Unterschied zwischen Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus

Hauptunterschied - Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus

Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus beziehen sich darauf, wie unterschiedliche Materialien auf Magnetfelder reagieren. Das Hauptunterschied zwischen Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus ist das Diamagnetismus bezieht sich auf eine Art von Magnetismus, der bildet sich im Gegensatz zu einem äußeren Magnetfeld und verschwindet, wenn das äußere Feld entfernt wird; Paramagnetismus bezieht sich auf eine Art von Magnetismus, der bildet sich entlang der Richtung eines äußeren Magnetfelds und verschwindet, wenn das äußere Magnetfeld entfernt wird; Ferromagnetismus bezieht sich auf eine Art von Magnetismus in Materialien, die bildet sich entlang der Richtung des äußeren Magnetfelds und kann verbleiben, wenn das äußere Magnetfeld entfernt wird.

Ursprung des Magnetismus

In der Quantenmechanik haben Elektronen Drehimpuls. Der hier genannte "Drehimpuls" ist eine quantenmechanische Eigenschaft, er kann jedoch als analog zu dem Drehimpuls in der klassischen Physik betrachtet werden, wo Objekte Drehimpulse haben, wenn sie sich in Rotationsbewegung befinden. 

Elektronen weisen zwei Arten von Drehmomenten auf: Drehwinkelmomente und Orbitwinkelmomente. Drehimpuls drehen ist ein intrinsische Eigenschaft von Elektronen, wie ihre Ladung oder Masse. Umlaufender Drehimpuls ist eine Eigenschaft, die Elektronen haben, wenn sie in Atomen sind. Da ist ein magnetisches Moment mit jedem dieser Winkelmomente verbunden. Das magnetische Moment ist eine Eigenschaft, die bewirkt, dass Elektronen eine Kraft erfahren, wenn sie in einem Magnetfeld platziert werden. 

Das magnetische Moment () aufgrund des Spin-Drehimpulses () ist gegeben durch:

woher  und  sind Ladung und Masse eines Elektrons.

Ebenso das magnetische Moment () aufgrund des Umlaufdrehimpulses () Ist gegeben durch:

Was ist Diamagnetismus?

Alle Materialien sind diamagnetisch. Diamagnetismus ist die schwächste der drei verschiedenen Arten von Magnetismus. Wenn ein Material paramagnetisch oder ferromagnetisch ist, werden seine diamagnetischen Wirkungen durch diese beiden anderen Arten von Magnetismus maskiert. In diamagnetischen Materialien werden magnetische Momente der einzelnen Elektronen im Material aufgehoben. Wenn ein diamagnetisches Material unter einem Magnetfeld angeordnet wird, erzeugt das Material ein Magnetfeld, das dem äußeren Magnetfeld entgegenwirkt. Infolgedessen wird das Material durch das äußere Feld abgestoßen. Die folgende Abbildung zeigt beispielsweise einen lebenden Frosch, der mit einem starken Magnetfeld zum Schweben gebracht wurde. Hier zeigt der Körper des Frosches Diamagnetismus:

Aufgrund des Diamagnetismus erzeugt der Frosch ein Magnetfeld, das ihn dazu bringt, das äußere Magnetfeld abzustoßen. Daher "schwimmt".

Was ist Paramagnetismus?

In Materialien, deren Atome ungepaarte Elektronen haben, können sich die magnetischen Momente der einzelnen Elektronen nicht vollständig aufheben, so dass die Atome ein magnetisches Moment haben. Die magnetischen Momente der Atome sind jedoch in zufällige Richtungen ausgerichtet, so dass das Material insgesamt keinen Magnetismus zeigt. Wenn ein solches Material jedoch in einem äußeren Magnetfeld angeordnet ist, können sich die magnetischen Momente der einzelnen Atome mit dem äußeren Magnetfeld ausrichten, wodurch das Material magnetisiert wird. Das von paramagnetischen Materialien erzeugte Magnetfeld zeigt in dieselbe Richtung wie das äußere Magnetfeld. Das Material zeigt nur Magnetismus, solange es sich in einem äußeren Magnetfeld befindet. Wird das äußere Magnetfeld ausgeschaltet, verliert das Material seine Magnetisierung. Zu den paramagnetischen Materialien gehören flüssiger Sauerstoff und bestimmte Metalle. Das Video zeigt die paramagnetische Eigenschaft von flüssigem Sauerstoff:

Was ist Ferromagnetismus?

Atome, aus denen ferromagnetische Materialien bestehen, haben ungepaarte Elektronen in ihren Atomen, sodass jedes Atom ein magnetisches Nettomoment hat. Die magnetischen Momente in der Nähe befindlicher Atome neigen dazu, sich auszurichten und verschiedene Regionen (genannt Domänen) im Material, wo magnetische Momente aufgrund einzelner Atome ausgerichtet sind. Die magnetischen Momente verschiedener Domänen können jedoch immer noch in unterschiedliche Richtungen zeigen. Wenn sich ein ferromagnetisches Material in einem externen Magnetfeld befindet, richten sich die verschiedenen Domänen innerhalb der Magnetfelder alle auf das externe Magnetfeld aus.

Wie die magnetischen Momente verschiedener magnetischer Domänen mit einem externen Magnetfeld ausgerichtet werden, wenn die externe Magnetfeldstärke erhöht wird.

Selbst wenn das äußere Magnetfeld entfernt wird, kann das Material seine Magnetisierung beibehalten. Ferromagnetische Materialien umfassen Eisen, Kobalt, Nickel und deren Legierungen.

Unterschied zwischen Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus

Magnetische Momente einzelner Atome

Im diamagnetisch Materialien haben die einzelnen Atome kein magnetisches Nettomoment.

Im paramagnetisch und ferromagnetisch Jedes Atom hat ein eigenes magnetisches Moment.

Verhalten in äußeren Magnetfeldern

Diamagnetic Materialien richten ihre Magnetfelder entgegengesetzt zu den äußeren Magnetfeldern aus.

Paramagnetisch und ferromagnetisch Materialien richten ihre Magnetfelder in die gleiche Richtung aus wie die äußeren Magnetfelder.

Beibehaltung des Magnetismus

Diamagnetic und paramagnetisch Materialien verlieren ihre Magnetisierung, wenn das äußere Magnetfeld entfernt wird.

Ferromagnetisch Materialien können ihre Magnetisierung beibehalten, auch wenn das äußere Magnetfeld entfernt wird.

Bild mit freundlicher Genehmigung

"Ein lebender Frosch schwebt in der vertikalen Bohrung von Ø32 mm eines bitteren Solenoids in einem Magnetfeld von etwa 16 Tesla am Nijmegen High Field Magnet Laboratory" von Lijnis Nelemans (englische Wikipedia) [CC BY-SA 3.0], über Wikimedia Commons

“Es ist ein Dominikaner, der eine Familie mit einem Magnetfeld und ein Campo Creciente…” von 4lex in der Wikipedia auf Spanisch (Übertragen von es.wikipedia an Commons) [CC BY-SA 3.0] über Wikimedia Commons