Zašto magneti nemaju utjecaja na neke metale

Magnetizam i električna energija povezani su tako usko da biste ih mogli čak smatrati dvije strane iste medalje. Magnetska svojstva koja pokazuju neki metali rezultat su stanja elektrostatičkog polja u atomima koji čine metal.

U stvari, svi elementi imaju magnetska svojstva, ali većina ih ne očituje na očit način. Metali koje privlače magneti imaju jedno zajedničko, a to su nespareni elektroni u njihovim vanjskim ljuskama. To je samo jedan elektrostatički recept za magnetizam, i to najvažniji.

Metali koje možete trajno namagnetizirati poznati su kaoferomagnetskimetala, a popis tih metala je mali. Ime potječe izferrum, latinska riječ za željezo.​

Mnogo je duži popis materijala koji to jesuparamagnetski, što znači da se privremeno magnetiziraju u prisutnosti magnetskog polja. Paramagnetski materijali nisu svi metali. Neki kovalentni spojevi, poput kisika (O₂) pokazuju paramagnetizam, kao i neke ionske krutine.

Svi materijali koji nisu feromagnetski ili paramagnetski jesu

Da biste razumjeli razlike između ove tri klase magnetizma, morate pogledati što se događa na atomskoj razini.

U trenutno prihvaćenom modelu atoma, jezgra se sastoji od pozitivno nabijenih protona i električno neutralni neutroni koje drži zajedno snažna sila, jedna od temeljnih sila priroda. Oblak negativno nabijenih elektrona koji zauzimaju diskretne razine energije, odnosno ljuske, okružuje jezgru i to su ono što daje magnetske osobine.

Elektron u orbiti stvara promjenjivo električno polje, a prema Maxwellovim jednadžbama to je recept za magnetsko polje.Veličina polja jednaka je površini unutar orbite pomnoženoj sa strujom.Pojedinačni elektron generira sićušnu struju i rezultirajuće magnetsko polje, koje se mjeri u jedinicama tzvBohrovi magnetoni, je također malen. U tipičnom atomu polja koja generiraju svi njegovi elektroni u orbiti uglavnom se međusobno poništavaju.

Naboj nije samo kružno kretanje elektrona već i drugo svojstvo poznato kaovrtjeti se. Ispostavilo se da je spin mnogo važniji u određivanju magnetskih svojstava od orbitalnog gibanja, jer je vjerojatnije da će ukupni spin u atomu biti asimetričan i sposoban stvoriti magnet trenutak.

O spinu možete razmišljati kao o smjeru rotacije elektrona, iako je ovo samo gruba aproksimacija. Spin je svojstveno svojstvo elektrona, a ne stanje gibanja. Elektron koji se vrti u smjeru kazaljke na satu imapozitivno okretanje, ili se okrenuti prema gore, dok onaj koji se okreće u smjeru suprotnom od kazaljke na satu imanegativni spin, ili se okrenuti prema dolje.

Spin elektrona kvantno je mehaničko svojstvo bez klasične analogije i određuje smještaj elektrona oko jezgre. Elektroni se u svakoj ljusci raspoređuju u spinove prema gore i prema dolje tako da stvaraju nultu mrežumagnetski moment​.

Elektroni odgovorni za stvaranje magnetskih svojstava su oni u najudaljenijim, ilivalencija, ljuske atoma. Općenito, prisutnost nesparenog elektrona u vanjskoj ovojnici atoma stvara neto magnetski moment i daje magnetska svojstva, dok atomi s uparenim elektronima u vanjskoj ovojnici nemaju neto naboj i jesu dijamagnetski. Ovo je pretjerano pojednostavljenje, jer valentni elektroni mogu zauzimati niže energetske ljuske u nekim elementima, posebno željezu (Fe).

