Miksi magneeteilla ei ole vaikutusta joihinkin metalleihin

Magnetismi ja sähkö ovat yhteydessä toisiinsa niin läheisesti, että saatat jopa pitää niitä saman kolikon kahtena puolena. Joidenkin metallien magneettiset ominaisuudet ovat seurausta metallin muodostavien atomien sähköstaattisista kentistä.

Itse asiassa kaikilla elementeillä on magneettisia ominaisuuksia, mutta useimmat eivät ilmoita niitä ilmeisellä tavalla. Magneetteihin kiinnittyvillä metalleilla on yksi yhteinen piirre, ja niiden ulkokuorissa on parittomia elektroneja. Se on vain yksi sähköstaattinen resepti magnetismille, ja se on tärkein.

Metallit, joita voit magnetisoida pysyvästi, tunnetaan nimelläferromagneettinenmetalleja, ja luettelo näistä metalleista on pieni. Nimi tuleeferrum, latinankielinen sana rautaa.​

On paljon pidempi luettelo materiaaleista, jotka ovatparamagneettinen, mikä tarkoittaa, että ne magnetisoituvat väliaikaisesti magneettikentän läsnä ollessa. Paramagneettiset materiaalit eivät ole kaikki metalleja. Jotkut kovalenttiset yhdisteet, kuten happi (O

Kaikki materiaalit, jotka eivät ole ferromagneettisia tai paramagneettisia, ovatdiamagneettinen, mikä tarkoittaa, että heillä on pieni vastenmielisyys magneettikentille, eikä tavallinen magneetti houkuttele niitä. Itse asiassa kaikki alkuaineet ja yhdisteet ovat jossain määrin diamagneettisia.

Jotta ymmärtäisit näiden kolmen magneettiluokan väliset erot, sinun on tarkasteltava sitä, mitä tapahtuu atomitasolla.

Tällä hetkellä hyväksytyssä atomimallissa ydin koostuu positiivisesti varautuneista protoneista ja sähköisesti neutraalit neutronit, joita voimakas voima, joka on yksi voiman voimista, pitää yhdessä luonto. Negatiivisesti varautuneiden elektronien pilvi, joka miehittää erilliset energiatasot tai kuoret, ympäröi ydintä, ja nämä antavat magneettisia ominaisuuksia.

Kiertävä elektroni tuottaa muuttuvan sähkökentän, ja Maxwellin yhtälöiden mukaan se on magneettikentän resepti.Kentän suuruus on yhtä suuri kuin kiertoradan pinta-ala kerrottuna virralla.Yksittäinen elektroni tuottaa pienen virran ja tuloksena olevan magneettikentän, joka mitataan yksikköinäBohrin magneetit, on myös pieni. Tyypillisessä atomissa kaikkien sen kiertävien elektronien tuottamat kentät yleensä sulkevat toisensa.

Latausta ei luo vain elektronin kiertävä liike, vaan myös toinen ominaisuus, joka tunnetaan nimelläpyöritä. Kuten käy ilmi, spin on paljon tärkeämpi magneettisten ominaisuuksien määrittämisessä kuin kiertoradan liike, koska atomin kokonaiskierros on todennäköisemmin epäsymmetrinen ja kykenevä luomaan magneettisen hetki.

Voit ajatella spinin olevan elektronin pyörimissuunta, vaikka tämä on vain karkea arvio. Spin on elektronien luontainen ominaisuus, ei liiketila. Elektronilla, joka pyörii myötäpäivään, onpositiivinen spintai pyöritä ylöspäin, kun taas vastapäivään pyörivällä onnegatiivinen spintai pyöritä alas.

Elektronikierros on kvanttimekaaninen ominaisuus ilman klassista analogiaa, ja se määrittää elektronien sijoittumisen ytimen ympärille. Elektronit järjestävät itsensä spin-up- ja spin-down-pareiksi kussakin kuoressa luodakseen nollaverkonmagneettinen momentti​.

Magneettisten ominaisuuksien luomisesta vastaavat elektronit ovat syrjäisimpiä taivalenssi, atomin kuoret. Yleensä parittoman elektronin läsnäolo atomin ulkokuoressa luo nettomagneettisen momentin ja antaa magneettisia ominaisuuksia, kun taas atomilla, joiden ulkokuoressa on pariliitoksia, ei ole nettovarausta ja ne ovat diamagneettinen. Tämä on yksinkertaistettua, koska valenssielektronit voivat käyttää pienempiä energiankuoria joissakin alkuaineissa, erityisesti raudassa (Fe).

