Perché i magneti non hanno effetti su alcuni metalli Metal

Magnetismo ed elettricità sono così intimamente connessi che potresti persino considerarli due facce della stessa medaglia. Le proprietà magnetiche esibite da alcuni metalli sono il risultato delle condizioni del campo elettrostatico negli atomi che compongono il metallo.

In effetti, tutti gli elementi hanno proprietà magnetiche, ma la maggior parte non le manifesta in modo ovvio. I metalli che sono attratti dai magneti hanno una cosa in comune, ovvero gli elettroni spaiati nei loro gusci esterni. Questa è solo una ricetta elettrostatica per il magnetismo, ed è la più importante.

I metalli che puoi magnetizzare in modo permanente sono noti comeferromagneticometalli, e l'elenco di questi metalli è piccolo. Il nome deriva daferrum, la parola latina per ferro.​

C'è un elenco molto più lungo di materiali che sonoparamagnetico, il che significa che si magnetizzano temporaneamente in presenza di un campo magnetico. I materiali paramagnetici non sono tutti metalli. Alcuni composti covalenti, come l'ossigeno (O

Tutti i materiali che non sono ferromagnetici o paramagnetici lo sonodiamagnetico, il che significa che mostrano una leggera repulsione ai campi magnetici e un normale magnete non li attrae. In realtà, tutti gli elementi e i composti sono in una certa misura diamagnetici.

Per capire le differenze tra queste tre classi di magnetismo, devi guardare cosa sta succedendo a livello atomico.

Nel modello dell'atomo attualmente accettato, il nucleo è costituito da protoni carichi positivamente e neutroni elettricamente neutri tenuti insieme dalla forza forte, una delle forze fondamentali di natura. Una nuvola di elettroni caricati negativamente che occupano livelli energetici discreti, o gusci, circonda il nucleo, e questi sono ciò che conferisce qualità magnetiche.

Un elettrone in orbita genera un campo elettrico variabile e, secondo le equazioni di Maxwell, questa è la ricetta per un campo magnetico.La grandezza del campo è uguale all'area all'interno dell'orbita moltiplicata per la corrente.Un singolo elettrone genera una piccola corrente e il risultante campo magnetico, che viene misurato in unità chiamateMagnetoni di Bohr, è anche minuscolo. In un tipico atomo, i campi generati da tutti i suoi elettroni orbitanti generalmente si annullano a vicenda.

Non è solo il moto orbitante di un elettrone che crea la carica, ma anche un'altra proprietà nota comerotazione. A quanto pare, lo spin è molto più importante nel determinare le proprietà magnetiche rispetto al movimento orbitale, perché lo spin complessivo in un atomo è più probabile che sia asimmetrico e in grado di creare un magnetico momento.

Puoi pensare allo spin come alla direzione di rotazione di un elettrone, sebbene questa sia solo un'approssimazione approssimativa. Lo spin è una proprietà intrinseca degli elettroni, non uno stato di movimento. Un elettrone che gira in senso orario haspin positivo, o gira verso l'alto, mentre uno che ruota in senso antiorario haspin negativo, o girare verso il basso.

Lo spin dell'elettrone è una proprietà della meccanica quantistica senza un'analogia classica e determina il posizionamento degli elettroni attorno al nucleo. Gli elettroni si dispongono in coppie spin-up e spin-down in ciascun guscio in modo da creare una rete zeromomento magnetico​.

Gli elettroni responsabili della creazione delle proprietà magnetiche sono quelli più esterni, ovalenza, gusci dell'atomo. In generale, la presenza di un elettrone spaiato nel guscio esterno di un atomo crea un momento magnetico netto e conferisce proprietà magnetiche, mentre gli atomi con elettroni accoppiati nel guscio esterno non hanno carica netta e sono diamagnetico. Questa è una semplificazione eccessiva, perché gli elettroni di valenza possono occupare gusci di energia inferiore in alcuni elementi, in particolare il ferro (Fe).

