磁石が一部の金属に影響を与えない理由

磁気と電気は非常に密接に関連しているので、同じコインの両面と考えることもできます。 一部の金属が示す磁気特性は、金属を構成する原子の静電界条件の結果です。

実際、すべての元素には磁気特性がありますが、ほとんどの元素は明白な方法でそれらを明らかにしていません。 磁石に引き付けられる金属には共通点が1つあります。それは、外殻の不対電子です。 これは磁気の静電レシピの1つに過ぎず、最も重要です。

あなたが永久に磁化することができる金属はとして知られています強磁性金属、およびこれらの金属のリストは小さいです。 名前はから来ていますフェラム、鉄のラテン語.​

材料のはるかに長いリストがあります常磁性、これは、磁場の存在下で一時的に磁化されることを意味します。 常磁性材料はすべて金属ではありません。 酸素（O₂）一部のイオン性固体と同様に、常磁性を示します。

強磁性または常磁性ではないすべての材料は反磁性、つまり、磁場に対してわずかな反発を示し、通常の磁石はそれらを引き付けません。 実際、すべての元素と化合物はある程度反磁性です。

これら3つのクラスの磁性の違いを理解するには、原子レベルで何が起こっているのかを調べる必要があります。

現在受け入れられている原子のモデルでは、原子核は正に帯電した陽子と の基本的な力の1つである強い力によって結合された電気的に中性の中性子 自然。 離散的なエネルギー準位または殻を占める負に帯電した電子の雲が原子核を取り囲み、これらが磁気的性質を与えます。

軌道を回る電子は変化する電場を生成し、マクスウェルの方程式によれば、それが磁場のレシピです。磁場の大きさは、軌道内の面積に電流を掛けたものに等しくなります。個々の電子は小さな電流を生成し、その結果生じる磁場は、と呼ばれる単位で測定されますボーア磁子、また小さいです。 典型的な原子では、そのすべての軌道を回る電子によって生成された場は、一般に互いに打ち消し合います。

電荷を生成するのは電子の軌道運動だけでなく、スピン. 結局のところ、スピンは軌道運動よりも磁気特性を決定する上ではるかに重要です。 原子の全体的なスピンは非対称である可能性が高く、磁気を生成できるためです 瞬間。

スピンは電子の回転方向と考えることができますが、これは大まかな概算です。 スピンは電子の固有の特性であり、運動の状態ではありません。 時計回りに回転する電子は

電子スピンは、古典的なアナロジーのない量子力学的特性であり、原子核の周りの電子の配置を決定します。 電子は、ゼロネットを作成するように、各シェルでスピンアップとスピンダウンのペアに配置されます磁気モーメント​.

磁気特性の生成に関与する電子は、最も外側の電子、または原子価、原子の殻。 一般に、原子の外殻に不対電子が存在すると、正味の磁気モーメントが発生し、 磁気特性を付与しますが、外殻に電子対を持つ原子は正味の電荷を持たず、 反磁性。 価電子は一部の元素、特に鉄（Fe）で低エネルギーの殻を占める可能性があるため、これは過度に単純化されています。

電子を周回することによって作成された電流ループは、すべての材料を反磁性にします。これは、磁場が印加されると、電流ループがすべてそれに反対に整列し、磁場に反対するためです。 これはのアプリケーションですレンツの法則、これは、誘導された磁場がそれを生成する磁場に対抗することを示しています。 電子スピンが方程式に含まれていなければ、それで話は終わりですが、スピンは含まれています。

合計磁気モーメント J​原子のはその合計です軌道角運動量そしてそのスピン角運動量. いつJ= 0、原子は非磁性であり、J≠0の場合、原子は磁性を帯びています。これは、不対電子が少なくとも1つある場合に発生します。

その結果、軌道が完全に満たされた原子または化合物は反磁性になります。 ヘリウムとすべての希ガスは明らかな例ですが、一部の金属も反磁性です。 次にいくつかの例を示します。

• 亜鉛
• 水星
• 錫
• テルル
• ゴールド
• 銀
• 銅

反磁性は、物質内の一部の原子が磁場によって一方向に引っ張られ、他の原子が別の方向に引っ張られた結果ではありません。 反磁性材料のすべての原子は反磁性であり、外部磁場に対して同じ弱い反発を経験します。 この反発は興味深い効果を生み出すことができます。 金などの反磁性材料の棒を強い磁場に吊るすと、それ自体が磁場に対して垂直に整列します。

原子の外殻の少なくとも1つの電子が不対である場合、原子には正味の磁気モーメントがあり、外部磁場と整列します。 ほとんどの場合、フィールドを削除すると位置合わせが失われます。 これは常磁性の振る舞いであり、化合物は元素と同様にそれを示すことができます。

