Was ist Paramagnetismus?

Der Paramagnetismus wurde von Michael Faraday entdeckt, der feststellte, dass die meisten Elemente ein gewisses Maß an Paramagnetismus aufweisen. Es handelt sich um eine Form des Magnetismus, die von einem von außen aktivierten Magnetfeld schwach angezogen wird. Paramagnetische Materialien sind Materialien,

Paramagnetische Materialien sind Materialien, die permanente atomare Dipole besitzen, die linear (parallel) in Richtung eines äußeren Feldes angeordnet sind. Sie haben eine positive Suszeptibilität; das heißt, wenn das Magnetfeld verschwindet, verlieren diese Materialien alle ihre magnetischen Eigenschaften. Auf der anderen Seite gibt es auch ungepaarte Elektronen und andere fehlende Elektronen finden.

Der Pauli-Paramagnetismus tritt bei der Leitung auf, unabhängig von der Temperatur. Das Pauli-Ausschlussprinzip besagt, dass es von einem Atom nicht 2 Elektronen geben kann, die die gleichen 4 Quantenzahlen haben, d.h. es müssen entgegengesetzte Spins vorhanden sein.

Merkmale des Paramagnetismus

Paramagnetische Materialien können von einem anderen Magneten angezogen werden. Sie können allerdings kein anderes paramagnetisches Material anziehen.Ihre positive Suszeptibilitätist sehr gering und liegt zwischen 10^-6 und 10^-2.

Im Gegensatz zum Diamagnetismus werden paramagnetische Materialien durch die Temperatur beeinflusst. Wenn also die Temperatur steigt, nimmt die Ordnung der magnetischen Momente der Atome ab. Diese Temperatur wird durch das Curie'sche Gesetz ausgedrückt.

X =C/T

X = magnetische Suszeptibilität

C = die Curie-Konstante (jedes Material hat eine andere Konstante)

T = absolute Temperatur (K)

Ein weiterer Faktor, der zu berücksichtigen ist, ist die Magnetisierung (M), die von der Feldstärke abhängt

M = XH

Paramagnetismus im Periodensystem

Um zu wissen, ob ein Material paramagnetisch ist oder nicht, muss man, wie beim Diamagnetismus, die elektronische Konfiguration des betreffenden Materials kennen. Im Falle des Paramagnetismus sind die Elektronen ungepaart.

Zum Beispiel Aluminium:

Aluminium hat drei Elektronen in der Valenzschale, also ein ungepaartes Elektron, was, wie wir gelesen haben, bedeutet, dass es ein paramagnetisches Material ist.

Um festzustellen, ob ein Material paramagnetisch ist oder nicht, muss man sich die Valenzschicht ansehen (die letzte Schicht, wenn diese ungepaart ist, ist sie paramagnetisch, d. h. paramagnetische Elemente haben eine ungerade Anzahl von Elektronen).

Die Valenzschale ist die letzte Schale. Im Periodensystem besteht es aus 18 Gruppen und 7 Perioden. Jeder Wechsel in der Periode, ist ein wechsel in der Ebene.

Was ist Diamagnetismus?

Diamagnetismus ist eine Eigenschaft, die ein Magnet besitzt, wenn die Magnetisierung in der dem Magnetfeld entgegengesetzten Richtung schwach ist In diesem Fall kann man beobachten, dass ein Material mit dieser Eigenschaft, also ein diamagnetisches Material, von einem Magneten abgestoßen wird.

Im Jahr 1778 stellte Sebald Justinus Brugmans als Erster fest, dass zwei Materialien (Wismut und Antimon) der Anziehung durch Magnetfelder widerstehen.

Der Diamagnetismus wurde 1845 von Michael Faraday durch ein negatives Ergebnis des Faraday-Experiments entdeckt, was wiederum zur zum Lenzschen Gesetz führte. Die Beschleunigung des äußeren Magnetfeldes verlangsamt die Elektronen, sodass sie sich der Wirkung des äußeren Feldes widersetzen und dieses abschwächen.

