Miért nincsenek hatása a mágneseknek egyes fémekre?

A mágnesség és az áram olyan szorosan kapcsolódik egymáshoz, hogy akár egyazon érme két oldalának is tekintheti őket. Egyes fémek mágneses tulajdonságai a fémet alkotó atomokban az elektrosztatikus mező körülményeinek következményei.

Valójában minden elem rendelkezik mágneses tulajdonságokkal, de a legtöbb nem nyilvánvaló módon nyilvánul meg. A mágnesekhez vonzódó fémeknek egy közös vonása van, és ez a páratlan elektronok a külső héjban. Ez csak egy mágnesességi elektrosztatikus recept, és ez a legfontosabb.

A tartósan mágnesezhető fémek néven ismertekferromágnesesfémek, és ezeknek a fémeknek a listája kicsi. A név származikferrum, a latin vas szó.​

Sokkal hosszabb az anyagok listájaparamágneses, ami azt jelenti, hogy mágneses mező jelenlétében ideiglenesen mágnesesek lesznek. A paramágneses anyagok nem minden fém. Néhány kovalens vegyület, például oxigén (O₂) paramágnesességet mutatnak, csakúgy, mint néhány ionos szilárd anyag.

Minden olyan anyag, amely nem ferromágneses vagy paramágneses, az

A mágnesség e három osztálya közötti különbségek megértéséhez meg kell vizsgálni, mi zajlik atom szinten.

Az atom jelenleg elfogadott modelljében a mag pozitív töltésű protonokból és elektromosan semleges neutronok, amelyeket az erős erő, az egyik alapvető erő tart össze természet. Negatívan töltött elektronok felhője, amely diszkrét energiaszinteket vagy héjakat foglal el, körülveszi a magot, és ezek adnak mágneses tulajdonságokat.

A keringő elektron változó elektromos teret generál, és Maxwell egyenletei szerint ez a mágneses mező receptje.A mező nagysága megegyezik a pálya belsejében lévő terület és az áram szorzatával.Az egyes elektronok apró áramot generálnak, és a keletkező mágneses mezőt egységenként mérve nevezzükBohr mágnesek, szintén apró. Egy tipikus atomban az összes keringő elektronja által generált mezők általában kioltják egymást.

Nem csak egy elektron keringő mozgása hozza létre a töltést, hanem egy másik tulajdonság isforogni. Mint kiderült, a spin sokkal fontosabb a mágneses tulajdonságok meghatározásában, mint az orbitális mozgás, mert az atom teljes spinje nagyobb valószínűséggel aszimmetrikus és képes mágnes létrehozására pillanat.

Gondolhat a spinre, mint egy elektron forgásirányára, bár ez csak durva közelítés. A forgás az elektronok belső tulajdonsága, nem pedig a mozgás állapota. Az óramutató járásával megegyező irányban forgó elektronnak vanpozitív pörgés, vagy forogjon felfelé, míg az óramutató járásával ellentétes irányban forognegatív pörgés, vagy pörögj le.

Az elektronpörgés kvantummechanikai tulajdonság, klasszikus analógia nélkül, és ez határozza meg az elektronok elhelyezkedését a mag körül. Az elektronok spin-up és spin-down párokban rendeződnek mindegyik héjban úgy, hogy nulla nettó értéket hozzanak létremágneses pillanat​.

A mágneses tulajdonságok létrehozásáért felelős elektronok a legkülső, illvegyérték, az atom héja. Általában egy párosítatlan elektron jelenléte az atom külső héjában nettó mágneses momentumot és mágneses tulajdonságokat kölcsönöz, míg a külső héjban párosított elektronokkal rendelkező atomoknak nincs nettó töltésük és vannak diamágneses. Ez túlzott leegyszerűsítés, mert a vegyértékű elektronok alacsonyabb energiahéjat foglalhatnak el egyes elemekben, különösen a vasban (Fe).

