Diamagnetisme, paramagnetisme en ferromagnetisme

Schema voor de onderscheiding van ferro-/para-/diamagnetisme

Of een materiaal ferromagnetisch, paramagnetisch of diamagnetisch is kan met het volgende schema snel worden bepaald:

Diamagnetisme, paramagnetisme en ferromagnetisme: Manifestaties van de magnetisatie

Wanneer een materiaal aan een extern magneetveld wordt blootgesteld, ontstaat een magnetisatie van het materiaal. De richting en de sterkte van deze magnetisatie berust op intrinsieke eigenschappen van het materiaal en wordt met de begrippen diamagnetisme, paramagnetisme en ferromagnetisme beschreven. Er zijn nog andere soorten magnetisme bekend (bijv. ferrimagnetisme), waar hier echter niet op wordt ingegaan.

De magnetisatie van materiaal in een extern veld, dus de uitlijning van de elementaire magneten in het materiaal, kan in de tegengestelde of de gelijke richting van het externe magneetveld zijn. Wanneer de magnetisatie tegengesteld aan het externe magneetveld is, dan spreekt men van diamagnetisme. In paramagnetische lichamen is de richting van de magnetisatie hetzelfde als van het externe magneetveld. In ferromagnetische materialen verloopt de magnetisatie in dezelfde richting als het externe magneetveld en vanwege een bezondere interactie van de elektronenspins, de zogenaamde uitwisselingsinteractie, bijzonder sterk. De magnetisatie van ferromagnetische stoffen is bij gelijkblijvend extern magneetveld over het algemeen duidelijk hoger dan de magnetisatie van paramagnetische stoffen. Bij kamertemperatuur zijn echter alleen de elementen ijzer, nikkel en kobalt ferromagnetisch. Daarnaast bestaan er nog ferromagnetische legeringen en verbindingen en ook elementen, die bij lage temperaturen ferromagnetisch worden. Bij heel hoge temperaturen worden alle ferromagnetische stoffen paramagnetisch, omdat dan de thermische energie van de elektronen groter is dan de uitwisselingsinteractie en de parallele uitlijning van de elektronenspins wordt vernietigd. Er bestaat voor deze overgang een karakteristieke temperatuur, de zogenaamde curietemperatuur.

De magnetisatie van ferromagnetische stoffen blijft gedeeltelijk behouden, wanneer het externe magneetveld wordt uitgeschakeld. Deze resterende magnetisatie wordt remanentie genoemd.

Diamagnetisme, paramagnetisme en ferromagnetisme waarnemen

In tegenstelling tot het diamagnetisme en paramagnetisme is ferromagnetische in het dagelijks leven makkelijk waarneembaar. Ferromagnetische stoffen worden door magneetvelden merkbaar sterk aangetrokken. Zo blijft een magneet aan een ijzeren wand vastzitten, die ferromagnetisch is, echter niet aan een kunststof wand, die meestal diamagnetisch is.

De wisselwerking tussen magneetvelden en paramagnetische resp. diamagnetische stoffen is erg zwak, zodat deze in het dagelijks leven niet direct waar te nemen is.

Een paramagneet (bijv. zuurstof) wordt zoals een ferromagneet (bijv. ijzer) door een magneetveld aangetrokken. Alleen is de aantrekkingskracht een paar miljoen keer zwakker. Een diamagneet (bijv. water) wordt daarentegen afgestoten, wanneer hij in het magneetveld wordt gebracht, echter eveneens bijna onmerkbaar zwak. De afstotende kracht tussen magneetvelden en diamagnetische stoffen is alleen bij supergeleiders sterk. Supergeleiders worden daarom ook "perfecte diamagneten" genoemd. Ze vertonen een magnetisatie, die de magnetische fluxdichtheid binnenin de supergeleider volledig wegdringt. De supergeleider zweeft vanwege de afstotende diamagnetische werking zelfs boven een magneet.

Magnetische permeabiliteit om de sterkte van magnetisatie te beschrijven

Om de sterkte van magnetisatie te beschrijven wordt de magnetische permeabiliteit μ ingevoerd. Eenvoudig gezegd kan men zich voorstellen dat de permeabiliteit μ aangeeft, met welke factor de magnetische flux wordt vergroot of verkleind door de invloed van het materiaal. Bijvoorbeeld, de magnetische fluxdichtheid B in aanwezigheid van een materiaal met doorlaatbaarheid μ is in tegenstelling tot de magnetische fluxdichtheid van het vacuüm B₀:

B = μ • B₀

Het magneetveld is op zijn beurt de som van het extern invallende magneetveld H₀ (dat ook in vacuüm zou optreden) en de magnetisatie M: H = H₀ + M

Dit magneetveld in aanwezigheid van de stof verkrijgt men ook door vermenigvuldiging van het vacuümveld met de permeabiliteit μ: H= μ • H₀

Voor de magnetisatie geldt daarom:

M = H - H₀ = μ • H₀ - H₀ = (μ - 1) • H₀

De magnetisatie M van een stof bij een inwerkend (vacuüm) magneetveld H₀ is dus:

M = (μ - 1) • H₀

Men noemt de factor (μ - 1) ook de magnetische susceptibiliteit χ en hieruit volgt: M = χ • H₀

De permeabiliteit van het vacuüm isμ = 1. Daarom reageert het vacuüm helemaal niet op een magneetveld. De magnetisatie M van het vacuüm is nul. Zijn magnetische susceptibiliteit χ eveneens. Paramagnetische stoffen hebben een permeabiliteit, die iets groter is dan 1. De magnetische susceptibiliteit van de paramagneten is iets groter dan nul. De permeabiliteit van diamagnetische stoffen is iets kleiner dan 1, de susceptibiliteit dienovereenkomstig kleiner dan nul. Bij een supergeleider is de magnetische permeabiliteit μ = 0 en de susceptibiliteit χ = -1. Daarom dringt de magnetische flux geheel niet meer in de supergeleider. U kunt zich ook voorstellen, dat bij supergeleiders de magnetisatie hetzelfde als het extern inwerkende veld is, alleen in de tegengestelde richting. Daarom wordt het externe veld in de supergeleider opgeheven. Ferromagneten kunnen heel hoge permeabiliteitswaardes hebben. Bij ijzer kan μ waardes tot 10 000 bereiken, bijzondere ferromagnetische metalen met een bijzonder geschapen ordening van de atomen bereiken waardes tot μ = 150 000.