Eigenschaften des Diamagnetismus

Wie alle anderen magnetischen Materialien hat auch der Diamagnetismus mehrere Eigenschaften:

• Kann in flüssiger, fester oder gasförmiger Form vorliegen

• Relative magnetische Permeabilität von weniger als 1

• Negative magnetische Induktion und Suszeptibilität.

• Wird nicht durch die Temperatur beeinflusst .

• Sobald das äußere Magnetfeld entfernt wird, kann das Material seine magnetischen Eigenschaften nicht mehr beibehalten.

Woher weiß man, ob ein Material diamagnetisch ist oder nicht?

Um zu wissen, ob ein Material diamagnetisch ist oder nicht, müssen wir seine elektronische Konfiguration unter die Lupe nehmen, genauer gesagt, müssen wir beobachten, ob die Elektronen ungepaart sind oder nicht. Sind die Elektronen ungepaart, so ist das Material paramagnetisch, sind die Elektronen gepaart, so ist es diamagnetisch.

Die Elektronenkonfiguration ist die Art und Weise, wie die Elektronen innerhalb eines Atoms verteilt sind, wobei es verschiedene Schichten gibt. Die Energieniveaus werden in Stufen von 1 bis 7 unterteilt. Innerhalb eines jeden Niveaus gibt es 4 Unterniveaus: s, p, d und f.

Jedes Unterniveau hat eine maximale Anzahl von Elektronen.

Unterniveau	Nº elektronen
Unterniveau s	2 Elektronen
Unterniveau p	6 Elektronen
Unterniveau d	10 Elektronen
Unterniveau f	14 Elektronen

Beispiele für diamagnetische Elemente:

Die bekanntesten diamagnetischen Materialien sind: Bismut, Helium, Wasserstoff, Edelgase, Gold, Kupfer, Bronze....

Bismut beispielsweise hat die folgende elektronische Konfiguration:

Bi = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p³

Da es die Ordnungszahl 83 hat und zur Gruppe 15 gehört, können wir die atomare Struktur und die Kristallstruktur erkennen.

Das Faradaysche Gesetz und das Lenzsche Gesetz

Michael Faraday war ein in Großbritannien geborener Physiker und Chemiker. Im Jahr 1831 entdeckte er nach mehreren Experimenten die elektromagnetische Induktion. Damals wurde festgestellt, dass ein elektrisches Feld aus einem variablen Magnetfeld erzeugt werden kann. Dieses Ereignis war der Auslöser für das Faraday'sche Gesetz und das Lenz'sche Gesetz.

Das Faraday'sche Gesetz - oder auch Faradaysches Gesetz der Elektrolyse - bezeichnet die Menge an Masse, die proportional zu einer gewissen Elektrizität ist.

Das Faraday'sche Gesetz besagt, dass die induzierte Spannung an einer Spule direkt proportional zu der Geschwindigkeit ist, mit der sich der magnetische Fluss pro Zeiteinheit auf einer Fläche neben dem Stromkreis ändert. In dem Moment, in dem der Strom eingeleitet wird, zeigt das Magnetfeld der Spule einen Widerstand gegen die Änderung des Flusses. Das negative Vorzeichen des Faradayschen Gesetzes zeigt die Richtung des induzierten Stroms an, auch bekannt als Lenzsches Gesetz.

Neben dem Faraday'schen Gesetz gibt es das Lenz'sche Gesetz, das im Gegensatz zum Faraday'schen Gesetz die Richtung angibt, in die der Strom fließt, und die Richtung festlegt, in der er einen Änderungswiderstand erzeugt. Das heißt, dass durch den induzierten Strom erzeugte Magnetfeld fließt in die entgegengesetzte Richtung zu dem Feld, das im ursprünglichen Feld vorhanden war.

