Γιατί οι μαγνήτες δεν έχουν καμία επίδραση σε ορισμένα μέταλλα

Ο μαγνητισμός και η ηλεκτρική ενέργεια συνδέονται τόσο στενά ώστε να τις θεωρείτε ακόμη και τις δύο όψεις του ίδιου νομίσματος. Οι μαγνητικές ιδιότητες που παρουσιάζονται από ορισμένα μέταλλα είναι αποτέλεσμα ηλεκτροστατικών συνθηκών πεδίου στα άτομα που συνθέτουν το μέταλλο.

Στην πραγματικότητα, όλα τα στοιχεία έχουν μαγνητικές ιδιότητες, αλλά τα περισσότερα δεν τα εκδηλώνουν με προφανή τρόπο. Τα μέταλλα που προσελκύονται στους μαγνήτες έχουν ένα κοινό κοινό, και αυτό είναι τα ζεύγη ηλεκτρόνια στα εξωτερικά τους κελύφη. Αυτή είναι μόνο μια ηλεκτροστατική συνταγή για μαγνητισμό και είναι η πιο σημαντική.

Τα μέταλλα που μπορείτε να μαγνητίσετε μόνιμα είναι γνωστά ωςσιδηρομαγνητικήμέταλλα και η λίστα αυτών των μετάλλων είναι μικρή. Το όνομα προέρχεται απόσίδηρος, η λατινική λέξη για το σίδηρο.​

Υπάρχει ένας πολύ μεγαλύτερος κατάλογος υλικών που είναιπαραμαγνητικός, που σημαίνει ότι μαγνητίζονται προσωρινά όταν υπάρχει μαγνητικό πεδίο. Τα παραμαγνητικά υλικά δεν είναι όλα μέταλλα. Ορισμένες ομοιοπολικές ενώσεις, όπως οξυγόνο (Ο

Όλα τα υλικά που δεν είναι σιδηρομαγνητικά ή παραμαγνητικά είναιδιαμαγνητικός, που σημαίνει ότι εμφανίζουν μια μικρή απώθηση στα μαγνητικά πεδία και ένας συνηθισμένος μαγνήτης δεν τους προσελκύει. Στην πραγματικότητα, όλα τα στοιχεία και οι ενώσεις είναι διαγνωστικά σε κάποιο βαθμό.

Για να κατανοήσετε τις διαφορές μεταξύ αυτών των τριών κατηγοριών μαγνητισμού, πρέπει να δείτε τι συμβαίνει σε ατομικό επίπεδο.

Στο σήμερα αποδεκτό μοντέλο του ατόμου, ο πυρήνας αποτελείται από θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ηλεκτρικά ουδέτερα νετρόνια που συγκρατούνται από την ισχυρή δύναμη, μια από τις θεμελιώδεις δυνάμεις του φύση. Ένα νέφος αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων που καταλαμβάνει διακριτά επίπεδα ενέργειας, ή κελύφη, περιβάλλει τον πυρήνα, και αυτά είναι που προσδίδουν μαγνητικές ιδιότητες.

Ένα ηλεκτρόνιο σε τροχιά δημιουργεί ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο και σύμφωνα με τις εξισώσεις του Maxwell, αυτή είναι η συνταγή για ένα μαγνητικό πεδίο.Το μέγεθος του πεδίου είναι ίσο με την περιοχή εντός της τροχιάς πολλαπλασιαζόμενη με το ρεύμα.Ένα μεμονωμένο ηλεκτρόνιο παράγει ένα μικρό ρεύμα και το προκύπτον μαγνητικό πεδίο, το οποίο μετριέται σε μονάδες που ονομάζονταιBohr magnetons, είναι επίσης μικροσκοπικό. Σε ένα τυπικό άτομο, τα πεδία που δημιουργούνται από όλα τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε τροχιά ακυρώνουν το ένα το άλλο.

Δεν είναι μόνο η κίνηση σε τροχιά ενός ηλεκτρονίου που δημιουργεί φόρτιση, αλλά και μια άλλη ιδιότητα γνωστή ωςγνέθω. Όπως αποδεικνύεται, η περιστροφή είναι πολύ πιο σημαντική στον προσδιορισμό μαγνητικών ιδιοτήτων από την τροχιακή κίνηση, επειδή η γενική περιστροφή σε ένα άτομο είναι πιο πιθανό να είναι ασύμμετρο και ικανή να δημιουργήσει ένα μαγνητικό στιγμή.

Μπορείτε να σκεφτείτε την περιστροφή ως την κατεύθυνση περιστροφής ενός ηλεκτρονίου, αν και αυτό είναι απλώς μια πρόχειρη προσέγγιση. Το Spin είναι μια εγγενής ιδιότητα των ηλεκτρονίων, όχι μια κατάσταση κίνησης. Ένα ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται δεξιόστροφα έχειθετική περιστροφήή περιστρέψτε προς τα επάνω, ενώ έχει περιστροφή αριστερόστροφααρνητική περιστροφήή περιστρέψτε προς τα κάτω.

