Proč magnety nemají žádný vliv na některé kovy

Magnetismus a elektřina jsou propojeny tak důvěrně, že je dokonce můžete považovat za dvě strany stejné mince. Magnetické vlastnosti vykazované některými kovy jsou výsledkem podmínek elektrostatického pole v atomech, z nichž se kov skládá.

Ve skutečnosti mají všechny prvky magnetické vlastnosti, ale většina je neprojevuje zjevným způsobem. Kovy, které přitahují magnety, mají jednu společnou věc, a to nepárové elektrony ve vnějších skořápkách. To je jen jeden elektrostatický recept na magnetismus a je to nejdůležitější.

Kovy, které můžete trvale magnetizovat, jsou známé jakoferomagnetickýkovy a seznam těchto kovů je malý. Jméno pochází zferrum, latinské slovo pro železo.​

Existuje mnohem delší seznam materiálů, které jsouparamagnetické, což znamená, že jsou dočasně zmagnetizováni v přítomnosti magnetického pole. Paramagnetické materiály nejsou všechny kovy. Některé kovalentní sloučeniny, jako je kyslík (O₂) vykazují paramagnetismus, stejně jako některé iontové pevné látky.

Všechny materiály, které nejsou feromagnetické nebo paramagnetické, jsoudiamagnetický, což znamená, že vykazují mírný odpor vůči magnetickým polím a běžný magnet je nepřitahuje. Ve skutečnosti jsou všechny prvky a sloučeniny do určité míry diamagnetické.

Abyste pochopili rozdíly mezi těmito třemi třídami magnetismu, musíte se podívat na to, co se děje na atomové úrovni.

V aktuálně přijímaném modelu atomu se jádro skládá z pozitivně nabitých protonů a elektricky neutrální neutrony držené pohromadě silnou silou, jednou ze základních sil Příroda. Mrak negativně nabitých elektronů zabírajících diskrétní energetické úrovně nebo skořápky obklopuje jádro, a to je to, co dodává magnetické vlastnosti.

Obíhající elektron generuje měnící se elektrické pole a podle Maxwellových rovnic je to recept na magnetické pole.Velikost pole se rovná ploše uvnitř oběžné dráhy vynásobené proudem.Jednotlivý elektron generuje nepatrný proud a výsledné magnetické pole, které se měří v tzv. Volaných jednotkáchBohrovy magnetony, je také malý. V typickém atomu se pole generovaná všemi jeho obíhajícími elektrony obecně navzájem ruší.

Není to jen oběžný pohyb elektronu, který vytváří náboj, ale také další vlastnost známá jakoroztočit. Jak se ukázalo, spin je při určování magnetických vlastností mnohem důležitější než orbitální pohyb, protože celková rotace v atomu je pravděpodobně asymetrická a schopná vytvořit magnetický okamžik.

Spin si můžete představit jako směr otáčení elektronu, i když je to jen hrubé přiblížení. Spin je vnitřní vlastnost elektronů, nikoli stav pohybu. Elektron, který se točí ve směru hodinových ručiček, mápozitivní rotace, nebo roztočit, zatímco ten, který se otáčí proti směru hodinových ručiček, mánegativní rotace, nebo se točit dolů.

Elektronová rotace je kvantově mechanická vlastnost bez klasické analogie a určuje umístění elektronů kolem jádra. Elektrony se v každé skořápce uspořádají ve dvojicích roztočení a roztočení tak, aby vytvořily nulovou síťmagnetický moment​.

Elektrony odpovědné za vytváření magnetických vlastností jsou ty nejvzdálenější, nebomocenství, skořápky atomu. Obecně přítomnost nepárového elektronu ve vnějším plášti atomu vytváří čistý magnetický moment a propůjčuje magnetické vlastnosti, zatímco atomy se spárovanými elektrony ve vnějším obalu nemají síťový náboj a jsou diamagnetický. Jedná se o přílišné zjednodušení, protože valenční elektrony mohou v některých prvcích, zejména v železu (Fe), obsadit skořápky nižší energie.

