Paramagnetismus bezieht sich auf eine Eigenschaft bestimmter Materialien, die schwach von Magnetfeldern angezogen werden. Wenn sie einem externen Magnetfeld ausgesetzt werden, bilden sich in diesen Materialien intern induzierte Magnetfelder, die in der gleichen Richtung wie das angelegte Feld angeordnet sind. Sobald das angelegte Feld entfernt ist, verlieren die Materialien ihren Magnetismus, wenn die thermische Bewegung die Elektronenspinorientierungen randomisiert.
Materialien, die Paramagnetismus zeigen, werden als paramagnetisch bezeichnet. Einige Verbindungen und die meisten chemischen Elemente sind unter bestimmten Umständen paramagnetisch. Echte Paramagnete zeigen jedoch eine magnetische Suszeptibilität gemäß den Curie- oder Curie-Weiss-Gesetzen und zeigen Paramagnetismus über einen weiten Temperaturbereich. Beispiele für Parameter sind der Koordinationskomplex Myoglobin, Übergangsmetallkomplexe, Eisenoxid (FeO) und Sauerstoff (O.2). Titan und Aluminium sind metallische Elemente, die paramagnetisch sind.
Superparamagnete sind Materialien, die eine paramagnetische Nettoreaktion zeigen, jedoch auf mikroskopischer Ebene eine ferromagnetische oder ferrimagnetische Ordnung aufweisen. Diese Materialien entsprechen dem Curie-Gesetz, haben jedoch sehr große Curie-Konstanten. Ferrofluide sind ein Beispiel für Superparamagnete. Feste Superparamagnete werden auch als Mictomagnete bezeichnet. Die Legierung AuFe (Gold-Eisen) ist ein Beispiel für einen Miktomagneten. Die ferromagnetisch gekoppelten Cluster in der Legierung gefrieren unterhalb einer bestimmten Temperatur.
Wie Paramagnetismus funktioniert
Paramagnetismus resultiert aus der Anwesenheit von mindestens einem ungepaarten Elektron Spin in den Atomen oder Molekülen eines Materials. Mit anderen Worten, jedes Material, das Atome mit unvollständig gefüllten Atomorbitalen besitzt, ist paramagnetisch. Der Spin der ungepaarten Elektronen gibt ihnen ein magnetisches Dipolmoment. Grundsätzlich wirkt jedes ungepaarte Elektron als winziger Magnet im Material. Wenn ein externes Magnetfeld angelegt wird, richtet sich der Spin der Elektronen nach dem Feld aus. Da alle ungepaarten Elektronen gleich ausgerichtet sind, wird das Material vom Feld angezogen. Wenn das externe Feld entfernt wird, kehren die Drehungen zu ihren zufälligen Ausrichtungen zurück.
Die Magnetisierung folgt ungefähr Curies Gesetz, der besagt, dass die magnetische Suszeptibilität χ umgekehrt proportional zur Temperatur ist:
M = χH = CH / T.
Dabei ist M die Magnetisierung, χ die magnetische Suszeptibilität, H das Hilfsmagnetfeld, T die absolute (Kelvin) Temperatur und C die materialspezifische Curie-Konstante.
Arten von Magnetismus
Magnetische Materialien können als zu einer von vier Kategorien gehörend identifiziert werden: Ferromagnetismus, Paramagnetismus, Diamagnetismus und Antiferromagnetismus. Die stärkste Form des Magnetismus ist der Ferromagnetismus.
Ferromagnetische Materialien weisen eine magnetische Anziehungskraft auf, die stark genug ist, um gefühlt zu werden. Ferromagnetische und ferrimagnetische Materialien können über die Zeit magnetisiert bleiben. Übliche Magnete auf Eisenbasis und Seltenerdmagnete zeigen Ferromagnetismus.
Im Gegensatz zum Ferromagnetismus sind die Kräfte des Paramagnetismus, Diamagnetismus und Antiferromagnetismus schwach. Beim Antiferromagnetismus richten sich die magnetischen Momente von Molekülen oder Atomen in einem Muster aus, in dem sich Nachbarn befinden Elektronenspins zeigen in entgegengesetzte Richtungen, aber die magnetische Ordnung verschwindet oberhalb einer bestimmten Temperatur.
Paramagnetische Materialien werden schwach von einem Magnetfeld angezogen. Antiferromagnetische Materialien werden ab einer bestimmten Temperatur paramagnetisch.
Diamagnetische Materialien werden durch Magnetfelder schwach abgestoßen. Alle Materialien sind diamagnetisch, aber eine Substanz wird normalerweise nicht als diamagnetisch bezeichnet, es sei denn, die anderen Formen des Magnetismus fehlen. Wismut und Antimon sind Beispiele für Diamagnete.