioni nei tessuti biologici.

I campioni inorganici possono anche essere analizzati attraverso ioni di metalli di transizione.

Raffreddamento magnetico

Un'applicazione molto interessante di alcuni sali paramagnetici, come nitrato di magnesio, solfato di ferro-ammonio e solfato di ferro-potassio, è nell'area di bassa temperatura.

Quando si applica un campo magnetico esterno variabile, la temperatura di questi sali può variare, il fenomeno noto come Effetto magnetocalico, osservato per la prima volta alla fine del XIX secolo nel ferro metallico. In questo modo, possono essere raggiunte le temperature dell'ordine di 0.01 k.

Campione di incontri

In questa applicazione i principi della risonanza paramagnetica elettronica sono usati per studiare i materiali esposti a radiazioni ionizzanti. Quando un oggetto riceve radiazioni ionizzanti, che possono provenire da minerali radioattivi della crosta terrestre, c'è una traccia, costituita da cariche elettriche intrappolate nei difetti della struttura cristallina del materiale.

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Questa impronta si chiama Centro paramagnetico Ed è rilevabile attraverso tecniche di risonanza paramagnetica elettronica.

È possibile offrire una datazione sapendo che il valore delle cariche elettriche nei centri paramagnetici dipende, sia il tempo in cui il campione è stato esposto alla radioattività e alla dose (energia per unità di massa ricevuta).

In questo modo, i campioni più vecchi possono essere datati rispetto al metodo del radiocarbonio consente, ad esempio, i denti scheletrici dell'era quaternaria, che contengono minerali sensibili alle radiazioni.

Sensori di ossigeno paramagnetici

Sono usati per rilevare la quantità di ossigeno in un campione, poiché l'ossigeno è paramagnetico, cioè è attratto dal campo magnetico di un magnete.

Il sensore è costituito da un magnete che funge da fonte del campo magnetico, due sfere piene di azoto (un materiale non paramagnetico) posizionato su un supporto rotante tra i poli del magnete e uno specchio nel mezzo del supporto.

Un raggio di luce è influenzato dallo specchio, che si riflette verso le cellule fotoelettriche. Una volta che l'ossigeno è attratto dai poli del magnete, c'è una coppia che ruota le sfere con azoto.

Grazie allo specchio, questo movimento viene rilevato dalle celle fotoelettriche, che emettono immediatamente un segnale verso un sistema che genera la corrente elettrica necessaria per contrastare la svolta. Questa corrente è proporzionale alla quantità di ossigeno presente ed è facilmente misurata usando un amperometro.

Vernice paramagnetica automobilistica

Questa vernice per auto fa cambiare il colore all'auto semplicemente premendo un pulsante, grazie a uno speciale polimero che contiene un ossido di ferro paramagnetico.

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Applicando una corrente elettrica, le particelle paramagnetiche sono allineate con il campo in un certo modo, influenzando il modo in cui il polimero si assorbe e riflette la luce, producendo cambiamenti di colore.

Naturalmente, affinché il colore cambi l'auto deve essere accesa. Quando il motore è spento, il suo colore di base è di solito bianco.

Esempi di materiali paramagnetici

I seguenti materiali hanno un comportamento paramagnetico:

Ossigeno (gassoso e liquido)

L'ossigeno liquido aderisce ai pali del magnete. Fonte: Jefferson Lab tramite YouTube.

L'ossigeno è gassoso a temperatura ambiente e uno dei componenti principali dell'atmosfera. Una semplice esperienza in laboratorio mostra che l'ossigeno liquido che viene versato tra i poli di un magnete si accumula in questi.

Solfato cuprico

Questo composto ha applicazioni agricole, come il fungicida, per eliminare i parassiti che colpiscono le colture e come un bene. Un magnete attira facilmente un campione di questo composto.

Alluminio

L'alluminio è un metallo leggero, resistente ed economico con molte applicazioni. Fa parte di veicoli, aeroplani, utensili per la casa ed è molto utilizzato nella costruzione. Anche una palla fatta di foglio di alluminio è attratta da un magnete.

Idrogeno

L'idrogeno atomico è l'elemento più semplice e abbondante nell'universo ed è paramagnetico a causa del momento magnetico netto del suo unico elettrone.

Acciaio austenitico

Uno degli acciai inossidabile più utilizzati è l'acciaio inossidabile austenitico (che contiene austenite, un composto di ferro e carbonio), con proprietà paramagnetiche deboli.

Riferimenti

1. Note di elettromedicina. Sensori: analisi paramagnetica dell'ossigeno. Recuperato da: Pardell.È.
2. Cenam. Misurazione della suscettibilità magnetica. Recuperato da: Cenam.MX.
3. Corso fondamentali per le scienze dei materiali. Recuperato da: UPV.È.
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6. Requena, a. Scienza e tecnica nell'antichità: spin elettronico Paleodood. Recuperato da: um.È.
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8. Smith, w. 1998. Fondamenti di ingegneria dei materiali. McGraw Hill.