რატომ არ ახდენს მაგნიტების გავლენას ზოგიერთ მეტალზე

მაგნეტიზმი და ელექტროენერგია ისე მჭიდროდ არის დაკავშირებული, რომ შეიძლება ერთი მონეტის ორ მხარედაც კი მიიჩნიოთ. ზოგიერთი ლითონის მიერ გამოვლენილი მაგნიტური თვისებები არის ატომებში ელექტროსტატიკური ველის პირობების შედეგი, რომლებიც ლითონს ქმნიან.

სინამდვილეში, ყველა ელემენტს აქვს მაგნიტური თვისებები, მაგრამ უმეტესობა მათ აშკარად არ გამოხატავს. ლითონებს, რომლებსაც მაგნიტები იზიდავს, აქვთ ერთი საერთო და ეს არის გარეთა გარსებში შეუწყვილებელი ელექტრონები. ეს არის მხოლოდ ერთი ელექტროსტატიკური რეცეპტი მაგნეტიზმისთვის და ეს არის ყველაზე მნიშვნელოვანი.

ლითონები, რომელთა სამუდამოდ მაგნეტიზაცია შეგიძლიათ, ცნობილიაფერომაგნიტურილითონები და ამ ლითონების ჩამონათვალი მცირეა. სახელი მომდინარეობსფერუმი, ლათინური სიტყვა რკინა.​

არსებობს მასალების ბევრად გრძელი ჩამონათვალიპარამაგნიტური, რაც ნიშნავს, რომ ისინი დროებით ხდება მაგნიტიზაცია მაგნიტური ველის არსებობისას. პარამაგნიტური მასალები არ არის ყველა ლითონი. ზოგიერთი კოვალენტური ნაერთი, მაგალითად ჟანგბადი (O₂) ავლენენ პარამაგნეტიზმს, ისევე როგორც ზოგიერთ იონურ მყარს.

ყველა მასალა, რომელიც არ არის ფერომაგნიტური და პარამაგნიტური, არისდიამაგნიტური, რაც ნიშნავს, რომ ისინი ავლენენ მაგნიტური ველების უმნიშვნელო მოგერიებას და ჩვეულებრივი მაგნიტი არ იზიდავს მათ. სინამდვილეში, ყველა ელემენტი და ნაერთი გარკვეულწილად დიამაგნიტურია.

იმის გასაგებად, თუ რა განსხვავებაა მაგნეტიზმის ამ სამ კლასს შორის, თქვენ უნდა გაეცნოთ რა ხდება ატომურ დონეზე.

ატომის ამჟამად მიღებულ მოდელში, ბირთვი შედგება დადებითად დამუხტული პროტონისგან და ელექტრონულად ნეიტრალური ნეიტრონები, რომლებიც ერთვის ძლიერ ძალას, რომლის ერთ-ერთი ფუნდამენტური ძალაა ბუნება. უარყოფითად დამუხტული ელექტრონების ღრუბელი, რომელიც იკავებს დისკრეტულ ენერგიის დონეს, ან გარსებს, გარს აკრავს ბირთვს და სწორედ ეს განაპირობებს მაგნიტურ თვისებებს.

ორბიტაზე არსებული ელექტრონი წარმოქმნის ცვალებად ელექტრულ ველს და მაქსველის განტოლებების თანახმად, ეს არის მაგნიტური ველის რეცეპტი.ველის სიდიდე ტოლია ორბიტის შიგნით ფართობზე გამრავლებული მიმდინარეზე.ცალკეული ელექტრონი წარმოქმნის პატარა დენას და შედეგად წარმოქმნის მაგნიტურ ველს, რომელიც იზომება ერთეულებში, ე.წ.ბორის მაგნიტონებიასევე პატარაა. ტიპურ ატომში, მისი ორბიტაზე მომუშავე ყველა ელექტრონის მიერ წარმოქმნილი ველები ერთმანეთს საერთოდ აუქმებენ.

ეს არ არის მხოლოდ ელექტრონის ორბიტაზე მოძრაობა, რომელიც ქმნის მუხტს, არამედ ასევე სხვა თვისება, რომელსაც უწოდებენდატრიალება. როგორც აღმოჩნდა, დატრიალება ბევრად უფრო მნიშვნელოვანია მაგნიტური თვისებების დასადგენად, ვიდრე ორბიტალური მოძრაობა, რადგან ატომში საერთო ტრიალი უფრო მეტად ასიმეტრიულია და შეუძლია შექმნას მაგნიტი მომენტი

შეგიძლიათ დატრიალება იფიქროთ, როგორც ელექტრონის ბრუნვის მიმართულება, თუმცა ეს მხოლოდ უხეში მიახლოებაა. დატრიალება არის ელექტრონების შინაგანი თვისება და არა მოძრაობის მდგომარეობა. ელექტრონს, რომელიც ტრიალებს საათის ისრის მიმართულებით, აქვსპოზიტიური ტრიალი, ან ტრიალით ზემოთ, ხოლო ის, რომელიც მოძრაობს საათის ისრის საწინააღმდეგოდ, აქვსუარყოფითი ტრიალი, ან ტრიალებს ქვემოთ.