より一般的な常磁性金属のいくつかは次のとおりです。

• マグネシウム
• アルミニウム
• タングステン
• 白金

一部の金属は非常に弱い常磁性であるため、磁場に対する応答はほとんど目立ちません。 原子は磁場と整列しますが、整列は非常に弱いため、通常の磁石はそれを引き付けません。

どんなに頑張っても永久磁石で金属を拾うことはできませんでした。 ただし、十分な感度のある機器があれば、金属に発生する磁場を測定することができます。 十分な強度の磁場に置かれると、常磁性金属の棒が磁場と平行に整列します。

磁気特性を持つ物質について考えるとき、一般的に金属について考えますが、カルシウムや酸素などのいくつかの非金属も常磁性です。 簡単な実験で、酸素の常磁性を実演できます。

強力な電磁石の極の間に液体酸素を注ぐと、酸素が極に集まって気化し、ガスの雲が生成されます。 常磁性ではない液体窒素で同じ実験を試してみてください。何も起こりません。

一部の磁気要素は、外部磁場の影響を受けやすいため、外部磁場にさらされると磁化され、磁場が除去されても磁気特性を維持します。 これらの強磁性要素には次のものが含まれます。

• 鉄
• ニッケル
• コバルト
• ガドリニウム
• ルテニウム

個々の原子は軌道シェルに複数の不対電子を持っているため、これらの元素は強磁性です。 しかし、他にも何かが起こっています。 これらの元素の原子は、として知られているグループを形成しますドメイン、および磁場を導入すると、ドメインは磁場と整列し、磁場を除去した後も整列したままになります。 この遅延応答は、ヒステリシス、そしてそれは何年も続くことができます。

最強の永久磁石のいくつかは、希土類磁石. 最も一般的な2つはネオジムネオジム、鉄、ホウ素の組み合わせで構成される磁石、およびサマリウムコバルトこれらの2つの要素の組み合わせである磁石。 各タイプの磁石では、強磁性体（鉄、コバルト）が常磁性希土類元素によって強化されています。

​フェライト鉄製の磁石とアルニコアルミニウム、ニッケル、コバルトの組み合わせで作られた磁石は、一般的に希土類磁石よりも弱いです。 これにより、それらはより安全に使用でき、科学実験により適したものになります。

すべての磁性材料には特徴的な温度があり、それを超えると磁気特性が失われ始めます。 これは、キュリー点、磁気能力を温度に関連付ける法則を発見したフランスの物理学者、ピエール・キュリーにちなんで名付けられました。 キュリー点を超えると、強磁性材料の原子は整列を失い始め、材料は常磁性になるか、温度が十分に高い場合は反磁性になります。

鉄のキュリー点は1418F（770 C）で、コバルトのキュリー点は2,050 F（1,121 C）で、これは最も高いキュリー点の1つです。 温度がキュリー点を下回ると、材料は強磁性特性を取り戻します。

マグネタイトは、鉄鉱石または酸化鉄とも呼ばれ、化学式Feの灰黒色の鉱物です。₃O₄ それが鉄鋼の原料です。 強磁性体のように振る舞い、外部磁場にさらされると永久に磁化されます。 20世紀半ばまで、誰もがそれを強磁性であると想定していましたが、実際にはフェリ磁性、そして大きな違いがあります。

マグネタイトのフェリ磁性は、材料内のすべての原子の磁気モーメントの合計ではありません。これは、鉱物が強磁性である場合に当てはまります。 それは鉱物自体の結晶構造の結果です。

マグネタイトは、八面体構造と四面体構造の2つの別個の格子構造で構成されています。 2つの構造は反対ですが、極性が等しくなく、その効果は正味の磁気モーメントを生成することです。 他の既知のフェリ磁性化合物には、イットリウム鉄ガーネットと磁硫鉄鉱が含まれます。

と呼ばれる特定の温度以下ニール温度フランスの物理学者ルイ・ネールの後、いくつかの金属、合金、イオン性固体は常磁性を失い、外部磁場に反応しなくなります。 それらは本質的に消磁されます。 これは、材料の格子構造内のイオンが構造全体で逆平行に整列し、互いに打ち消し合う反対の磁場を生成するために発生します。

ネール温度は-150C（-240F）のオーダーで非常に低くなる可能性があり、すべての実用的な目的で化合物を常磁性にします。 ただし、一部の化合物のネール温度は室温以上の範囲です。

非常に低い温度では、反強磁性材料は磁気的挙動を示しません。 温度が上昇すると、一部の原子が格子構造から外れて磁場と整列し、材料の磁性が弱くなります。 温度がネール温度に達すると、この常磁性はピークに達しますが、温度がこれを超えて上昇すると ポイント、熱攪拌は原子が場との整列を維持するのを防ぎ、磁性は着実に低下します オフ。

反強磁性の元素は多くなく、クロムとマンガンだけです。 反強磁性化合物には、酸化マンガン（MnO）、ある種の酸化鉄（Fe）が含まれます。₂O₃）およびビスマスフェライト（BiFeO₃).