A keringő elektronok által létrehozott áramkörök minden anyagot diamágnesessé tesznek, mert ha mágneses teret alkalmaznak, akkor az áramkörök mind vele szemben állnak és szemben állnak a mezővel. Ez aLenz törvénye, amely kimondja, hogy egy indukált mágneses mező áll szemben az őt létrehozó mezővel. Ha az elektronpörgés nem lép be az egyenletbe, akkor ezzel vége a történetnek, de a spin mégis belép.

A végösszegmágneses pillanat J​egy atom értéke annak összegeorbitális szögimpulzusés annakpörgés szöget. MikorJ= 0, az atom nem mágneses, és mikorJ≠ 0, az atom mágneses, ami akkor történik, ha van legalább egy párosítatlan elektron.

Következésképpen bármely, teljesen kitöltött pályával rendelkező atom vagy vegyület diamágneses. A hélium és az összes nemesgáz nyilvánvaló példa, de néhány fém diamagneses is. Íme néhány példa:

• Cink
• Higany
• Ón
• Tellúr
• Arany
• Ezüst
• Réz

A dimagnetizmus nem annak a nettó eredménye, hogy az anyag egyes atomjait egy mágneses mező, másokat más irányba húzza. A diamágneses anyag minden atomja diamágneses, és ugyanolyan gyenge taszítást tapasztal egy külső mágneses tér felé. Ez az taszítás érdekes hatásokat hozhat létre. Ha egy diamágneses anyag rúdját, például az aranyat, erős mágneses mezőbe függeszti, akkor az a mezőre merőlegesen igazodik.

Ha az atom külső héjában legalább egy elektron nem párosodik, akkor az atomnak nettó mágneses nyomatéka van, és igazodni fog egy külső mágneses mezőhöz. A legtöbb esetben az igazítás elvész a mező eltávolításakor. Ez paramagnetikus viselkedés, és a vegyületek elemekkel együtt is megmutathatják.

Néhány leggyakoribb paramágneses fém:

• Magnézium
• Alumínium
• Volfrám
• Platina

Egyes fémek annyira gyengén paramágnesesek, hogy a mágneses mezőre adott válaszuk alig észrevehető. Az atomok igazodnak a mágneses mezőhöz, de az igazodás annyira gyenge, hogy egy közönséges mágnes nem vonzza.

Nem lehetett állandó mágnessel felvenni a fémet, bármennyire is próbálkozott. Ugyanakkor képes lenne mérni a fémben keletkező mágneses teret, ha elég érzékeny műszere lenne. Megfelelő szilárdságú mágneses mezőbe helyezve a paramágneses fém rúdja párhuzamosan áll a mezővel.

Ha mágneses tulajdonságokkal rendelkező anyagra gondol, általában egy fémre gondol, de néhány nemfém, például kalcium és oxigén, szintén paramágneses. Egy egyszerű kísérlet segítségével bemutathatja saját maga számára az oxigén paramágneses természetét.

Öntsön folyékony oxigént egy erőteljes elektromágnes pólusai közé, és az oxigén összegyűlik a pólusokon és elpárolog, gázfelhőt képezve. Próbálja ki ugyanazt a kísérletet folyékony nitrogénnel, amely nem paramágneses, és semmi sem fog történni.

Egyes mágneses elemek annyira érzékenyek a külső mezőkre, hogy mágnesesek lesznek, ha azoknak ki vannak téve, és a mező eltávolításakor megőrzik mágneses jellemzőiket. Ezek a ferromágneses elemek a következők:

• Vas
• Nikkel
• Kobalt
• Gadolínium
• Ruténium

Ezek az elemek ferromágnesesek, mert az egyes atomok orbitális héjában egynél több párosítatlan elektron található. de van valami más is. Ezen elemek atomjai az úgynevezett csoportokat alkotjákdomainek, és amikor mágneses teret vezet be, a tartományok igazodnak a mezőhöz, és igazodnak a mező eltávolítása után is. Ez a késleltetett válasz néven ismerthiszteris,és évekig tarthat.

A legerősebb állandó mágnesek egyike ismertritkaföldfém mágnesek. A két leggyakoribbneodímiummágnesek, amelyek neodímium, vas és bór kombinációjából állnak, ésszamárium kobaltmágnesek, amelyek e két elem kombinációját alkotják. A mágnesek mindegyik típusában egy ferromágneses anyagot (vas, kobalt) erősít egy paramágneses ritkaföldfém elem.

