لماذا لا يؤثر المغناطيس على بعض المعادن

المغناطيسية والكهرباء متصلان بشكل وثيق لدرجة أنك قد تعتبرهما وجهين لعملة واحدة. الخواص المغناطيسية التي تظهرها بعض المعادن هي نتيجة لظروف المجال الكهروستاتيكي في الذرات التي يتكون منها المعدن.

في الواقع ، كل العناصر لها خصائص مغناطيسية ، لكن معظمها لا يظهرها بطريقة واضحة. تشترك المعادن التي تنجذب إلى المغناطيس في شيء واحد ، وهو الإلكترونات غير المزدوجة في غلافها الخارجي. هذه مجرد وصفة كهربائية واحدة للمغناطيسية ، وهي الأهم.

تُعرف المعادن التي يمكنك جذبها بشكل دائم باسممغنطيسيةالمعادن ، وقائمة هذه المعادن صغيرة. الاسم يأتي منحديد، الكلمة اللاتينية للحديد.​

هناك قائمة أطول بكثير من المواد الموجودةمغناطيسي، مما يعني أنها تصبح ممغنطة مؤقتًا عند وجود مجال مغناطيسي. المواد البارامغناطيسية ليست كلها معادن. بعض المركبات التساهمية ، مثل الأكسجين (O₂) تظهر البارامغناطيسية ، كما تفعل بعض المواد الصلبة الأيونية.

جميع المواد غير المغناطيسية أو شبه المغناطيسيةمغناطيسي، مما يعني أنها تظهر تنافرًا طفيفًا للمجالات المغناطيسية ، ولا يجذبها المغناطيس العادي. في الواقع ، جميع العناصر والمركبات نفاذية مغناطيسية إلى حد ما.

لفهم الاختلافات بين هذه الفئات الثلاث للمغناطيسية ، عليك أن تنظر إلى ما يحدث على المستوى الذري.

في نموذج الذرة المقبول حاليًا ، تتكون النواة من بروتونات موجبة الشحنة و النيوترونات المحايدة كهربائياً مرتبطة ببعضها البعض بواسطة القوة الشديدة ، وهي إحدى القوى الأساسية لـ طبيعة. تحيط بالنواة سحابة من الإلكترونات سالبة الشحنة التي تشغل مستويات طاقة منفصلة ، أو أصداف ، وهذه هي ما ينقل الصفات المغناطيسية.

يولد الإلكترون المداري مجالًا كهربائيًا متغيرًا ، ووفقًا لمعادلات ماكسويل ، هذه هي وصفة المجال المغناطيسي.حجم المجال يساوي المساحة داخل المدار مضروبة في التيار.يولد الإلكترون الفردي تيارًا صغيرًا ، وينتج عنه المجال المغناطيسي ، والذي يقاس بوحدات تسمىمغناطيسات بوهر، صغيرة أيضًا. في ذرة نموذجية ، تلغي الحقول التي تولدها جميع إلكتروناتها التي تدور حولها بعضها البعض بشكل عام.

ليست فقط الحركة المدارية للإلكترون هي التي تولد الشحنة ، ولكن أيضًا خاصية أخرى تُعرف باسمغزل. كما اتضح ، فإن الدوران أكثر أهمية في تحديد الخصائص المغناطيسية من الحركة المدارية ، لأنه من المرجح أن يكون الدوران الكلي في الذرة غير متماثل وقادر على تكوين مغناطيس الوقت الحاضر.

يمكنك التفكير في الدوران باعتباره اتجاه دوران الإلكترون ، على الرغم من أن هذا مجرد تقريب تقريبي. اللف هو خاصية جوهرية للإلكترونات ، وليس حالة حركة. الإلكترون الذي يدور في اتجاه عقارب الساعة لهالايجابية، أو تدور ، في حين أن واحد يدور عكس اتجاه عقارب الساعة لديهتدور سلبي، أو تدور.

دوران الإلكترون هو خاصية ميكانيكية كمومية بدون تشبيه تقليدي ، وهي تحدد وضع الإلكترونات حول النواة. ترتب الإلكترونات نفسها في أزواج تدور لأعلى وتدور لأسفل في كل غلاف لتكوين شبكة صفريةلحظة جاذبة​.

الإلكترونات المسؤولة عن خلق الخصائص المغناطيسية هي تلك الموجودة في الأبعد ، أوالتكافؤ، قذائف الذرة. بشكل عام ، فإن وجود إلكترون غير مزدوج في الغلاف الخارجي للذرة يخلق لحظة مغناطيسية صافية و يمنح خصائص مغناطيسية ، في حين أن الذرات التي تحتوي على إلكترونات مقترنة في الغلاف الخارجي ليس لها شحنة صافية وهي كذلك مغناطيسي. هذا تبسيط مفرط ، لأن إلكترونات التكافؤ يمكن أن تشغل قذائف طاقة أقل في بعض العناصر ، وخاصة الحديد (Fe).