Η περιστροφή ηλεκτρονίων είναι μια κβαντική μηχανική ιδιότητα χωρίς κλασική αναλογία και καθορίζει την τοποθέτηση ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια τακτοποιούνται σε ζεύγη περιστροφής και περιστροφής προς τα κάτω σε κάθε κέλυφος έτσι ώστε να δημιουργείται μηδενικό δίχτυμαγνητική ροπή​.

Τα ηλεκτρόνια που είναι υπεύθυνα για τη δημιουργία μαγνητικών ιδιοτήτων είναι αυτά που βρίσκονται στο εξόχως ήσθένος, κελύφη του ατόμου. Γενικά, η παρουσία ενός ζεύγους ηλεκτρονίου στο εξωτερικό κέλυφος ενός ατόμου δημιουργεί μια καθαρή μαγνητική ροπή και προσδίδει μαγνητικές ιδιότητες, ενώ τα άτομα με ζεύγη ηλεκτρόνια στο εξωτερικό κέλυφος δεν έχουν καθαρό φορτίο και είναι διαμαγνητικός. Αυτό είναι υπερβολική απλοποίηση, επειδή τα ηλεκτρόνια σθένους μπορούν να καταλάβουν κελύφη χαμηλότερης ενέργειας σε ορισμένα στοιχεία, ιδιαίτερα σίδηρο (Fe).

Οι τρέχοντες βρόχοι που δημιουργούνται από τα περιστρεφόμενα ηλεκτρόνια κάνουν κάθε υλικό διαμαγνητικό, επειδή όταν εφαρμόζεται ένα μαγνητικό πεδίο, οι τρέχοντες βρόχοι ευθυγραμμίζονται σε αντίθεση με αυτό και αντιτίθενται στο πεδίο. Αυτή είναι μια εφαρμογή τουΟ νόμος του Λεντς, το οποίο δηλώνει ότι ένα επαγόμενο μαγνητικό πεδίο αντιτίθεται στο πεδίο που το δημιουργεί. Εάν η περιστροφή ηλεκτρονίων δεν μπήκε στην εξίσωση, αυτό θα ήταν το τέλος της ιστορίας, αλλά η περιστροφή εισέρχεται σε αυτήν.

Η συνολικήμαγνητική ροπή Ι​ενός ατόμου είναι το άθροισμα τουτροχιακή γωνιακή ορμήκαι είναιπεριστροφή γωνιακή ορμή. ΠότεΙ= 0, το άτομο δεν είναι μαγνητικό και πότεΙ≠ 0, το άτομο είναι μαγνητικό, το οποίο συμβαίνει όταν υπάρχει τουλάχιστον ένα ζεύγος ηλεκτρονίων.

Κατά συνέπεια, οποιοδήποτε άτομο ή ένωση με πλήρως γεμισμένα τροχιακά είναι διαγνωστικά. Το ήλιο και όλα τα ευγενή αέρια είναι προφανή παραδείγματα, αλλά ορισμένα μέταλλα είναι επίσης διαγνωστικά. Ακολουθούν μερικά παραδείγματα:

• Ψευδάργυρος
• Ερμής
• Κασσίτερος
• Τελλούριο
• Χρυσός
• Ασήμι
• Χαλκός

Ο διαμαγνητισμός δεν είναι το καθαρό αποτέλεσμα ορισμένων ατόμων σε μια ουσία να τραβιέται με έναν τρόπο από ένα μαγνητικό πεδίο και άλλα να έλκονται σε άλλη κατεύθυνση Κάθε άτομο σε ένα διαμαγνητικό υλικό είναι διαμαγνητικό και βιώνει την ίδια αδύναμη απώθηση σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Αυτή η απώθηση μπορεί να δημιουργήσει ενδιαφέροντα εφέ. Εάν αναστείλετε μια ράβδο διαμαγνητικού υλικού, όπως ο χρυσός, σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, θα ευθυγραμμιστεί κάθετα με το πεδίο.

Εάν τουλάχιστον ένα ηλεκτρόνιο στο εξωτερικό κέλυφος ενός ατόμου δεν είναι ζευγαρωμένο, το άτομο έχει καθαρή μαγνητική ροπή και θα ευθυγραμμιστεί με ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η ευθυγράμμιση χάνεται όταν αφαιρεθεί το πεδίο. Αυτή είναι η παραμαγνητική συμπεριφορά και οι ενώσεις μπορούν να την εμφανίσουν καθώς και στοιχεία.