Aktuální smyčky vytvořené obíhajícími elektrony činí každý materiál diamagnetickým, protože když se aplikuje magnetické pole, všechny proudové smyčky se vyrovnají proti němu a postaví se proti poli. Toto je aplikaceLenzův zákon, který uvádí, že indukované magnetické pole je proti poli, které jej vytváří. Pokud by elektronový spin nevstoupil do rovnice, byl by to konec příběhu, ale spin do něj vstoupil.

Celkemmagnetický moment J​atomu je součet jehoorbitální moment hybnostia jehotočit moment hybnosti. KdyžJ= 0, atom je nemagnetický a kdyJ≠ 0, atom je magnetický, což se stane, když existuje alespoň jeden nepárový elektron.

V důsledku toho je jakýkoli atom nebo sloučenina s úplně vyplněnými orbitaly diamagnetický. Hélium a všechny vzácné plyny jsou zřejmými příklady, ale některé kovy jsou také diamagnetické. Zde je několik příkladů:

• Zinek
• Rtuť
• Cín
• Telur
• Zlato
• stříbrný
• Měď

Diamagnetismus není čistým výsledkem toho, že některé atomy v látce jsou taženy jedním směrem magnetickým polem a jiné taženy jiným směrem. Každý atom v diamagnetickém materiálu je diamagnetický a zažívá stejný slabý odpor vůči vnějšímu magnetickému poli. Toto odpuzování může vytvářet zajímavé efekty. Pokud pozastavíte tyč diamagnetického materiálu, jako je zlato, v silném magnetickém poli, zarovná se kolmo k poli.

Pokud je alespoň jeden elektron ve vnějším obalu atomu nepárový, má atom čistý magnetický moment a sám se vyrovná s vnějším magnetickým polem. Ve většině případů se zarovnání ztratí, když je pole odstraněno. Jedná se o paramagnetické chování a sloučeniny ho mohou vykazovat stejně jako prvky.

Některé z běžnějších paramagnetických kovů jsou:

• Hořčík
• Hliník
• Wolfram
• Platina

Některé kovy jsou tak slabě paramagnetické, že jejich odezva na magnetické pole je stěží patrná. Atomy se vyrovnají s magnetickým polem, ale vyrovnání je tak slabé, že ho obyčejný magnet nepřitahuje.

Nemohli jste zachytit kov permanentním magnetem, bez ohledu na to, jak moc jste se snažili. Dokázali byste však měřit magnetické pole generované v kovu, pokud máte dostatečně citlivý nástroj. Když je tyč paramagnetického kovu umístěna v dostatečném magnetickém poli, vyrovná se rovnoběžně s polem.

Když přemýšlíte o látce, která má magnetické vlastnosti, obvykle myslíte na kov, ale několik nekovů, jako je vápník a kyslík, je také paramagnetických. Paramagnetickou povahu kyslíku můžete sami demonstrovat jednoduchým experimentem.

Nalijte kapalný kyslík mezi póly silného elektromagnetu a kyslík se na pólech shromažďuje a odpařuje se a vytváří oblak plynu. Zkuste stejný experiment s kapalným dusíkem, který není paramagnetický, a nic se nestane.

Některé magnetické prvky jsou natolik citlivé na vnější pole, že se magnetizují, když jsou jednomu vystaveny, a po odstranění pole si zachovají své magnetické vlastnosti. Mezi tyto feromagnetické prvky patří:

• Žehlička
• Nikl
• Kobalt
• Gadolinium
• Ruthenium

Tyto prvky jsou feromagnetické, protože jednotlivé atomy mají ve svých orbitálních skořápkách více než jeden nepárový elektron. ale děje se také něco jiného. Atomy těchto prvků tvoří skupiny známé jakodomén, a když zavedete magnetické pole, domény se zarovnají s polem a zůstanou zarovnané, i když pole odstraníte. Tato zpožděná odpověď je známá jakohysterisis,a může to trvat roky.