تجعل الحلقات الحالية التي يتم إنشاؤها بواسطة الإلكترونات التي تدور في مدارها كل مادة مغناطيسية ، لأنه عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي ، فإن الحلقات الحالية تتعارض مع ذلك وتعارض المجال. هذا هو تطبيققانون لينز، والتي تنص على أن المجال المغناطيسي المستحث يتعارض مع المجال الذي يخلقه. إذا لم يدخل دوران الإلكترون في المعادلة ، فستكون هذه نهاية القصة ، لكن السبين يدخل فيها.

المجموعلحظة جاذبة ي​من ذرة هو مجموع لهاالزخم الزاوي المداريولهالزخم الزاوي تدور. متيي= 0 ، الذرة غير مغناطيسية ، ومتىي≠ 0 ، الذرة مغناطيسية ، وهذا يحدث عندما يكون هناك إلكترون واحد على الأقل غير مزدوج.

وبالتالي ، فإن أي ذرة أو مركب به مدارات مملوءة بالكامل يكون مغناطيسيًا. الهيليوم وجميع الغازات النبيلة أمثلة واضحة ، لكن بعض المعادن أيضًا نفاذية مغناطيسية. وفيما يلي بعض الأمثلة على ذلك:

• الزنك
• الزئبق
• تين
• التيلوريوم
• ذهب
• فضة
• نحاس

إن النفاذية المغناطيسية ليست النتيجة النهائية لبعض الذرات في مادة ما يتم سحبها بطريقة ما بواسطة مجال مغناطيسي بينما يتم سحب البعض الآخر في اتجاه آخر. كل ذرة في مادة مغناطيسية نفاذية مغناطيسية وتواجه نفس التنافر الضعيف لمجال مغناطيسي خارجي. هذا التنافر يمكن أن يخلق تأثيرات مثيرة للاهتمام. إذا قمت بتعليق قضيب من مادة مغناطيسية ، مثل الذهب ، في مجال مغناطيسي قوي ، فستحاذي نفسها بشكل عمودي مع المجال.

إذا كان هناك إلكترون واحد على الأقل في الغلاف الخارجي للذرة غير مزاوج ، فإن الذرة لها عزم مغناطيسي صافٍ ، وستصطف نفسها مع مجال مغناطيسي خارجي. في معظم الحالات ، يتم فقد المحاذاة عند إزالة الحقل. هذا هو السلوك المغنطيسي ، ويمكن للمركبات أن تعرضه وكذلك العناصر.

بعض المعادن البارامغناطيسية الأكثر شيوعًا هي:

• المغنيسيوم
• الألومنيوم
• التنغستن
• البلاتين

بعض المعادن ذات مغناطيسية ضعيفة لدرجة أن استجابتها للمجال المغناطيسي بالكاد تكون ملحوظة. تتراصف الذرات مع مجال مغناطيسي ، لكن المحاذاة ضعيفة جدًا لدرجة أن المغناطيس العادي لا يجذبه.

لا يمكنك التقاط المعدن بمغناطيس دائم ، مهما حاولت بصعوبة. ومع ذلك ، ستكون قادرًا على قياس المجال المغناطيسي المتولد في المعدن إذا كان لديك أداة حساسة بدرجة كافية. عند وضعها في مجال مغناطيسي ذي قوة كافية ، فإن شريط من معدن مغناطيسي سيحاذي نفسه بالتوازي مع المجال.

عندما تفكر في مادة لها خصائص مغناطيسية ، فإنك تفكر عمومًا في معدن ، لكن القليل من المواد غير المعدنية ، مثل الكالسيوم والأكسجين ، هي أيضًا مغناطيسية. يمكنك إثبات الطبيعة المغناطيسية للأكسجين بنفسك من خلال تجربة بسيطة.

صب الأكسجين السائل بين أقطاب مغناطيس كهربائي قوي ، وسيتجمع الأكسجين على القطبين ويتبخر ، مما ينتج سحابة من الغاز. جرب نفس التجربة مع النيتروجين السائل ، وهو ليس مغناطيسيًا ، ولن يحدث شيء.

بعض العناصر المغناطيسية حساسة جدًا للمجالات الخارجية بحيث تصبح ممغنطة عند تعرضها لأحد العناصر المغناطيسية ، وتحافظ على خصائصها المغناطيسية عند إزالة المجال. هذه العناصر المغناطيسية تشمل:

• حديد
• نيكل
• كوبالت
• الجادولينيوم
• روثينيوم

هذه العناصر مغناطيسية لأن الذرات الفردية تحتوي على أكثر من إلكترون واحد غير مزدوج في غلافها المداري. ولكن هناك شيء آخر يحدث أيضًا. تشكل ذرات هذه العناصر مجموعات تعرف باسمالمجالات، وعندما تقوم بإدخال مجال مغناطيسي ، فإن المجالات تتماشى مع المجال وتظل محاذية ، حتى بعد إزالة الحقل. تُعرف هذه الاستجابة المتأخرة باسمالهستيرياويمكن أن تستمر لسنوات.