I loop di corrente creati dagli elettroni orbitanti rendono ogni materiale diamagnetico, perché quando viene applicato un campo magnetico, i loop di corrente si allineano tutti in opposizione ad esso e si oppongono al campo. Questa è un'applicazione diLegge di Lenz, che afferma che un campo magnetico indotto si oppone al campo che lo crea. Se lo spin dell'elettrone non entrasse nell'equazione, quella sarebbe la fine della storia, ma lo spin ci entra.

Il totalemomento magnetico J​di di un atomo è la somma dei suoimomento angolare orbitalee la suamomento angolare di spin. quandoJ= 0, l'atomo è non magnetico e quandoJ0, l'atomo è magnetico, cosa che accade quando c'è almeno un elettrone spaiato.

Di conseguenza, qualsiasi atomo o composto con orbitali completamente pieni è diamagnetico. L'elio e tutti i gas nobili sono esempi ovvi, ma alcuni metalli sono anche diamagnetici. Ecco alcuni esempi:

• Zinco
• Mercurio
• Lattina
• Tellurio
• Oro
• Argento
• Rame

Il diamagnetismo non è il risultato netto di alcuni atomi in una sostanza che vengono tirati in un modo da un campo magnetico e altri vengono tirati in un'altra direzione. Ogni atomo in un materiale diamagnetico è diamagnetico e sperimenta la stessa debole repulsione verso un campo magnetico esterno. Questa repulsione può creare effetti interessanti. Se sospendete una barra di un materiale diamagnetico, come l'oro, in un forte campo magnetico, si allineerà perpendicolarmente al campo.

Se almeno un elettrone nel guscio esterno di un atomo non è accoppiato, l'atomo ha un momento magnetico netto e si allineerà con un campo magnetico esterno. Nella maggior parte dei casi, l'allineamento viene perso quando il campo viene rimosso. Questo è un comportamento paramagnetico e i composti possono esibirlo così come gli elementi.

Alcuni dei metalli paramagnetici più comuni sono:

• Magnesio
• Alluminio
• Tungsteno
• Platino

Alcuni metalli sono così debolmente paramagnetici che la loro risposta a un campo magnetico è appena percettibile. Gli atomi si allineano con un campo magnetico, ma l'allineamento è così debole che un normale magnete non lo attrae.

Non potevi sollevare il metallo con un magnete permanente, per quanto tu ci provassi. Tuttavia, saresti in grado di misurare il campo magnetico generato nel metallo se avessi uno strumento abbastanza sensibile. Quando posta in un campo magnetico di forza sufficiente, una barra di un metallo paramagnetico si allineerà parallelamente al campo.

Quando si pensa a una sostanza con caratteristiche magnetiche, generalmente si pensa a un metallo, ma anche alcuni non metalli, come calcio e ossigeno, sono paramagnetici. Puoi dimostrare da solo la natura paramagnetica dell'ossigeno con un semplice esperimento.

Versa ossigeno liquido tra i poli di un potente elettromagnete e l'ossigeno si raccoglierà sui poli e vaporizzerà, producendo una nuvola di gas. Prova lo stesso esperimento con l'azoto liquido, che non è paramagnetico, e non accadrà nulla.

Alcuni elementi magnetici sono così sensibili ai campi esterni che si magnetizzano quando vengono esposti a uno di essi e mantengono le loro caratteristiche magnetiche quando il campo viene rimosso. Questi elementi ferromagnetici includono:

• Ferro
• Nichel
• Cobalto
• gadolinio
• Rutenio

Questi elementi sono ferromagnetici perché i singoli atomi hanno più di un elettrone spaiato nei loro gusci orbitali. ma c'è anche qualcos'altro. Gli atomi di questi elementi formano gruppi noti comedominie quando si introduce un campo magnetico, i domini si allineano con il campo e rimangono allineati, anche dopo aver rimosso il campo. Questa risposta ritardata è nota comeisteresi,e può durare anni.

