Hvorfor magneter ikke har nogen indvirkning på nogle metaller

Magnetisme og elektricitet er forbundet så tæt, at du endda kan betragte dem som to sider af samme mønt. De magnetiske egenskaber, der udvises af nogle metaller, er et resultat af elektrostatiske feltforhold i de atomer, der komponerer metallet.

Faktisk har alle elementer magnetiske egenskaber, men de fleste manifesterer dem ikke på en indlysende måde. Metallerne, der tiltrækkes af magneter, har en ting til fælles, og det er uparrede elektroner i deres ydre skal. Det er kun en elektrostatisk opskrift på magnetisme, og den er den vigtigste.

Metaller, som du permanent kan magnetisere, er kendt somferromagnetiskmetaller, og listen over disse metaller er lille. Navnet kommer fraferrum, det latinske ord for jern.​

Der er en meget længere liste over materialer, der erparamagnetisk, hvilket betyder, at de midlertidigt magnetiseres, når de er i nærværelse af et magnetfelt. Paramagnetiske materialer er ikke alle metaller. Nogle kovalente forbindelser, såsom ilt (O₂) udviser paramagnetisme, ligesom nogle ioniske faste stoffer gør.

Alle materialer, der ikke er ferromagnetiske eller paramagnetiske, erdiamagnetisk, hvilket betyder, at de udviser en lille frastødning af magnetfelter, og en almindelig magnet tiltrækker dem ikke. Faktisk er alle grundstoffer og forbindelser i nogen grad diamagnetiske.

For at forstå forskellene mellem disse tre klasser af magnetisme skal du se på, hvad der foregår på atomniveau.

I den aktuelt accepterede model af atomet består kernen af ​​positivt ladede protoner og elektrisk neutrale neutroner holdt sammen af ​​den stærke kraft, en af ​​de grundlæggende kræfter i natur. En sky af negativt ladede elektroner, der optager diskrete energiniveauer eller skaller, omgiver kernen, og det er det, der giver magnetiske kvaliteter.

En kredsende elektron genererer et skiftende elektrisk felt, og ifølge Maxwells ligninger er det opskriften på et magnetfelt.Feltets størrelse er lig med området inden i kredsløbet ganget med strømmen.En individuel elektron genererer en lille strøm, og det resulterende magnetfelt, som måles i enheder kaldetBohr magnetoner, er også lille. I et typisk atom udelukker felterne, der genereres af alle dets elektroner, normalt hinanden.

Det er ikke kun en elektrones kredsløb, der skaber ladning, men også en anden egenskab kendt somspin. Som det viser sig, er spin meget vigtigere ved bestemmelse af magnetiske egenskaber end orbital bevægelse, fordi samlet spin i et atom er mere sandsynligt at være asymmetrisk og i stand til at skabe magnetisk øjeblik.

Du kan tænke på spin som en elektrons rotationsretning, selvom dette kun er en grov tilnærmelse. Spin er en iboende egenskab ved elektroner, ikke en bevægelsestilstand. En elektron, der drejer med uret, harpositivt spin, eller drej op, mens en, der roterer mod uret, harnegativ spineller drej ned.

Elektron spin er en kvantemekanisk egenskab uden en klassisk analogi, og den bestemmer placeringen af ​​elektroner omkring kernen. Elektroner arrangerer sig i spin-up og spin-down par i hver shell for at skabe nul nettomagnetisk øjeblik​.

Elektronerne, der er ansvarlige for at skabe magnetiske egenskaber, er dem i den yderste, ellervalens, atomets skaller. Generelt skaber tilstedeværelsen af ​​en uparret elektron i et atoms ydre skal et magnetisk nettomoment og giver magnetiske egenskaber, hvorimod atomer med parrede elektroner i den ydre skal har ingen nettoladning og er diamagnetisk. Dette er en forenkling, fordi valenselektroner kan optage mindre energiskaller i nogle grundstoffer, især jern (Fe).

