Paramagnetismus Definition und Beispiele

Paramagnetismus bezieht sich auf eine Eigenschaft bestimmter Materialien, die von Magnetfeldern schwach angezogen werden. Wenn sie einem externen Magnetfeld ausgesetzt werden, bilden sich in diesen Materialien interne induzierte Magnetfelder, die in der gleichen Richtung wie das angelegte Feld angeordnet sind. Sobald das angelegte Feld entfernt ist, verlieren die Materialien ihren Magnetismus, da die thermische Bewegung die Elektronenspinorientierungen zufällig macht.

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 einen Paramagnetismus über einen weiten Temperaturbereich. Beispiele für Paramagnete 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 halten sich an das Curie-Gesetz, haben jedoch sehr große Curie-Konstanten. Ferrofluide sind ein Beispiel für Superparamagnete. Feste Superparamagnete werden auch als Miktomagnete 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 Elektronenspin 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 in ihre zufälligen Ausrichtungen zurück.

Die Magnetisierung folgt ungefähr dem Curie'schen Gesetz, das 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 Temperatur (Kelvin) 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 im Laufe der Zeit magnetisiert bleiben. Gängige Magnete auf Eisenbasis und Seltenerdmagnete weisen Ferromagnetismus auf.

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 benachbarte Elektronenspins in entgegengesetzte Richtungen weisen, die magnetische Ordnung jedoch oberhalb einer bestimmten Temperatur verschwindet.

Paramagnetische Materialien werden von einem Magnetfeld schwach 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.