Alcuni dei più potenti magneti permanenti sono conosciuti comemagneti di terre rare. Due dei più comuni sononeodimiomagneti, che consistono in una combinazione di neodimio, ferro e boro, esamario cobaltomagneti, che sono una combinazione di questi due elementi. In ogni tipo di magnete, un materiale ferromagnetico (ferro, cobalto) è fortificato da un elemento paramagnetico di terre rare.

​ferritemagneti, che sono fatti di ferro, ealnicoi magneti, che sono costituiti da una combinazione di alluminio, nichel e cobalto, sono generalmente più deboli dei magneti in terre rare. Questo li rende più sicuri da usare e più adatti per esperimenti scientifici.

Ogni materiale magnetico ha una temperatura caratteristica al di sopra della quale inizia a perdere le sue caratteristiche magnetiche. Questo è noto comepunto curie, dal nome di Pierre Curie, il fisico francese che scoprì le leggi che mettono in relazione la capacità magnetica con la temperatura. Sopra il punto di Curie, gli atomi in un materiale ferromagnetico iniziano a perdere il loro allineamento e il materiale diventa paramagnetico o, se la temperatura è sufficientemente alta, diamagnetico.

Il punto Curie per il ferro è 1418 F (770 C) e per il cobalto è 2.050 F (1.121 C), che è uno dei punti Curie più alti. Quando la temperatura scende al di sotto del punto di Curie, il materiale riacquista le sue caratteristiche ferromagnetiche.

La magnetite, nota anche come minerale di ferro o ossido di ferro, è il minerale grigio-nero con la formula chimica Fe₃oh₄ questa è la materia prima per l'acciaio. Si comporta come un materiale ferromagnetico, magnetizzandosi in modo permanente se esposto a un campo magnetico esterno. Fino alla metà del ventesimo secolo, tutti pensavano che fosse ferromagnetico, ma in realtà lo èferrimagnetico, e c'è una differenza significativa.

Il ferrimagnetismo della magnetite non è la somma dei momenti magnetici di tutti gli atomi nel materiale, il che sarebbe vero se il minerale fosse ferromagnetico. È una conseguenza della struttura cristallina del minerale stesso.

La magnetite è costituita da due strutture reticolari separate, una ottaedrica e una tetraedrica. Le due strutture hanno polarità opposte ma disuguali e l'effetto è quello di produrre un momento magnetico netto. Altri composti ferrimagnetici noti includono ittrio ferro granato e pirrotite.

Al di sotto di una certa temperatura, dettaNéel temperaturadopo il fisico francese Louis Néel, alcuni metalli, leghe e solidi ionici perdono le loro qualità paramagnetiche e diventano insensibili ai campi magnetici esterni. Essenzialmente diventano smagnetizzate. Ciò accade perché gli ioni nella struttura reticolare del materiale si allineano in disposizioni antiparallele in tutta la struttura, creando campi magnetici opposti che si annullano a vicenda.

Le temperature di Néel possono essere molto basse, nell'ordine di -150 C (-240 F), rendendo i composti paramagnetici a tutti gli effetti. Tuttavia, alcuni composti hanno temperature Néel nell'intervallo della temperatura ambiente o superiore.

A temperature molto basse, i materiali antiferromagnetici non mostrano alcun comportamento magnetico. All'aumentare della temperatura, alcuni degli atomi si liberano dalla struttura reticolare e si allineano con il campo magnetico, e il materiale diventa debolmente magnetico. Quando la temperatura raggiunge la temperatura di Néel, questo paramagnetismo raggiunge il suo apice, ma quando la temperatura sale oltre questa punto, l'agitazione termica impedisce agli atomi di mantenere il loro allineamento con il campo e il magnetismo diminuisce costantemente spento.

Non molti elementi sono antiferromagnetici, solo cromo e manganese. I composti antiferromagnetici includono l'ossido di manganese (MnO), alcune forme di ossido di ferro (Fe₂oh₃) e ferrite di bismuto (BiFeO₃).