Miks magnetid ei mõjuta mõnda metalli

Magnetism ja elekter on ühendatud nii tihedalt, et võiksite isegi pidada neid ühe mündi kaheks küljeks. Mõne metalli magnetilised omadused tulenevad metalli moodustavate aatomite elektrostaatilise välja tingimustest.

Tegelikult on kõigil elementidel magnetilised omadused, kuid enamik neist ei ilmne neid ilmselgelt. Metallidel, mida magnetid köidavad, on üks ühine joon ja see on paarimata elektronid nende väliskestades. See on ainult üks magnetismi elektrostaatiline retsept ja see on kõige olulisem.

Metallid, mida saate püsivalt magnetiseerida, on tuntud kuiferromagnetilinemetallid ja nende metallide loetelu on väike. Nimi pärinebferrum, ladinakeelne sõna raud.​

Materjalidest on palju pikem loeteluparamagnetiline, mis tähendab, et nad magnetvälja juuresolekul ajutiselt magnetiseeruvad. Paramagnetilised materjalid pole kõik metallid. Mõned kovalentsed ühendid, näiteks hapnik (O₂), nagu ka mõned ioonsed tahked ained, avaldavad paramagnetismi.

Kõik materjalid, mis ei ole ferromagnetilised ega paramagnetilised, on

Nende kolme magnetismi klassi erinevuste mõistmiseks peate vaatama, mis toimub aatomi tasandil.

Praegu aktsepteeritud aatomi mudelis koosneb tuum positiivselt laetud prootonitest ja elektriliselt neutraalsed neutronid, mida hoiab koos tugev jõud, mis on loodus. Negatiivselt laetud elektronide pilv, mis hõivab diskreetset energiataset ehk kestasid, ümbritseb tuuma ja just need annavad magnetilisi omadusi.

Orbiidil olev elektron tekitab muutuva elektrivälja ja Maxwelli võrrandite kohaselt on see magnetvälja retsept.Välja väli on võrdne orbiidi sees oleva alaga, korrutatuna vooluga.Üksikelektron tekitab väikese voolu ja sellest tuleneva magnetvälja, mida mõõdetakse ühikutesBohri magnetonid, on ka pisike. Tüüpilise aatomi korral tühistavad kõigi tema orbiidil olevate elektronide tekitatud väljad üksteist.

Laengu tekitab mitte ainult elektroni orbiidil liikumine, vaid ka teine ​​omadus, mida nimetataksekeerutama. Nagu selgub, on pöörlemine magnetomaduste määramisel palju olulisem kui orbiidi liikumine, sest aatomi üldine pöörlemine on tõenäolisemalt asümmeetriline ja võimeline tekitama magnetit hetk.

Spinnist võib mõelda kui elektroni pöörlemissuunast, ehkki see on vaid ligikaudne lähendus. Spinn on elektronide sisemine omadus, mitte liikumisseisund. Päripäeva pöörleval elektronil onpositiivne spinvõi keerake üles, samal ajal kui pöörleb vastupäevanegatiivne spinvõi pöörake alla.

Elektroni pöörlemine on klassikalise analoogiata kvantmehaaniline omadus ja see määrab elektronide paigutuse tuuma ümber. Elektronid paigutavad end igas kestas spin-up ja spin-down paaridena, et luua null võrkumagnetmoment​.

Magnetomaduste tekitamise eest vastutavad elektronid on äärepoolseimad võivalents, aatomi kestad. Üldiselt loob paardumata elektroni olemasolu aatomi väliskestas netomagnetmomendi ja annab magnetilisi omadusi, samas kui aatomitel, mille väliskestas on paaritatud elektronid, pole võrgulaengut ja on diamagneetiline. See on liialdamine, sest valentselektronid võivad hõivata mõnes elemendis, eriti rauas (Fe), madalama energiaga kestad.