Μερικά από τα πιο κοινά παραμαγνητικά μέταλλα είναι:

• Μαγνήσιο
• Αλουμίνιο
• Βολφράμιο
• Πλατίνα

Ορισμένα μέταλλα είναι τόσο ασθενώς παραμαγνητικά που η απόκρισή τους σε ένα μαγνητικό πεδίο είναι σχεδόν αισθητή. Τα άτομα ευθυγραμμίζονται με ένα μαγνητικό πεδίο, αλλά η ευθυγράμμιση είναι τόσο αδύναμη που ένας συνηθισμένος μαγνήτης δεν το προσελκύει.

Δεν μπορούσες να πάρεις το μέταλλο με μόνιμο μαγνήτη, ανεξάρτητα από το πόσο σκληρά προσπαθήσες. Ωστόσο, θα μπορούσατε να μετρήσετε το μαγνητικό πεδίο που παράγεται στο μέταλλο εάν έχετε αρκετά ευαίσθητο όργανο. Όταν τοποθετείται σε μαγνητικό πεδίο επαρκούς αντοχής, μια ράβδο παραμαγνητικού μετάλλου θα ευθυγραμμίζεται παράλληλα με το πεδίο.

Όταν σκέφτεστε μια ουσία που έχει μαγνητικά χαρακτηριστικά, γενικά σκέφτεστε ένα μέταλλο, αλλά μερικά μη μέταλλα, όπως το ασβέστιο και το οξυγόνο, είναι επίσης παραμαγνητικά. Μπορείτε να αποδείξετε την παραμαγνητική φύση του οξυγόνου για τον εαυτό σας με ένα απλό πείραμα.

Ρίξτε υγρό οξυγόνο μεταξύ των πόλων ενός ισχυρού ηλεκτρομαγνήτη, και το οξυγόνο θα συλλεχθεί στους πόλους και θα εξατμιστεί, παράγοντας ένα νέφος αερίου. Δοκιμάστε το ίδιο πείραμα με υγρό άζωτο, το οποίο δεν είναι παραμαγνητικό και δεν θα συμβεί τίποτα.

Ορισμένα μαγνητικά στοιχεία είναι τόσο ευαίσθητα σε εξωτερικά πεδία που μαγνητίζονται όταν εκτίθενται σε ένα και διατηρούν τα μαγνητικά τους χαρακτηριστικά όταν αφαιρείται το πεδίο. Αυτά τα σιδηρομαγνητικά στοιχεία περιλαμβάνουν:

• Σίδερο
• Νικέλιο
• Κοβάλτιο
• Γαδολίνιο
• Ρουθήνιο

Αυτά τα στοιχεία είναι σιδηρομαγνητικά επειδή μεμονωμένα άτομα έχουν περισσότερα από ένα μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια στα τροχιακά τους κελύφη. αλλά υπάρχει και κάτι άλλο. Τα άτομα αυτών των στοιχείων σχηματίζουν ομάδες γνωστές ωςτομείςκαι όταν εισαγάγετε ένα μαγνητικό πεδίο, οι τομείς ευθυγραμμίζονται με το πεδίο και παραμένουν ευθυγραμμισμένοι, ακόμη και μετά την κατάργηση του πεδίου. Αυτή η καθυστερημένη απόκριση είναι γνωστή ωςυστερία,και μπορεί να διαρκέσει χρόνια.

Μερικοί από τους ισχυρότερους μόνιμους μαγνήτες είναι γνωστοί ωςμαγνήτες σπάνιων γαιών. Δύο από τα πιο κοινά είναινεοδύμιομαγνήτες, οι οποίοι αποτελούνται από συνδυασμό νεοδυμίου, σιδήρου και βορίου, καικοβάλτιο σαμαρίουμαγνήτες, που είναι συνδυασμός αυτών των δύο στοιχείων. Σε κάθε τύπο μαγνήτη, ένα σιδηρομαγνητικό υλικό (σίδηρος, κοβάλτιο) ενισχύεται από ένα παραμαγνητικό στοιχείο σπάνιας γης.

​Φερρίτηςμαγνήτες, που είναι κατασκευασμένοι από σίδηρο, καιΑλνίκομαγνήτες, οι οποίοι κατασκευάζονται από συνδυασμό αλουμινίου, νικελίου και κοβαλτίου, είναι γενικά ασθενέστεροι από τους μαγνήτες σπάνιων γαιών. Αυτό τα καθιστά ασφαλέστερα στη χρήση και πιο κατάλληλα για επιστημονικά πειράματα.