Wie werden das Faradaysche und Lenzsche Gesetz berechnet?

Wie wir oben gesehen haben, basiert das Faraday'sche Gesetz auf der Spannung, die folgendermaßen dargestellt wird:FEM (Ɛ).

FEM (Ɛ) = N · (∆ϕ/∆t)

FEM (Ɛ) = Spannung der Spule

N = Anzahl der Windungen der Spule

dΦ = Änderung des magnetischen Flusses

dt = Zeitablauf (∆t à 0)

Um das Lenz'sche Gesetz zu erhalten, müssen wir nur das Vorzeichen der Berechnung in ein negatives ändern, da sich das Lenz'sche Gesetz aufgrund seiner Definition auf den Widerstand gegen die Veränderung des Flusses bezieht. Die Formel für den Wert dieses Widerstands lautet also:

VƐ = - N · (∆ϕ/∆t)

Anwendungsgebiete im Alltag

Das Faraday'sche Gesetz und das Lenz'sche Gesetz haben viele Anwendungen unter anderem alle, die mit Elektrotechnik zu tun haben. Wir können diese Gesetze aber auch im Alltag auf verschiedene Weise anwenden, zum Beispiel in:

• Stromerzeugern

• Elektromotoren

• Magnetischen Bremsen

• Induktionsherden

Was ist ein Widerstandsmagnet?

Der Widerstandsmagnet ist eine Art Elektromagnet, der für hohe Stromwerte und Spulenkühlung vorgesehen ist. Im Gegensatz zu Dauermagneten lassen sich Elektromagnete jederzeit ein- und ausschalten, man muss sie nur vom Stromnetz trennen. Andererseits haben Widerstandsmagnete eine höhere Intensität als Dauermagnete.

Widerstandsmagnete können in Magnete mit Eisenkern oder Luftkern unterteilt werden:

• Widerstandsmagnet mit Eisenkern: vertikales Magnetfeld

• Widerstandsmagnet mit Luftkern: horizontales Magnetfeld

Widerstandsmagnete verlieren keine elektrische Energie, wenn der Strom durch die Spule zu fließen beginnt. Der Strom fließt dann weiter, ohne dass eine externe Quelle benötigt wird.

So funktionieren Widerstandsmagnete

Widerstandsmagnete funktionieren auf die gleiche Weise wie supraleitende Magnete. Im Gegensatz zu supraleitenden Magneten benötigen Widerstandsmagnete allerdings mehr Strom.

Widerstandsmagnete benötigen starken elektrischen Strom, der durch 4 bis 6 Spulen fließt, die ein statisches Magnetfeld erzeugen. Die Bewegung dieses Stroms verursacht einen Temperaturanstieg und muss gleichzeitig durch Wasserkühlelemente geleitet werden. Im Gegensatz zu anderen Magneten haben Widerstandsmagnete niedrigere Produktionskosten, obwohl sie mehr Strom benötigen Ihr geringer Wirkungsgrad ist auf den Abkühlungsprozess zurückzuführen, der bei niedrigen Temperaturen den Widerstand des Drahtes verringert, was den Strombedarf senkt und somit wirtschaftlicher ist.

Für welche Anwendungen werden Widerstandsmagnete eingesetzt?

Widerstandsmagnete werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt und am häufigsten in MRT-Systemen, wegen der hohen Felder dieser Magnete mit einer Feldstärke von 0,3 Tesla, die theoretisch 5 MV verbrauchen würde. MRT-Systeme sind Magnetresonanztomographen, die mithilfe von Magneten die inneren Organe des Körpers untersuchen, um Infektionen, Tumoren usw. vorzubeugen oder zu behandeln. Je nach dem zu behandelnden Bereich gibt es MRT-Systeme für den Brustkorb, die Lendenwirbelsäule und den Bauchraum. Eine weitere häufigere Verwendung in unserem täglichen Leben ist die Verwendung von Kupferplattenbatterien.