De aanname, dat de permeabiliteit voor elke stof gewoon een constante is, is echter slechts een benadering. Dit kan men aan het hystereseverloop zien. In werkelijkheid volgt de magnetisatie van het materiaal het binnenkomende magneetveld (resp. de binnenkomende fluxdichtheid) niet lineair. De samenhang is gecompliceerder en bovendien nog afhankelijk van de "voorgeschiedenis" van de stof. Is de stof al gemagnetiseerd, dan gedraagt hij zich in het externe veld anders dan hetzelfde niet gemagnetiseerde materiaal. De lineaire formule M = χ • H₀ is daarom een benadering.

Fysische overweging

Om de fysische oorzaak van het diamagnetisme, paramagnetisme en ferromagnetisme te begrijpen, kan men zich voorstellen, dat elke stof uit atomen met atoomkernen en elektronen bestaat.

Wanneer nu een extern magneetveld wordt aangelegd, dan worden onder de invloed van dit magneetveld bewegingen van de elektronen, dus stromen geïnduceerd. Volgens de wet van Lenz zijn deze stromen zo gericht dat ze hun oorzaak tegenwerken. Daardoor zijn de geïnduceerde magnetische momenten, men noemt deze ook de geïnduceerde magnetische polarisatie, zo uitgelijnd, dat de stof als geheel licht uit het externe magneetveld wordt weggedrongen, dus diamagnetische eigenschappen vertoont.

Elke stof is licht diamagnetisch. Het kan echter zijn, dat verdere paramagnetische of zelfs ferromagnetische eigenschappen bovenop het diamagnetisme van een stof komen. Para- resp. ferromagnetisme treedt dan op, wanneer de elektronen van de gehele elektronenschil rond elk atoom van de stof als resultaat een totaalspin vertonen. Elk elektron op zich bezit altijd een zogenaamde spin, die een magnetisch moment met zich meebrengt. In veel materialen heffen de elektronenspins elkaar echter paarsgewijs op. Deze materialen zijn dan diamagnetisch. Wanneer echter elk atoom over een oneven aantal elektronen beschikt, dan kunnen de elektronenspins van elk afzonderlijk atoom elkaar niet paarsgewijs opheffen. Dan bezit elk atoom met zijn elektronen een resulterende totaalspin van het laatst overblijvende, "ongepaarde" elektron. Deze materialen zijn para- of ferromagnetisch.

De atomaire magnetische momenten van de resulterende spins zijn door de beweging van de atomen gelijkmatig in alle ruimtelijke richtingen verdeeld, zodat de magneetvelden van alle elementaire magneten samengenomen elkaar opheffen en de stof naar buiten toe niet magnetisch lijkt.

Binnen een extern magneetveld lijnen zich de resulterende totaalspins van alle atomen echter uit. De noordpool van alle elementaire magneten wijst dan in de richting van de zuidpool van het externe veld en omgekeerd. In dit geval gedraagt het proefstuk zichzelf als een magneet en wordt door het externe magneetveld aangetrokken. De tegelijkertijd geïnduceerde kringstromen, die vanwege de wet van Lenz in de tegengestelde richting van hun oorzaak (het uitwendige magneetveld) lopen, zijn in paramagnetische en ferromagnetische stoffen zwakker dan het effect van de uitgelijnde elementaire magneten, zodat de afstotende werking van de geïnduceerde kringstromen door de aantrekkende werking van de uitgelijnde elementaire magneten wordt overtroffen. Dit is de oorzaak voor para- en ferromagnetisme.

In een ferromagneet ontstaat door de uitwisselingsinteractie een stabilisering van de elektronenspins. De uitwisselingsinteractie is in ferromagneten bijzonder sterk. Elke elementaire magneet wordt dan extra gestabiliseerd in zijn uitlijning. Dit leidt vaak tot een aantrekkingskracht, die miljoenen malen sterker is. Het materiaal blijft zelfs als geheel merkbaar magnetisch, wanneer het externe magneetveld wordt uitgeschakeld (remanentie). In paramagneten is de uitwisselingsinteractie kleiner dan de thermische energie van de atomaire spins.

Demagnetisatie door hitte

Als de gemagnetiseerde ferromagneet sterk wordt verhit (tot boven de curietemperatuur) verdwijnt het ferromagnetisme, omdat de verhoging van de temperatuur tot een sterkere beweging van de atomen met de afzonderlijk resulterende totaalspins van de elektronenschil leidt. Deze beweging vernietigt de onderlinge koppeling van de elektronenspins door de uitwisselingsinteractie, omdat de toegevoerde thermische energie de koppelingsenergie van de elektronenspins overtreft. Het lichaam wordt dan boven de curietemperatuur een paramagneet. Ook sterke schokken of een in tegengestelde richting verlopend extern magneetveld kunnen de remanentie van een ferromagneet opheffen, dus tot diens demagnetisatie leiden. De stof blijft dan echter ferromagnetisch en zou opnieuw kunnen worden gemagnetiseerd. Ook een verhitte stof wordt weer ferromagnetisch, wanneer hij tot beneden de curietemperatuur afkoelt.