מדוע למגנטים אין השפעות על מתכות מסוימות

מגנטיות וחשמל מחוברים בצורה כה אינטימית עד שאולי אפילו תחשיבו כשני צדדים של אותו מטבע. התכונות המגנטיות המוצגות על ידי מתכות מסוימות הן תוצאה של תנאי שדה אלקטרוסטטיים באטומים המרכיבים את המתכת.

למעשה, לכל האלמנטים יש מאפיינים מגנטיים, אך לרובם אינם מבטאים אותם באופן ברור. במשותף למתכות שנמשכות למגנטים, דבר אחד משותף, וזה אלקטרונים לא מזוודים בקליפות החיצוניות שלהם. זה רק מתכון אלקטרוסטטי אחד למגנטיות, וזה החשוב ביותר.

מתכות שניתן למגנט לצמיתות מכונותפרומגנטיתמתכות, ורשימת המתכות הללו קטנה. השם בא מפרום, המילה הלטינית לברזל.​

יש רשימה ארוכה הרבה יותר של חומרים שהםפרמגנטית, כלומר הם מתמגנטים באופן זמני כאשר הם נמצאים בשדה מגנטי. לא כל החומרים המתכתיים. כמה תרכובות קוולנטיות, כגון חמצן (O₂) מפגינים פרמגנטיות, כמו גם כמה מוצקים יוניים.

כל החומרים שאינם פרומגנטיים או פרמגנטיים הםדיאמגנטי, כלומר הם מציגים דחייה קלה לשדות מגנטיים, ומגנט רגיל אינו מושך אותם. למעשה, כל היסודות והתרכובות הם דיאמגנטיים במידה מסוימת.

כדי להבין את ההבדלים בין שלושת סוגים אלה של מגנטיות, עליכם לבדוק מה קורה ברמה האטומית.

במודל האטום המקובל כיום, הגרעין מורכב מפרוטונים בעלי טעינה חיובית ו נויטרונים ניטרלים חשמלית המוחזקים יחד על ידי הכוח החזק, אחד הכוחות הבסיסיים של טֶבַע. ענן של אלקטרונים טעונים שלילית התופס רמות אנרגיה בדידות, או קליפות, מקיף את הגרעין, ואלה המקנים איכויות מגנטיות.

אלקטרון המקיף מייצר שדה חשמלי משתנה, ולפי משוואות מקסוול, זה המתכון לשדה מגנטי.גודל השדה שווה לאזור בתוך המסלול כפול הזרם.אלקטרון בודד מייצר זרם זעיר, ואת השדה המגנטי שנוצר, הנמדד ביחידות הנקראותמגנטים של בוהר, הוא גם זעיר. באטום אופייני, השדות שנוצרים על ידי כל האלקטרונים המעגלים שלו בדרך כלל מבטלים זה את זה.

זה לא רק תנועה מקיפה של אלקטרון שיוצר מטען, אלא גם מאפיין אחר המכונהסיבוב. כפי שמתברר, ספין חשוב הרבה יותר בקביעת תכונות מגנטיות מאשר תנועה מסלולית, מכיוון שסיבוב כולל באטום נוטה יותר להיות לא סימטרי ומסוגל ליצור מגנט רֶגַע.

אתה יכול לחשוב על סיבוב ככיוון הסיבוב של אלקטרון, אם כי זה רק קירוב גס. ספין הוא מאפיין מהותי של אלקטרונים, ולא מצב תנועה. יש לאלקטרון שמסתובב עם כיוון השעוןספין חיובי, או סיבוב למעלה, בעוד שיש אחד שמסתובב נגד כיוון השעוןספין שלילי, או סובב למטה.

ספין אלקטרונים הוא מאפיין מכני קוונטי ללא אנלוגיה קלאסית, והוא קובע את מיקום האלקטרונים סביב הגרעין. אלקטרונים מסדרים את עצמם בזוגות ספין-אפ וסיבוב-מטה בכל מעטפת כדי ליצור אפס נטורגע מגנטי​.

האלקטרונים האחראים ליצירת מאפיינים מגנטיים הם אלה החיצוניים ביותר, אוהערכיות, קליפות של האטום. באופן כללי, נוכחות של אלקטרון לא מזווג בקליפה החיצונית של האטום יוצר רגע מגנטי נטו מקנה תכונות מגנטיות, ואילו לאטומים עם אלקטרונים זוגיים בקליפה החיצונית אין מטען נטו והם דיאמגנטי. זהו פשטנות יתר, מכיוון שאלקטרוני ערכיות יכולים לתפוס קליפות אנרגיה נמוכות יותר ביסודות מסוימים, במיוחד בברזל (Fe).