Strujne petlje stvorene kruženjem elektrona čine svaki materijal dijamagnetskim, jer kada se primijeni magnetsko polje, sve se strujne petlje poravnaju suprotno njemu i suprotstavljaju se polju. Ovo je aplikacijaLenzov zakon, koji kaže da se inducirano magnetsko polje suprotstavlja polju koje ga stvara. Da spin elektrona nije ušao u jednadžbu, to bi bio kraj priče, ali spin ipak uđe u nju.

Ukupnomagnetski moment J​atoma je zbroj njegovihorbitalni kutni momentI jevrtljivi kutni moment. KadaJ= 0, atom je nemagnetičan i kadaJ≠ 0, atom je magnetski, što se događa kada postoji barem jedan nespareni elektron.

Prema tome, bilo koji atom ili spoj s potpuno ispunjenim orbitalama je dijamagnetski. Helij i svi plemeniti plinovi očiti su primjeri, ali neki su metali i dijamagnetski. Evo nekoliko primjera:

• Cinkov
• Merkur
• Kositar
• Telur
• Zlato
• Srebro
• Bakar

Dijamagnetizam nije neto rezultat nekih atoma u supstanci koje magnetno polje povlači u jednom smjeru, a drugih u drugom smjeru. Svaki atom u dijamagnetskom materijalu je dijamagnetičan i doživljava istu slabu odbojnost prema vanjskom magnetskom polju. Ova odbojnost može stvoriti zanimljive efekte. Ako objesite šipku dijamagnetskog materijala, poput zlata, u jako magnetsko polje, položit će se okomito na polje.

Ako barem jedan elektron u vanjskoj ovojnici atoma nije uparen, atom ima neto magnetski moment i on će se poravnati s vanjskim magnetskim poljem. U većini slučajeva poravnanje se gubi uklanjanjem polja. To je paramagnetsko ponašanje, a spojevi ga mogu pokazivati ​​kao i elementi.

Neki od najčešćih paramagnetskih metala su:

• Magnezij
• Aluminij
• Volfram
• Platina

Neki su metali toliko slabo paramagnetični da se njihov odgovor na magnetsko polje teško može primijetiti. Atomi se poravnaju s magnetskim poljem, ali poravnanje je toliko slabo da ga obični magnet ne privlači.

Metal niste mogli pokupiti trajnim magnetom, bez obzira koliko se trudili. Međutim, mogli biste izmjeriti magnetsko polje generirano u metalu da imate dovoljno osjetljiv instrument. Kada se stavi u magnetsko polje dovoljne jakosti, šipka paramagnetskog metala poravnat će se paralelno s poljem.

Kad razmišljate o tvari koja ima magnetske karakteristike, općenito mislite o metalu, ali nekoliko nemetala, poput kalcija i kisika, također je paramagnetsko. Jednostavnim eksperimentom možete sami pokazati paramagnetsku prirodu kisika.

Ulijte tekući kisik između polova moćnog elektromagneta, a kisik će se skupljati na polovima i ispariti, stvarajući oblak plina. Pokušajte isti eksperiment s tekućim dušikom, koji nije paramagnetičan, i ništa se neće dogoditi.

Neki su magnetski elementi toliko osjetljivi na vanjska polja da se magnetiziraju kad su izloženi jednom, a zadržavaju svoje magnetske karakteristike kad se polje ukloni. Ti feromagnetski elementi uključuju:

• Željezo
• Nikla
• Kobalt
• Gadolinij
• Rutenij

Ti su elementi feromagnetski jer pojedini atomi imaju više od jednog nesparenog elektrona u svojim orbitalnim ljuskama. ali događa se i nešto drugo. Atomi ovih elemenata tvore skupine poznate kaodomene, a kada uvedete magnetsko polje, domene se poravnaju s poljem i ostaju poravnane, čak i nakon što uklonite polje. Ovaj odgođeni odgovor poznat je pod nazivomhisterizacija,a može trajati godinama.

