פאראמגנטיות

פאראמגנטיות היא צורה של מגנטיות המתרחשת רק בנוכחות של שדה מגנטי חיצוני. חומרים פאראמגנטיים נמשכים לשדות מגנטיים, ולפיכך יש להם פרמיאביליות מגנטית גדולה מאחד (או, באופן שווה ערך, סוספטיביליות מגנטית חיובית). אולם, בניגוד לפרומגנטים שנמשכים גם כן לשדות מגנטיים, פאראמגנטים אינם שומרים על המגנטיזציה בהיעדר שדה מגנטי חיצוני שמופעל עליהם.

איור פשוט של גלאי פאראמגנטיות הבנוי ממגנטים קטנים

מבוא

לאטומים או מולקולות המהווים חלק מחומרים פאראמגנטיים יש מומנט מגנטי קבוע (דיפולים), גם בהיעדר נוכחות של שדה מגנטי. דבר זה מתרחש בעיקר בגלל נוכחות של אלקטרונים לא מזווגים באורביטלים האטומיים/מולקולאריים.

בפאראמגנטיות טהורה, הדיפולים לא יוצרים קשר אחד עם השני והם מאורגנים באופן אקראי בהיעדר שדה מגנטי חיצוני בעקבות התנועה התרמית הטבעית, והתוצאה של כך היא שנטו המומנט המגנטי הוא אפס.

כאשר מופעל שדה מגנטי, הדיפולים נוטים להיערך כמו השדה המופעל, כך שהתוצאה נטו של המומנט המגנטי היא בכיוון של השדה המופעל. בתיאור קלאסי, ניתן להבין כי סידור זה מתרחש בעקבות המומנט הסיבובי שמופעל על המומנטים המגנטיים על ידי השדה, שמנסה לסדר את הדיפולים במקביל אליו. אולם, ניתן להבין את המוצא האמיתי של הסידור הזה רק באמצעות התכונות הקוונטיות של ספין ושל תנע זוויתי.

אם יש מספיק חילופי אנרגיה בין דיפולים שכנים הם יצרו קשר, ועשויים באופן ספונטני להסתדר או להיות במצב אנטי-מסודר וליצור תחום מגנטי, מה שמסתיים בפרומגנטיות (מגנטים קבועים) או אנטי-פרומגנטיות, באופן עקבי. ניתן לצפות בהתנהגות פאראמגנטית בחומרים פרומגנטיים הנמצאים בטמפרטורה הגבוהה מטמפרטורת קירי שלהם, ובאנטי-פרומגנטים מעל לטמפרטורת ניל שלהם.

באופן כללי, אפקטים פאראמגנטיים הם די קטנים: הסוספטיביליות המגנטית היא בסדר גודל של 10^-3 עד 10^-5 עבור רוב הפאראמגנטים, אבל עשויה להגיע עד 10^-1 עבור פאראמגנטים סינתטיים כגון פרו-נוזלים.

חוק קירי

עבור רמות נמוכות של מגנטיזציה, ניתן לחשב את המגנטיזציה של פאראמגנט בקירוב על ידי חוק קירי:

$\mathbf {M} =C\cdot {\frac {\mathbf {B} }{T}}$

כאשר:

• M היא המגנטיזציה שנגרמת.

• B היא צפיפות השטף המגנטי של השדה המופעל, הנמדדת בטסלה.

• T היא הטמפרטורה המוחלטת, הנמדדת בקלווין.

• C הוא קבוע ספציפי של החומר בשם קבוע קירי.

חוק זה מצביע על כך שהסוספטיביליות של חומרים פאראמגנטיים נמצאת ביחס הפוך לטמפרטורה שלהם. אולם, חוק קירי תקף רק בתנאים של מגנטיזציה נמוכה, כיוון שהוא לא מתחשב ברווית המגנטיזציה שמתרחשת כאשר כל הדיפולים האטומיים מסודרים במקביל (לאחר שהכל מסודר, הגדלת השדה המגנטי החיצוני לא מגדילה את המגנטיזציה כיוון שלא יכול להיות "סידור נוסף").

חומרים פאראמגנטיים

יסודות

יסודות יכולים להיות פאראמגנטים אם יש להם אלקטרונים לא מזווגים. להלן מספר דוגמאות: אלומיניום, בריום, חמצן, פלטינה, נתרן, סטרונציום, אורניום, מגנזיום, טכנציום (מלאכותי) ודיספרוסיום.

תרכובות

הרבה מלחים של קבוצת מתכות מעבר מסוג d ו-f מראים התנהגות פאראמגנטית. להלן מספר דוגמאות: נחושת גופרתית, דיספרוסיום אוקסיד, ברזל כלורידי, ברזל חמצני, הולמיום אוקסיד, מנגן כלורידי.

מקורות

• Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics (Wiley: New York, 1996).
• Neil W. Ashcroft and N. David Mermin, Solid State Physics (Harcourt: Orlando, 1976).
• John David Jackson, Classical Electrodynamics (Wiley: New York, 1999).

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא פאראמגנטיות בוויקישיתוף

• סיווג של חומרים מגנטיים באתר אוניברסיטת ברמינגהאם
• פאראמגנטיות, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)