Orbiidil olevate elektronide tekitatud vooluahelad muudavad iga materjali diamagneetiliseks, sest magnetvälja rakendumisel joonduvad voolu aasad kõik sellega vastandudes ja vastanduvad väljale. See on rakenduseLenzi seadus, mis väidab, et indutseeritud magnetväli vastandub selle loovale väljale. Kui elektroni pöörlemine ei siseneks võrrandisse, oleks see loo lõpp, kuid spin pööruks sellesse.

Summamagnetmoment J​aatomi väärtus on selle summaorbiidi nurkkiirusja sellepöörlema ​​nurkkiirust. MillalJ= 0, aatom on mittemagnetiline ja millalJ≠ 0, aatom on magnetiline, mis juhtub siis, kui on vähemalt üks paarimata elektron.

Järelikult on iga täielikult täidetud orbitaalidega aatom või ühend diamagneetiline. Heelium ja kõik väärisgaasid on ilmsed näited, kuid mõned metallid on ka diamagneetilised. Siin on mõned näited:

• Tsink
• elavhõbe
• Tina
• Telluur
• Kuld
• Hõbe
• Vask

Diamagnetism ei ole selle tagajärg, et aine aatomid tõmbuvad magnetvälja abil ühtpidi ja teised teises suunas. Iga diamagneetilise materjali aatom on diamagnetiline ja kogeb sama nõrka tõrjumist välisele magnetväljale. See tõrjumine võib tekitada huvitavaid efekte. Kui riputate tugeva magnetvälja diamagnetilise materjali, nagu kuld, varda, joondub see väljaga risti.

Kui vähemalt üks aatomi väliskestas olev elektron on paaristamata, on aatomil netomagnetmoment ja see joondub välise magnetväljaga. Enamasti kaotatakse joondamine välja eemaldamisel. See on paramagnetiline käitumine ja ühendid võivad seda näidata ka elementidena.

Mõned levinumad paramagnetilised metallid on:

• Magneesium
• Alumiinium
• Volfram
• Plaatina

Mõned metallid on nii nõrgalt paramagnetilised, et nende reaktsioon magnetväljale on vaevumärgatav. Aatomid joonduvad magnetväljaga, kuid joondus on nii nõrk, et tavaline magnet seda ei meelita.

Püsimagnetiga metalli kätte ei saanud, ükskõik kui palju te ka ei üritanud. Kui teil oleks piisavalt tundlik instrument, saaksite mõõta metallis tekkivat magnetvälja. Piisava tugevusega magnetvälja asetatuna joondub paramagnetilise metalli varda väljaga paralleelselt.

Kui mõtlete ainele, millel on magnetilised omadused, mõtlete tavaliselt metallile, kuid ka mõned mittemetallid, näiteks kaltsium ja hapnik, on paramagnetilised. Hapniku paramagnetilist olemust saate enda jaoks demonstreerida lihtsa katsega.

Valage võimsa elektromagneti pooluste vahel vedel hapnik ja hapnik koguneb poolustele ja aurustub, tekitades gaasipilve. Proovige sama katset vedela lämmastikuga, mis pole paramagnetiline, ja midagi ei juhtu.

Mõned magnetilised elemendid on välistele väljadele nii vastuvõtlikud, et magnetiseeruvad ühega kokkupuutel ja nad säilitavad oma magnetilised omadused, kui väli eemaldatakse. Nende ferromagnetiliste elementide hulka kuuluvad:

• Raud
• Nikkel
• Koobalt
• Gadoliinium
• Ruteenium

Need elemendid on ferromagnetilised, kuna üksikute aatomite orbiidikestades on rohkem kui üks paaristamata elektron. aga toimub ka midagi muud. Nende elementide aatomid moodustavad rühmad, mida nimetataksedomeenidja kui sisestate magnetvälja, joondavad domeenid väljaga ja jäävad joondatuks ka pärast välja eemaldamist. See hiline reageerimine on tuntud kuihüsteris,ja see võib kesta aastaid.

Mõned kõige tugevamad püsimagnetid on tuntud kuiharuldaste muldmetallide magnetid. Kaks kõige tavalisemat onneodüümmagnetid, mis koosnevad neodüümi, raua ja boori kombinatsioonist ningsamariumi koobaltmagnetid, mis on nende kahe elemendi kombinatsioon. Igas magnetitüübis on ferromagnetilist materjali (raud, koobalt) tugevdatud paramagnetilise haruldase muldmetalli elemendiga.