לולאות הזרם שנוצרו על ידי אלקטרונים המקיפים את כל החומרים לדיאמגנטיים, מכיוון שכאשר מוחל שדה מגנטי, לולאות הזרם כולן מתיישרות כנגד זה ומתנגדות לשדה. זהו יישום שלחוק לנץ, שקובע ששדה מגנטי מושרה מתנגד לשדה שיוצר אותו. אם ספין אלקטרונים לא נכנס למשוואה, זה יהיה סוף הסיפור, אבל ספין נכנס אליו.

סך הכלרגע מגנטי י​של אטום הוא סכום שלומומנטום זוויתי מסלוליוזה שלהמסתובב מומנטום זוויתי. מתיי= 0, האטום אינו מגנטי, ומתיי≠ 0, האטום הוא מגנטי, מה שקורה כשיש לפחות אלקטרון לא מזווג אחד.

כתוצאה מכך, כל אטום או תרכובת עם אורביטלים מלאים לחלוטין הם דיאמגנטיים. הליום וכל הגזים האצילים הם דוגמאות מובנות מאליהן, אך חלק מהמתכות הן גם דיאמגנטיות. להלן מספר דוגמאות:

• אָבָץ
• כַּספִּית
• פַּח
• טלוריום
• זהב
• כסף
• נְחוֹשֶׁת

דיאמגנטיות אינה התוצאה נטו של אטומים מסוימים בחומר הנמשך בכיוון אחד על ידי שדה מגנטי ואחרים נמשכים לכיוון אחר. כל אטום בחומר דיאמגנטי הוא דיאמגנטי וחווה את אותה דחייה חלשה לשדה מגנטי חיצוני. דחייה זו יכולה ליצור אפקטים מעניינים. אם תשעו מוט של חומר דיאמגנטי, כמו זהב, בשדה מגנטי חזק, הוא יישר את עצמו בניצב לשדה.

אם לפחות אלקטרון אחד בקליפה החיצונית של האטום אינו מזווג, לאטום יש רגע מגנטי נטו, והוא יתיישר עם שדה מגנטי חיצוני. ברוב המקרים, היישור הולך לאיבוד כאשר מסירים את השדה. זו התנהגות פרמגנטית, ותרכובות יכולות להציג אותה כמו גם אלמנטים.

חלק מהמתכות הפרמגנטיות הנפוצות יותר הן:

• מגנזיום
• אֲלוּמִינְיוּם
• ווֹלפרָם
• פְּלָטִינָה

ישנן מתכות שהן פרמגנטיות כה חלשות עד כי כמעט ולא ניתן להבחין בתגובתן לשדה מגנטי. האטומים מיישרים קו עם שדה מגנטי, אך היישור כה חלש עד שמגנט רגיל אינו מושך אותו.

לא יכולת להרים את המתכת במגנט קבוע, לא משנה כמה התאמצת. עם זאת, תוכל למדוד את השדה המגנטי שנוצר במתכת אם היה לך מכשיר רגיש מספיק. כאשר הוא מונח בשדה מגנטי בעל חוזק מספיק, מוט מתכת פרמגנטית יישר את עצמו במקביל לשדה.

כאשר אתה חושב על חומר בעל מאפיינים מגנטיים, אתה בדרך כלל חושב על מתכת, אך מעטים שאינם מתכות, כגון סידן וחמצן, הם גם פרמגנטיים. תוכלו להדגים לעצמכם את אופיו הפרמגנטי של חמצן בעזרת ניסוי פשוט.

יוצקים חמצן נוזלי בין הקטבים של אלקטרומגנט רב עוצמה, והחמצן יתאסף על הקטבים ויתנדף וייצור ענן של גז. נסה את אותו הניסוי עם חנקן נוזלי, שאינו פרמגנטי, ושום דבר לא יקרה.

חלק מהאלמנטים המגנטיים כל כך רגישים לשדות חיצוניים שהם מתמגנטים כאשר הם נחשפים לאחד, והם שומרים על המאפיינים המגנטיים שלהם כאשר מסירים את השדה. אלמנטים פרומגנטיים אלה כוללים:

• בַּרזֶל
• ניקל
• קובלט
• גדוליניום
• רותניום

יסודות אלה הם פרומגנטיים מכיוון שלאטומים בודדים יש יותר מאלקטרון לא מזווג בקליפותיהם. אבל קורה גם משהו אחר. האטומים של יסודות אלה יוצרים קבוצות המכונותתחומיםוכאשר אתה מציג שדה מגנטי, התחומים מיישרים קו עם השדה ונשארים מיושרים, גם לאחר שתסיר את השדה. תגובה מאוחרת זו ידועה בשםהיסטריה,וזה יכול להימשך שנים.