Některé z nejsilnějších permanentních magnetů jsou známé jakomagnety vzácných zemin. Dva z nejběžnějších jsouneodymmagnety, které se skládají z kombinace neodymu, železa a boru asamarium kobaltmagnety, které jsou kombinací těchto dvou prvků. V každém typu magnetu je feromagnetický materiál (železo, kobalt) obohacen paramagnetickým prvkem vzácných zemin.

​Feritmagnety, které jsou vyrobeny ze železa, aalnicomagnety, které jsou vyrobeny z kombinace hliníku, niklu a kobaltu, jsou obecně slabší než magnety vzácných zemin. Díky tomu jsou bezpečnější a vhodnější pro vědecké experimenty.

Každý magnetický materiál má charakteristickou teplotu, nad kterou začíná ztrácet své magnetické vlastnosti. Toto je známé jakoCurie bodpojmenovaný po Pierre Curie, francouzském fyzikovi, který objevil zákony, které se týkají magnetické schopnosti s teplotou. Nad bodem Curie začínají atomy ve feromagnetickém materiálu ztrácet své vyrovnání a materiál se stává paramagnetickým nebo, pokud je teplota dostatečně vysoká, diamagnetickým.

Bod Curie pro železo je 1418 F (770 ° C) a pro kobalt je to 2050 ° F (1121 ° C), což je jeden z nejvyšších bodů Curie. Když teplota klesne pod bod Curie, materiál získá své feromagnetické vlastnosti.

Magnetit, známý také jako železná ruda nebo oxid železitý, je šedočerný minerál s chemickým vzorcem Fe₃Ó₄ to je surovina pro ocel. Chová se jako feromagnetický materiál a při vystavení vnějšímu magnetickému poli se trvale magnetizuje. Až do poloviny dvacátého století každý předpokládal, že je feromagnetický, ale je to takferimagnetickýa je tu podstatný rozdíl.

Ferimagnetismus magnetitu není součtem magnetických momentů všech atomů v materiálu, což by platilo, pokud by minerál byl feromagnetický. Je to důsledek krystalové struktury samotného minerálu.

Magnetit se skládá ze dvou samostatných mřížových struktur, oktaedrické a čtyřboké. Tyto dvě struktury mají protichůdné, ale nestejné polarity, a výsledkem je vytvoření čistého magnetického momentu. Mezi další známé ferimagnetické sloučeniny patří yttrium železný granát a pyrhotit.

Pod určitou teplotou, která se nazýváTeplota Néelpoté, co francouzský fyzik Louis Néel ztratil některé kovy, slitiny a iontové pevné látky své paramagnetické vlastnosti a přestal reagovat na vnější magnetické pole. V podstatě se demagnetizují. Stává se to proto, že ionty v mřížkové struktuře materiálu se v celé struktuře vyrovnávají v antiparalelním uspořádání a vytvářejí protilehlá magnetická pole, která se navzájem ruší.

Teploty Néel mohou být velmi nízké, řádově -150 ° C, což činí sloučeniny paramagnetické pro všechny praktické účely. Některé sloučeniny však mají Néel teploty v rozmezí od teploty místnosti nebo vyšší.

Při velmi nízkých teplotách antiferomagnetické materiály nevykazují žádné magnetické chování. Jak teplota stoupá, některé atomy se uvolňují z mřížkové struktury a vyrovnávají se s magnetickým polem a materiál se stává slabě magnetickým. Když teplota dosáhne teploty Néel, dosáhne tento paramagnetismus svého vrcholu, ale jak teplota stoupá nad tuto hranici bod, tepelné míchání brání atomům v udržování jejich vyrovnání s polem a magnetismus neustále klesá vypnuto.

Není mnoho prvků antiferomagnetických - pouze chrom a mangan. Antiferomagnetické sloučeniny zahrnují oxid manganatý (MnO), některé formy oxidu železa (Fe₂Ó₃) a ferit bismutu (BiFeO₃).