تُعرف بعض أقوى المغناطيسات الدائمة باسممغناطيس أرضي نادر. اثنان من الأكثر شيوعًاالنيوديميومالمغناطيس ، والذي يتكون من مزيج من النيوديميوم والحديد والبورون والكوبالت السماريومالمغناطيس ، وهو مزيج من هذين العنصرين. في كل نوع من أنواع المغناطيس ، يتم تقوية مادة مغنطيسية حديدية (الحديد ، الكوبالت) بواسطة عنصر أرضي نادر مغناطيسي.

​الفريتالمغناطيسات المصنوعة من الحديد والنيكوالمغناطيسات ، المصنوعة من مزيج من الألومنيوم والنيكل والكوبالت ، أضعف بشكل عام من المغناطيسات الأرضية النادرة. هذا يجعلها أكثر أمانًا للاستخدام وأكثر ملاءمة للتجارب العلمية.

كل مادة مغناطيسية لها درجة حرارة مميزة تبدأ بعدها في فقدان خصائصها المغناطيسية. يُعرف هذا باسمنقطة كوري، على اسم بيير كوري ، الفيزيائي الفرنسي الذي اكتشف القوانين التي تربط القدرة المغناطيسية بدرجة الحرارة. فوق نقطة كوري ، تبدأ الذرات الموجودة في المادة المغناطيسية في فقدان محاذاةها ، وتصبح المادة مغناطيسية أو غير مغناطيسية إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة بدرجة كافية.

تبلغ نقطة كوري للحديد 1418 فهرنهايت (770 درجة مئوية) ، وبالنسبة للكوبالت تبلغ 2050 فهرنهايت (1121 درجة مئوية) ، وهي واحدة من أعلى نقاط كوري. عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون نقطة كوري ، تستعيد المادة خصائصها المغناطيسية الحديدية.

المغنتيت ، المعروف أيضًا باسم خام الحديد أو أكسيد الحديد ، هو معدن رمادي-أسود مع الصيغة الكيميائية Fe₃ا₄ هذه هي المادة الخام للصلب. إنها تتصرف مثل مادة مغناطيسية حديدية ، وتصبح ممغنطة بشكل دائم عند تعرضها لمجال مغناطيسي خارجي. حتى منتصف القرن العشرين ، افترض الجميع أنها مغناطيسية حديدية ، لكنها في الواقعمغناطيسية، وهناك فرق كبير.

إن المغناطيسية الحديدية للمغنتيت ليست مجموع اللحظات المغناطيسية لجميع الذرات في المادة ، وهذا سيكون صحيحًا إذا كان المعدن مغناطيسيًا. إنها نتيجة التركيب البلوري للمعدن نفسه.

يتكون المغنتيت من هيكلين شبكيين منفصلين ، أحدهما ثماني السطوح والآخر رباعي السطوح. يحتوي الهيكلين على قطبين متعارضين ولكن غير متساويين ، والتأثير هو إنتاج لحظة مغناطيسية صافية. تشمل المركبات المغناطيسية الحديدية المعروفة الأخرى عقيق الإيتريوم الحديدي والبيروتيت.

تحت درجة حرارة معينة تسمىنيل درجة الحرارةبعد عالم الفيزياء الفرنسي لويس نيل ، تفقد بعض المعادن والسبائك والمواد الصلبة الأيونية صفاتها المغناطيسية وتصبح غير مستجيبة للمجالات المغناطيسية الخارجية. تصبح في الأساس غير ممغنطة. يحدث هذا لأن الأيونات في البنية الشبكية للمادة تصطف في ترتيبات مضادة في جميع أنحاء الهيكل ، مما يخلق مجالات مغناطيسية معاكسة تلغي بعضها البعض.

يمكن أن تكون درجات حرارة نيل منخفضة جدًا ، في حدود -150 درجة مئوية (-240 درجة فهرنهايت) ، مما يجعل المركبات شبه مغناطيسية لجميع الأغراض العملية. ومع ذلك ، فإن بعض المركبات لها درجات حرارة Néel في نطاق درجة حرارة الغرفة أو أعلى.

في درجات حرارة منخفضة للغاية ، لا تظهر المواد المضادة للمغناطيسية أي سلوك مغناطيسي. مع ارتفاع درجة الحرارة ، تتحرر بعض الذرات من البنية الشبكية وتتماشى مع المجال المغناطيسي ، وتصبح المادة مغناطيسية بشكل ضعيف. عندما تصل درجة الحرارة إلى درجة حرارة نيل ، تصل هذه البارامغناطيسية إلى ذروتها ، ولكن مع ارتفاع درجة الحرارة إلى ما بعد ذلك النقطة ، يمنع التحريض الحراري الذرات من الحفاظ على محاذاة المجال ، وتنخفض المغناطيسية بثبات إيقاف.

لا يوجد العديد من العناصر المضادة للمغناطيسية - فقط الكروم والمنغنيز. تشمل المركبات المضادة للمغناطيسية أكسيد المنغنيز (MnO) ، وبعض أشكال أكسيد الحديد (Fe₂ا₃) والبزموت الفريت (BiFeO₃).