​Ferritmágnesek, amelyek vasból készülnek, ésalnicoAz alumínium, a nikkel és a kobalt kombinációjából készült mágnesek általában gyengébbek, mint a ritkaföldfém mágnesek. Ez biztonságosabbá teszi őket a használatukban, és alkalmasabb a tudományos kísérletekre.

Minden mágneses anyag jellemző hőmérséklete meghaladja a mágneses jellemzőit. Ez az úgynevezettCurie-pont, nevezték el Pierre Curie-ről, a francia fizikusról, aki felfedezte azokat a törvényeket, amelyek a mágneses képességhez kapcsolódnak a hőmérséklethez. A Curie-pont felett a ferromágneses anyagban lévő atomok kezdik elveszíteni az igazodást, és az anyag paramágnesessé válik, vagy ha elég magas a hőmérséklet, akkor diamágneses.

A vas Curie-pontja 1470 F (770 C), a kobalt esetében pedig 2050 F (1121 C), amely az egyik legmagasabb Curie-pont. Amikor a hőmérséklet Curie-pontja alá esik, az anyag visszanyeri ferromágneses jellemzőit.

A magnit, más néven vasérc vagy vasoxid, a szürke-fekete ásvány, amelynek kémiai képlete Fe₃O₄ ez az acél alapanyaga. Ferromágneses anyagként viselkedik, és véglegesen mágnesessé válik, ha külső mágneses mezőnek van kitéve. A huszadik század közepéig mindenki feltételezte, hogy ferromágneses, de valójában azferrimágneses, és van egy jelentős különbség.

A magnetit ferrimágnesessége nem az anyag összes atomjának mágneses momentumainak összege, ami igaz lenne, ha az ásvány ferromágneses lenne. Ez maga az ásvány kristályszerkezetének következménye.

A magnit két különálló rácsszerkezetből áll, egy oktaéderesből és egy egy tetraéderből. A két szerkezet ellentétes, de egyenlőtlen polaritással rendelkezik, és ennek eredményeként nettó mágneses momentum keletkezik. Egyéb ismert ferrimágneses vegyületek közé tartozik az ittrium vasgránát és a pirrhotit.

Egy bizonyos hőmérséklet alatt, amelyet aNéel hőmérsékletmiután Louis Néel francia fizikus néhány fém, ötvözet és ionos szilárd anyag elveszíti paramágneses tulajdonságait, és nem reagál a külső mágneses mezőkre. Lényegében demagnetizálódnak. Ez azért történik, mert az anyag rácsszerkezetében lévő ionok párhuzamos elrendezésben helyezkednek el az egész struktúrában, egymással ellentétes mágneses mezőket hozva létre, amelyek kioltják egymást.

A Néel hőmérséklete nagyon alacsony, -150 C (-240F) nagyságrendű lehet, ami a vegyületeket paramágnesessé teszi minden gyakorlati célból. Egyes vegyületek Néel-hőmérséklete azonban szobahőmérsékleti vagy annál magasabb tartományban van.

Nagyon alacsony hőmérsékleten az antiferromágneses anyagok nem mutatnak mágneses viselkedést. A hőmérséklet emelkedésével az atomok egy része kiszabadul a rácsszerkezetből és igazodik a mágneses mezőhöz, és az anyag gyengén mágnesessé válik. Amikor a hőmérséklet eléri a Néel hőmérsékletét, ez a paramágnesesség eléri a csúcsát, de mivel a hőmérséklet ezen túl emelkedik pont, a termikus keverés megakadályozza, hogy az atomok megtartsák a mezővel való összhangjukat, és a mágnesesség folyamatosan csökken ki.

Nem sok elem antiferromágneses - csak króm és mangán. Az antiferromágneses vegyületek közé tartozik a mangán-oxid (MnO), a vas-oxid egyes formái (Fe₂O₃) és bizmut-ferrit (BiFeO₃).