Kiertävien elektronien luomat virtasilmukat tekevät jokaisesta materiaalista diamagneettisen, koska magneettikenttää käytettäessä kaikki virtasilmukat kohdistuvat sitä vastakkain ja vastustavat kenttää. Tämä on sovelluksenLenzin laki, jossa todetaan, että indusoitu magneettikenttä vastustaa sitä luovan kentän. Jos elektronin spin ei pääty yhtälöön, se olisi tarinan loppu, mutta spin tulee siihen.

Yhteensämagneettinen momentti J​atomin arvo on sen summakiertoradan kulmamomenttija se onpyöritä kulmamomenttia. KunJ= 0, atomi ei ole magneettinen, ja milloinJ≠ 0, atomi on magneettinen, mikä tapahtuu, kun on ainakin yksi parittamaton elektroni.

Näin ollen mikä tahansa atomi tai yhdiste, jolla on täysin täytetyt orbitaalit, on diamagneettinen. Helium ja kaikki jalokaasut ovat ilmeisiä esimerkkejä, mutta jotkut metallit ovat myös diamagneettisia. Tässä on muutama esimerkki:

• Sinkki
• Elohopea
• Tina
• Telluurium
• Kulta
• Hopea
• Kupari

Diamagnetismi ei ole nettotulos siitä, että jotkin aineen atomit vetävät magneettikentän yhteen suuntaan ja toiset toiseen suuntaan. Jokainen diamagneettisen materiaalin atomi on diamagneettinen ja kokee saman heikon työnnön ulkoiselle magneettikentälle. Tämä vastenmielisyys voi luoda mielenkiintoisia vaikutuksia. Jos ripustat diamagneettisen materiaalin, kuten kullan, tangon voimakkaaseen magneettikenttään, se kohdistuu kohtisuoraan kenttään.

Jos ainakin yksi elektroni atomin ulkokuoressa on parittamaton, atomilla on nettomagneettinen momentti ja se kohdistuu itseensä ulkoisen magneettikentän kanssa. Useimmissa kohdistus menetetään, kun kenttä poistetaan. Tämä on paramagneettista käyttäytymistä, ja yhdisteet voivat osoittaa sitä sekä elementtejä.

Jotkut yleisemmistä paramagneettisista metalleista ovat:

• Magnesium
• Alumiini
• Volframi
• Platina

Jotkut metallit ovat niin heikosti paramagneettisia, että niiden vaste magneettikentälle on tuskin havaittavissa. Atomit kohdistuvat magneettikentän kanssa, mutta suuntaus on niin heikko, että tavallinen magneetti ei houkuttele sitä.

Et voinut nostaa metallia kestomagneetilla, riippumatta siitä kuinka kovasti yritit. Pystyt kuitenkin mittaamaan metallissa syntyvän magneettikentän, jos sinulla on tarpeeksi herkkä instrumentti. Kun magneettikenttä on riittävän voimakas, paramagneettisen metallin tanko kohdistuu kentän suuntaisesti.

Kun ajattelet ainetta, jolla on magneettisia ominaisuuksia, ajattelet yleensä metallia, mutta muutamat ei-metallit, kuten kalsium ja happi, ovat myös paramagneettisia. Voit osoittaa hapen paramagneettisen luonteen itsellesi yksinkertaisella kokeella.

Kaada nestemäistä happea voimakkaan sähkömagneetin napojen väliin, ja happi kerääntyy napoihin ja höyrystyy tuottaen kaasupilven. Kokeile samaa kokeilua nestemäisellä typellä, joka ei ole paramagneettinen, eikä mitään tapahdu.

Jotkut magneettiset elementit ovat niin herkkiä ulkoisille kentille, että ne magnetoituvat, kun ne altistuvat yhdelle, ja ne säilyttävät magneettiset ominaisuutensa, kun kenttä poistetaan. Näitä ferromagneettisia elementtejä ovat:

• Rauta
• Nikkeli
• Koboltti
• Gadolinium
• Rutiini

Nämä elementit ovat ferromagneettisia, koska yksittäisten atomien orbitaalikuorissa on enemmän kuin yksi parittamaton elektroni. mutta siellä on myös jotain muuta. Näiden alkuaineiden atomit muodostavat ryhmiä, jotka tunnetaan nimelläverkkotunnukset, ja kun lisäät magneettikentän, verkkotunnukset kohdistavat itsensä kentän kanssa ja pysyvät linjassa myös kentän poistamisen jälkeen. Tämä viivästynyt vaste tunnetaan nimellähysterisis,ja se voi kestää vuosia.