De nuværende sløjfer skabt af kredsløb om elektroner gør ethvert materiale diamagnetisk, for når et magnetfelt påføres, strækker de nuværende sløjfer sig i modsætning til det og modsætter sig feltet. Dette er en anvendelse afLenzs lov, som siger, at et induceret magnetfelt modsætter sig det felt, der skaber det. Hvis elektron spin ikke kom ind i ligningen, ville det være slutningen på historien, men spin kommer ind i den.

Det samlede antalmagnetisk øjeblik J​af et atom er summen af ​​detsorbital vinkelmomentogdet erspin vinkelmoment. HvornårJ= 0, atomet er ikke-magnetisk, og hvornårJ≠ 0, atomet er magnetisk, hvilket sker, når der er mindst en ikke-parret elektron.

Derfor er ethvert atom eller forbindelse med fuldt udfyldte orbitaler diamagnetisk. Helium og alle ædelgasser er åbenlyse eksempler, men nogle metaller er også diamagnetiske. Her er et par eksempler:

• Zink
• Kviksølv
• Tin
• Tellurium
• Guld
• Sølv
• Kobber

Diamagnetisme er ikke nettoresultatet af, at nogle atomer i et stof trækkes en vej af et magnetfelt, og andre trækkes i en anden retning. Hvert atom i et diamagnetisk materiale er diamagnetisk og oplever den samme svage frastødning til et eksternt magnetfelt. Denne frastødning kan skabe interessante effekter. Hvis du suspenderer en stang af et diamagnetisk materiale, såsom guld, i et stærkt magnetfelt, vil det rette sig vinkelret på feltet.

Hvis mindst en elektron i et atoms ydre skal er parret, har atomet et magnetisk nettomoment, og det vil rette sig med et eksternt magnetfelt. I de fleste tilfælde mistes tilpasningen, når feltet fjernes. Dette er paramagnetisk adfærd, og forbindelser kan udvise det såvel som elementer.

Nogle af de mere almindelige paramagnetiske metaller er:

• Magnesium
• Aluminium
• Wolfram
• Platin

Nogle metaller er så svagt paramagnetiske, at deres reaktion på et magnetfelt næppe kan mærkes. Atomer flugter med et magnetfelt, men justeringen er så svag, at en almindelig magnet ikke tiltrækker den.

Du kunne ikke samle metallet med en permanent magnet, uanset hvor hårdt du prøvede. Du vil dog være i stand til at måle det magnetiske felt, der genereres i metallet, hvis du havde et følsomt instrument. Når det placeres i et magnetfelt med tilstrækkelig styrke, vil en stang af et paramagnetisk metal justere sig parallelt med feltet.

Når du tænker på et stof med magnetiske egenskaber, tænker du generelt på et metal, men nogle få ikke-metaller, såsom calcium og ilt, er også paramagnetiske. Du kan demonstrere iltens paramagnetiske natur for dig selv med et simpelt eksperiment.

Hæld flydende ilt mellem polerne på en kraftig elektromagnet, og iltet samler sig på polerne og fordamper og producerer en sky af gas. Prøv det samme eksperiment med flydende nitrogen, som ikke er paramagnetisk, og intet vil ske.

Nogle magnetiske elementer er så modtagelige for eksterne felter, at de magnetiseres, når de udsættes for et, og de opretholder deres magnetiske egenskaber, når feltet fjernes. Disse ferromagnetiske elementer inkluderer:

• Jern
• Nikkel
• Kobolt
• Gadolinium
• Ruthenium

Disse elementer er ferromagnetiske, fordi individuelle atomer har mere end en uparret elektron i deres orbitalskaller. men der sker også noget andet. Atomerne i disse grundstoffer danner grupper kendt somdomæner, og når du introducerer et magnetfelt, justerer domænerne sig med feltet og forbliver justeret, selv efter at du har fjernet feltet. Dette forsinkede svar er kendt somhysterisis,og det kan vare i årevis.