Κάθε μαγνητικό υλικό έχει μια χαρακτηριστική θερμοκρασία πάνω από την οποία αρχίζει να χάνει τα μαγνητικά του χαρακτηριστικά. Αυτό είναι γνωστό ωςΚουρί, πήρε το όνομά του από τον Pierre Curie, τον Γάλλο φυσικό που ανακάλυψε τους νόμους που σχετίζονται με τη μαγνητική ικανότητα με τη θερμοκρασία. Πάνω από το σημείο Curie, τα άτομα σε ένα σιδηρομαγνητικό υλικό αρχίζουν να χάνουν την ευθυγράμμισή τους και το υλικό γίνεται παραμαγνητικό ή, εάν η θερμοκρασία είναι αρκετά υψηλή, διαμαγνητική.

Το σημείο Curie για το σίδερο είναι 1418 F (770 C) και για το κοβάλτιο είναι 2.050 F (1.121 C), το οποίο είναι ένα από τα υψηλότερα σημεία Curie. Όταν η θερμοκρασία πέσει κάτω από το σημείο Curie, το υλικό ανακτά τα σιδηρομαγνητικά χαρακτηριστικά του.

Ο μαγνητίτης, επίσης γνωστός ως σιδηρομετάλλευμα ή οξείδιο του σιδήρου, είναι το γκρι-μαύρο ορυκτό με τον χημικό τύπο Fe₃Ο₄ αυτή είναι η πρώτη ύλη για χάλυβα. Συμπεριφέρεται σαν σιδηρομαγνητικό υλικό, μαγνητίζεται μόνιμα όταν εκτίθεται σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Μέχρι τα μέσα του εικοστού αιώνα, όλοι το θεωρούσαν σιδηρομαγνητικό, αλλά στην πραγματικότητασιδηρομαγνητικό, και υπάρχει μια σημαντική διαφορά.

Ο σιδηρομαγνητισμός του μαγνητίτη δεν είναι το άθροισμα των μαγνητικών ροπών όλων των ατόμων στο υλικό, κάτι που θα ισχύει αν το ορυκτό ήταν σιδηρομαγνητικό. Είναι συνέπεια της κρυσταλλικής δομής του ίδιου του ορυκτού.

Ο μαγνητίτης αποτελείται από δύο ξεχωριστές δομές δικτυωτού πλέγματος, έναν οκταεδρικό και τετραεδρικό. Οι δύο δομές έχουν αντίθετες αλλά άνισες πολικότητες, και το αποτέλεσμα είναι να παραχθεί μια καθαρή μαγνητική ροπή. Άλλες γνωστές σιδηρομαγνητικές ενώσεις περιλαμβάνουν γρανάτη σιδήρου υττρίου και πυροχρότη.

Κάτω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, η οποία ονομάζεταιΘερμοκρασία Néelαφότου ο Γάλλος φυσικός Louis Néel, ορισμένα μέταλλα, κράματα και ιοντικά στερεά χάνουν τις παραμαγνητικές τους ιδιότητες και αποκρίνονται στα εξωτερικά μαγνητικά πεδία. Βασικά απομαγνητίζονται. Αυτό συμβαίνει επειδή τα ιόντα στη δομή δικτυωτού πλέγματος του υλικού ευθυγραμμίζονται σε αντιπαραλληλικές διευθετήσεις σε όλη τη δομή, δημιουργώντας αντίθετα μαγνητικά πεδία που ακυρώνουν το ένα το άλλο.

Οι θερμοκρασίες Nel μπορεί να είναι πολύ χαμηλές, της τάξης των -150 C (-240F), καθιστώντας τις ενώσεις παραμαγνητικές για όλους τους πρακτικούς σκοπούς. Ωστόσο, ορισμένες ενώσεις έχουν θερμοκρασίες Néel στο εύρος θερμοκρασίας δωματίου ή υψηλότερες.

Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, τα αντιιδρωμαγνητικά υλικά δεν παρουσιάζουν μαγνητική συμπεριφορά. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, μερικά από τα άτομα απελευθερώνονται από τη δομή του πλέγματος και ευθυγραμμίζονται με το μαγνητικό πεδίο και το υλικό γίνεται ασθενώς μαγνητικό. Όταν η θερμοκρασία φτάσει στη θερμοκρασία Néel, αυτός ο παραμαγνητισμός φτάνει στο αποκορύφωμά του, αλλά καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται πέρα ​​από αυτό σημείο, η θερμική ανάδευση εμποδίζει τα άτομα να διατηρήσουν την ευθυγράμμισή τους με το πεδίο και ο μαγνητισμός πέφτει σταθερά μακριά από.

Δεν είναι πολλά στοιχεία τα αντισιδρωμαγνητικά - μόνο χρώμιο και μαγγάνιο. Οι αντιαερομαγνητικές ενώσεις περιλαμβάνουν το οξείδιο του μαγγανίου (MnO), ορισμένες μορφές οξειδίου του σιδήρου (Fe₂Ο₃) και φερρίτης βισμούθιου (BiFeO₃).