Neki od najjačih stalnih magneta poznati su kaomagneti rijetke zemlje. Dvije od najčešćih suneodimmagneti koji se sastoje od kombinacije neodimija, željeza i bora isamarij kobaltmagneti, koji su kombinacija ta dva elementa. U svakoj vrsti magneta feromagnetski materijal (željezo, kobalt) ojačan je paramagnetskim elementom rijetke zemlje.

​Feritmagneti, koji su izrađeni od željeza, ialnicomagneti, izrađeni od kombinacije aluminija, nikla i kobalta, uglavnom su slabiji od magneta rijetkih zemalja. To ih čini sigurnijima za uporabu i prikladnijima za znanstvene eksperimente.

Svaki magnetski materijal ima karakterističnu temperaturu iznad koje počinje gubiti svoje magnetske karakteristike. Ovo je poznato kaoCurie točka, nazvan po Pierreu Curieu, francuskom fizičaru koji je otkrio zakone koji povezuju magnetsku sposobnost s temperaturom. Iznad točke Curie, atomi u feromagnetskom materijalu počinju gubiti svoje poravnanje, a materijal postaje paramagnetski ili, ako je temperatura dovoljno visoka, dijamagnetski.

Curiejeva točka za željezo iznosi 1418 F (770 C), a za kobalt 2.050 F (1.121 C), što je jedna od najviših Curieve točke. Kad temperatura padne ispod Curiejeve točke, materijal vraća svoje feromagnetske karakteristike.

Magnetit, također poznat kao željezna ruda ili željezov oksid, je sivo-crni mineral kemijske formule Fe₃O₄ to je sirovina za čelik. Ponaša se poput feromagnetskog materijala, postajući trajno magnetiziran kada je izložen vanjskom magnetskom polju. Do sredine dvadesetog stoljeća svi su pretpostavljali da je feromagnetski, ali zapravo je takoferrimagnetski, i postoji značajna razlika.

Ferrimagnetizam magnetita nije zbroj magnetskih momenata svih atoma u materijalu, što bi bilo točno da je mineral feromagnetski. To je posljedica kristalne strukture samog minerala.

Magnetit se sastoji od dvije zasebne rešetkaste strukture, oktaedarske i tetraedarske. Dvije strukture imaju suprotstavljene, ali nejednake polaritete, a učinak je stvaranje neto magnetskog momenta. Ostali poznati ferrimagnetski spojevi uključuju itrij-željezni granat i pirotit.

Ispod određene temperature, koja se nazivaNéel temperaturanakon francuskog fizičara Louisa Néela, neki metali, legure i ionske krutine gube svoje paramagnetske osobine i postaju nereagirani na vanjska magnetska polja. Oni se u biti demagnetiziraju. To se događa zato što se ioni u rešetkastoj strukturi materijala poravnavaju u antiparalelnim rasporedima kroz strukturu, stvarajući suprotna magnetska polja koja se međusobno poništavaju.

Neelove temperature mogu biti vrlo niske, reda od -150 ° C, čineći spojeve paramagnetskim za sve praktične svrhe. Međutim, neki spojevi imaju Néelove temperature u rasponu sobne temperature ili više.

Na vrlo niskim temperaturama antiferromagnetski materijali ne pokazuju magnetsko ponašanje. Kako temperatura raste, neki se atomi oslobađaju rešetkaste strukture i poravnavaju se s magnetskim poljem, a materijal postaje slabo magnetski. Kad temperatura dosegne Néelovu temperaturu, ovaj paramagnetizam doseže svoj vrhunac, ali kako temperatura raste i iznad toga točka, toplinska agitacija sprječava atome da održavaju svoje poravnanje s poljem, a magnetizam stalno pada isključiti.

Nisu mnogi elementi antiferromagnetski - samo krom i mangan. Antiferromagnetski spojevi uključuju manganov oksid (MnO), neke oblike željeznog oksida (Fe₂O₃) i bizmut-ferit (BiFeO₃).