חלק ממגנטים הקבועים החזקים ביותר ידועים בשםמגנטים נדירים של אדמה. שניים מהנפוצים ביותר הםניאודימיוםמגנטים, המורכבים משילוב של ניאודימיום, ברזל ובורון, וקובריום סמריוםמגנטים, שהם שילוב של שני האלמנטים הללו. בכל סוג של מגנט, חומר פרומגנטי (ברזל, קובלט) מבוצר על ידי אלמנט אדמה נדיר פרמגנטי.

​פֵרִיטמגנטים, העשויים ברזל, ואלניקומגנטים, אשר עשויים משילוב של אלומיניום, ניקל וקובלט, הם בדרך כלל חלשים יותר ממגנטים של אדמה נדירה. זה הופך אותם לבטוחים יותר לשימוש ומתאימים יותר לניסויים מדעיים.

לכל חומר מגנטי יש טמפרטורה אופיינית שמעליה הוא מתחיל לאבד את המאפיינים המגנטיים שלו. זה ידוע בשםנקודת קירי, על שם פייר קירי, הפיזיקאי הצרפתי שגילה את החוקים המתייחסים ליכולת המגנטית לטמפרטורה. מעל נקודת הקירי, האטומים בחומר פרומגנטי מתחילים לאבד את היישור שלהם, והחומר הופך להיות פרמגנטי או אם הטמפרטורה גבוהה מספיק, דיאמגנטי.

נקודת הקורי לברזל היא 1418 F (770 C), ולקובלט היא 2,050 F (1,121 C), שהיא אחת מנקודות הקורי הגבוהות ביותר. כאשר הטמפרטורה יורדת מתחת לנקודת הקירי שלה, החומר חוזר לעצמו את מאפייניו הפרומגנטיים.

מגנטיט, המכונה גם עפרות ברזל או תחמוצת ברזל, הוא המינרל האפור-שחור עם הנוסחה הכימית Fe₃או₄ זהו חומר הגלם לפלדה. זה מתנהג כמו חומר פרומגנטי, הופך להיות ממוגנט לצמיתות כאשר הוא נחשף לשדה מגנטי חיצוני. עד אמצע המאה העשרים, כולם הניחו שזה פרומגנטי, אבל זה בעצםפרימגנטיתויש הבדל משמעותי.

פרימגנטיות של מגנטיט אינה סכום הרגעים המגנטיים של כל האטומים בחומר, וזה נכון אם המינרל היה פרומגנטי. זו תוצאה של מבנה הגביש של המינרל עצמו.

המגנטיט מורכב משני מבני סריג נפרדים, מבנה אוקטהדרלי וממבנה טטראדרי. לשני המבנים קוטבים מנוגדים אך לא שווים, וההשפעה היא לייצר רגע מגנטי נטו. תרכובות פרימגנטיות ידועות אחרות כוללות נופך ברזל אטריום ופירוטיט.

מתחת לטמפרטורה מסוימת, הנקראתטמפרטורת נילאחרי הפיזיקאי הצרפתי לואי נאל, כמה מתכות, סגסוגות ומוצקים יוניים מאבדים את האיכויות הפרמאגנטיות שלהם ואינם מגיבים לשדות מגנטיים חיצוניים. הם בעצם הופכים לדה-מגנטיים. זה קורה מכיוון שיונים במבנה הסריג של החומר מיישרים עצמם בסידורים אנטי-מקבילים ברחבי המבנה, ויוצרים שדות מגנטיים מנוגדים שמבטלים זה את זה.

הטמפרטורות של Néel יכולות להיות נמוכות מאוד, בסדר גודל של -150 C (-240F), מה שהופך את התרכובות לפאראמגנטיות לכל המטרות המעשיות. עם זאת, לתרכובות מסוימות יש טמפרטורות ניל בטמפרטורת החדר ומעלה.

בטמפרטורות נמוכות מאוד, חומרים אנטי-מגנטיים אינם מפגינים התנהגות מגנטית. עם עליית הטמפרטורה חלק מהאטומים משתחררים ממבנה הסריג ומתיישרים עם השדה המגנטי והחומר הופך למגנטי חלש. כאשר הטמפרטורה מגיעה לטמפרטורת הניאל, פרמגנטיות זו מגיעה לשיאה, אך ככל שהטמפרטורה עולה מעבר לכך נקודה, תסיסה תרמית מונעת מהאטומים לשמור על יישורם עם השדה, והמגנטיות צונחת בהתמדה כבוי.

לא הרבה יסודות הם אנטי-מגנטיים - רק כרום ומנגן. תרכובות אנטי-מגנטיות כוללות תחמוצת מנגן (MnO), כמה צורות של תחמוצת ברזל (Fe₂או₃) ופרישת ביסמוט (BiFeO₃).