Nogle af de stærkeste permanente magneter er kendt somsjældne jordmagneter. To af de mest almindelige erneodymmagneter, der består af en kombination af neodym, jern og bor ogsamarium koboltmagneter, som er en kombination af disse to elementer. I hver type magnet forstærkes et ferromagnetisk materiale (jern, cobalt) med et paramagnetisk sjældent jordelement.

​Ferritmagneter, der er lavet af jern, ogalnicomagneter, der er lavet af en kombination af aluminium, nikkel og cobalt, er generelt svagere end magneter af sjældne jordarter. Dette gør dem sikrere at bruge og mere egnede til videnskabelige eksperimenter.

Hvert magnetisk materiale har en karakteristisk temperatur, over hvilken det begynder at miste sine magnetiske egenskaber. Dette er kendt somCurie-punkt, opkaldt efter Pierre Curie, den franske fysiker, der opdagede de love, der vedrører magnetisk evne til temperatur. Over Curie-punktet begynder atomerne i et ferromagnetisk materiale at miste deres tilpasning, og materialet bliver paramagnetisk eller, hvis temperaturen er høj nok, diamagnetisk.

Curie-punktet for jern er 1418 F (770 C), og for cobalt er det 2.050 F (1.121 C), hvilket er et af de højeste Curie-point. Når temperaturen falder til under Curie-punktet, genvinder materialet sine ferromagnetiske egenskaber.

Magnetit, også kendt som jernmalm eller jernoxid, er det grå-sorte mineral med den kemiske formel Fe₃O₄ det er råmaterialet til stål. Det opfører sig som et ferromagnetisk materiale og bliver permanent magnetiseret, når det udsættes for et eksternt magnetfelt. Indtil midten af ​​det tyvende århundrede antog alle, at det var ferromagnetisk, men det er faktiskferrimagnetisk, og der er en betydelig forskel.

Ferrimagnetismen af ​​magnetit er ikke summen af ​​de magnetiske øjeblikke for alle atomer i materialet, hvilket ville være sandt, hvis mineralet var ferromagnetisk. Det er en konsekvens af selve mineralets krystalstruktur.

Magnetit består af to separate gitterstrukturer, en oktaedrisk og en tetraeder. De to strukturer har modstridende, men ulige polariteter, og effekten er at producere et magnetisk nettomoment. Andre kendte ferrimagnetiske forbindelser indbefatter yttriumjerngranat og pyrrhotit.

Under en bestemt temperatur, der kaldesNéel temperaturefter fransk fysiker Louis Néel mister nogle metaller, legeringer og ioniske faste stoffer deres paramagnetiske egenskaber og reagerer ikke på eksterne magnetfelter. De bliver i det væsentlige demagnetiseret. Dette sker, fordi ioner i materialets gitterstruktur retter sig ind i antiparallelle arrangementer i hele strukturen, hvilket skaber modsatte magnetfelter, der annullerer hinanden.

Néel temperaturer kan være meget lave i størrelsesordenen -150 C (-240F), hvilket gør forbindelserne paramagnetiske til alle praktiske formål. Imidlertid har nogle forbindelser Néel-temperaturer i området stuetemperatur eller derover.

Ved meget lave temperaturer udviser antiferromagnetiske materialer ingen magnetisk opførsel. Når temperaturen stiger, bryder nogle af atomerne sig fri af gitterstrukturen og retter sig efter magnetfeltet, og materialet bliver svagt magnetisk. Når temperaturen når Néel-temperaturen, når denne paramagnetisme sit højdepunkt, men når temperaturen stiger ud over dette punkt, termisk omrøring forhindrer atomer i at opretholde deres tilpasning til marken, og magnetismen falder støt af.

Ikke mange grundstoffer er antiferromagnetiske - kun krom og mangan. Antiferromagnetiske forbindelser inkluderer manganoxid (MnO), nogle former for jernoxid (Fe₂O₃) og vismutferrit (BiFeO₃).