Jotkut vahvimmista kestomagneeteista tunnetaan nimelläharvinaisten maametallien magneetit. Kaksi yleisintä ovatneodyymimagneetit, jotka koostuvat neodyymin, raudan ja boorin yhdistelmästä jasamariumkobolttimagneetit, jotka ovat näiden kahden elementin yhdistelmä. Kussakin magneettityypissä ferromagneettista materiaalia (rauta, koboltti) vahvistetaan paramagneettisella harvinaisten maametallien elementillä.

​Ferriittimagneetit, jotka on valmistettu raudasta, jaalnicomagneetit, jotka on valmistettu alumiinin, nikkelin ja koboltin yhdistelmästä, ovat yleensä heikompia kuin harvinaisten maametallien magneetit. Tämä tekee niistä turvallisempia käyttää ja soveltuvampia tieteellisiin kokeisiin.

Jokaisella magneettisella materiaalilla on ominaislämpötila, jonka yläpuolella se alkaa menettää magneettisia ominaisuuksiaan. Tätä kutsutaanCurie-piste, nimetty ranskalaisen fyysikon Pierre Curien mukaan, joka löysi lait, jotka liittyvät magneettiseen kykyyn lämpötilaan. Curie-pisteen yläpuolella ferromagneettisen materiaalin atomit alkavat menettää kohdistuksensa, ja materiaalista tulee paramagneettinen tai, jos lämpötila on riittävän korkea, diamagneettinen.

Raudan Curie-piste on 1418 F (770 C) ja koboltti 2050 F (1121 C), joka on yksi korkeimmista Curie-pisteistä. Kun lämpötila laskee alle Curie-pisteen, materiaali saa takaisin ferromagneettiset ominaisuutensa.

Magnetite, joka tunnetaan myös nimellä rautamalmi tai rautaoksidi, on harmaa-musta mineraali, jolla on kemiallinen kaava Fe₃O₄ se on teräksen raaka-aine. Se käyttäytyy kuin ferromagneettinen materiaali, joka magnetoituu pysyvästi altistuessaan ulkoiselle magneettikentälle. 1900-luvun puoliväliin asti kaikki olettivat sen olevan ferromagneettinen, mutta se on itse asiassaferrimagneettinen, ja siinä on merkittävä ero.

Magnetiitin ferrimagneettisuus ei ole kaikkien materiaalissa olevien atomien magneettisten momenttien summa, mikä olisi totta, jos mineraali olisi ferromagneettinen. Se on seurausta itse mineraalin kiteisestä rakenteesta.

Magnetite koostuu kahdesta erillisestä ristikkorakenteesta, oktaedrisesta ja tetraedraalisesta. Näillä kahdella rakenteella on vastakkaiset mutta epätasaiset polariteetit, ja seurauksena on nettomagneettisen momentin tuottaminen. Muita tunnettuja ferrimagneettisia yhdisteitä ovat yttriumrautagranaatti ja pyrrotiitti.

Tietyn lämpötilan alapuolella, jota kutsutaanNéelin lämpötilaranskalaisen fyysikon Louis Néelin jälkeen jotkut metallit, seokset ja ioniset kiinteät aineet menettävät paramagneettiset ominaisuutensa ja reagoivat ulkoisiin magneettikenttiin. Ne ovat olennaisesti demagnetisoituneet. Tämä tapahtuu, koska materiaalin hilarakenteessa olevat ionit kohdistuvat vastakkaisiin järjestelyihin koko rakenteessa ja luovat vastakkaisia ​​magneettikenttiä, jotka kumoavat toisensa.

Néelin lämpötilat voivat olla hyvin matalat, luokkaa -150 C (-240 F), jolloin yhdisteet ovat paramagneettisia kaikissa käytännön tarkoituksissa. Joidenkin yhdisteiden Néel-lämpötilat ovat kuitenkin huoneen lämpötilan tai sitä korkeammalla alueella.

Hyvin matalissa lämpötiloissa antiferromagneettisilla materiaaleilla ei ole magneettista käyttäytymistä. Lämpötilan noustessa osa atomeista irtoaa hilarakenteesta ja kohdistuu magneettikenttään, ja materiaali muuttuu heikosti magneettiseksi. Kun lämpötila saavuttaa Néelin lämpötilan, tämä paramagnetismi saavuttaa huippunsa, mutta lämpötilan noustessa tämän yli piste, terminen sekoitus estää atomeja ylläpitämästä kohdistustaan ​​kentän kanssa, ja magnetismi putoaa tasaisesti vinossa.

Ei monet alkuaineet ovat antiferromagneettisia - vain kromi ja mangaani. Antiferromagneettisiin yhdisteisiin kuuluvat mangaanioksidi (MnO), jotkut rautaoksidin muodot (Fe₂O₃) ja vismuttiferriitti (BiFeO₃).