​Ferriitmagnetid, mis on valmistatud rauast, jaalnicomagnetid, mis on valmistatud alumiiniumi, nikli ja koobalti kombinatsioonist, on haruldaste muldmetallide magnetitest tavaliselt nõrgemad. See muudab nende kasutamise turvalisemaks ja sobib paremini teaduskatseteks.

Igal magnetilisel materjalil on iseloomulik temperatuur, millest kõrgemal hakkab see oma magnetilisi omadusi kaotama. Seda tuntakse kuiCurie punkt, mis sai nime Prantsuse füüsiku Pierre Curie järgi, kes avastas seadused, mis seovad magnetvõimet temperatuuriga. Curie punkti kohal hakkavad ferromagnetilise materjali aatomid kaotama joondumist ja materjal muutub paramagnetiliseks või, kui temperatuur on piisavalt kõrge, siis diamagnetiliseks.

Raua Curie punkt on 1418 F (770 C) ja koobalt 2050 F (1121 C), mis on üks kõrgeimaid Curie punkte. Kui temperatuur langeb alla Curie punkti, taastab materjal ferromagnetilised omadused.

Magnetiit, tuntud ka kui rauamaak või raudoksiid, on hall-must mineraal keemilise valemiga Fe₃O₄ see on terase tooraine. See käitub nagu ferromagnetiline materjal, magnetiseerudes välise magnetväljaga püsivalt. Kuni 20. sajandi keskpaigani arvasid kõik, et see on ferromagnetiline, kuid tegelikult on see niiferrimagnetilineja seal on oluline erinevus.

Magnetiidi ferrimagnetism ei ole kõigi materjalis olevate aatomite magnetmomentide summa, mis oleks tõene, kui mineraal oleks ferromagnetiline. See on mineraali enda kristallstruktuuri tagajärg.

Magnetiit koosneb kahest eraldi võre struktuurist, oktaeedrilisest ja tetraeedrilisest. Nendel kahel struktuuril on vastandlikud, kuid ebavõrdsed polaarsused ja selle tulemuseks on netomagnetmomendi tekitamine. Teiste teadaolevate ferrimagnetiliste ühendite hulka kuuluvad ütriumrauast granaat ja pürrotiit.

Teatud temperatuuri all, mida nimetatakseNéeli temperatuurpärast prantsuse füüsiku Louis Néeli kaotavad mõned metallid, sulamid ja ioonsed tahked ained oma paramagnetilised omadused ja ei reageeri välistele magnetväljadele. Need muutuvad sisuliselt demagnetiseeritud. See juhtub seetõttu, et materjali võre struktuuris olevad ioonid joonduvad kogu struktuuris antiparalleelsetes paigutustes, tekitades vastandlikke magnetvälju, mis üksteist tühistavad.

Néeli temperatuurid võivad olla väga madalad, suurusjärgus -150 C (-240 F), mis muudab ühendid paramagnetiliseks kõigil praktilistel eesmärkidel. Mõnel ühendil on Néeli temperatuur siiski toatemperatuuri vahemikus või kõrgem.

Väga madalatel temperatuuridel ei näita antiferromagnetilised materjalid magnetilist käitumist. Temperatuuri tõustes murduvad mõned aatomid võre struktuurist ja joonduvad magnetväljaga ning materjal muutub nõrgalt magnetiliseks. Kui temperatuur saavutab Néeli temperatuuri, saavutab see paramagnetism haripunkti, kuid temperatuuri tõustes sellest kaugemale punktis takistab termiline segamine aatomitel nende joondumist väljaga ja magnetism langeb pidevalt väljas.

Mitte paljud elemendid pole antiferromagnetilised - ainult kroom ja mangaan. Antiferromagnetiliste ühendite hulka kuuluvad mangaanoksiid (MnO), mõned raudoksiidi vormid (Fe₂O₃) ja vismutferriit (BiFeO₃).