ელექტრონული დატრიალება არის კვანტური მექანიკური თვისება კლასიკური ანალოგიის გარეშე და ის განსაზღვრავს ელექტრონების განლაგებას ბირთვის გარშემო. ელექტრონები თავსდებიან დატრიალებული და დატრიალებული წყვილებში თითოეულ გარსში ისე, რომ შექმნან ნულოვანი ბადემაგნიტური მომენტი​.

ელექტრონები, რომლებიც პასუხისმგებელნი არიან მაგნიტური თვისებების შექმნაზე, არიან ყველაზე გარე, ანვალენტობა, ატომის ჭურვები. ზოგადად, დაწყვილებული ელექტრონის არსებობა ატომის გარე გარსში ქმნის მაგნიტურ მაგნიტურ მომენტს და ანიჭებს მაგნიტურ თვისებებს, ხოლო გარე გარსში დაწყვილებული ელექტრონების მქონე ატომებს არ აქვთ წმინდა მუხტი და არიან დიამაგნიტური. ეს არის ზედმეტად გამარტივება, რადგან ვალენტურ ელექტრონებს შეუძლიათ დაიცვან ქვედა ენერგიის გარსი ზოგიერთ ელემენტში, განსაკუთრებით რკინის (Fe).

ორბიტაზე მომუშავე ელექტრონების მიერ შექმნილი მიმდინარე მარყუჟები ყველა მასალას დიამაგნიტურს ხდის, რადგან მაგნიტური ველის გამოყენებისას, მიმდინარე მარყუჟები ყველა მისწორდება და ეწინააღმდეგება ველს. ეს არის პროგრამალენცის კანონი, სადაც ნათქვამია, რომ ინდუცირებული მაგნიტური ველი უპირისპირდება ველს, რომელიც ქმნის მას. თუ ელექტრონული ტრიალი არ შევა განტოლებაში, ამით მთავრდება ამბავი, მაგრამ ტრიალი შედის მასში.

Ჯამშიმაგნიტური მომენტი ჯ​ატომის არის მისი ჯამიორბიტალური კუთხოვანი იმპულსიდა მისიდატრიალება კუთხოვანი იმპულსი. Როდესაცჯ= 0, ატომი არა მაგნიტურია და როდისჯ≠ 0, ატომი არის მაგნიტური, რაც ხდება მაშინ, როდესაც არსებობს მინიმუმ ერთი დაწყვილებული ელექტრონი.

შესაბამისად, ნებისმიერი ატომი ან ნაერთი მთლიანად შევსებული ორბიტალებით არის დიამაგნიტური. ჰელიუმი და ყველა კეთილშობილი გაზები აშკარა მაგალითებია, მაგრამ ზოგიერთი ლითონი ასევე დიამაგნიტურია. აქ მოცემულია რამდენიმე მაგალითი:

• თუთია
• მერკური
• Ქილა
• ტელურიუმი
• ოქრო
• ვერცხლისფერი
• სპილენძი

დიამაგნეტიზმი არ არის გარკვეული ატომების ნივთიერების მაგნიტური ველით ერთი გზით გაყვანა და სხვების სხვა მიმართულებით გაყვანა. დიამაგნიტური მასალის ყველა ატომი არის დიამაგნიტური და განიცდის იგივე სუსტ მოგერიებას გარე მაგნიტური ველის მიმართ. ამ მოგერიებამ შეიძლება საინტერესო ეფექტები შექმნას. თუ ძლიერ მაგნიტურ ველში შეაჩერებთ დიამაგნიტური მასალის, მაგალითად ოქროს, ზოლს, ის სწორდება ველის პერპენდიკულარულად.

თუ ატომის გარსში ერთი ელექტრონი მაინც დაწყვილებულია, ატომს აქვს წმინდა მაგნიტური მომენტი და ის თავსებავს გარე მაგნიტურ ველთან. უმეტეს შემთხვევაში, გასწორება იკარგება, როდესაც ველი ამოღებულია. ეს არის პარამაგნიტური ქცევა და ნაერთებს შეუძლიათ გამოფინონ იგი, ისევე როგორც ელემენტები.

ზოგიერთი ყველაზე გავრცელებული პარამაგნიტური ლითონია:

• მაგნიუმი
• ალუმინის
• ვოლფრამი
• პლატინა

ზოგიერთი ლითონი იმდენად სუსტად არის პარამაგნიტური, რომ მათი რეაქცია მაგნიტურ ველზე ძნელად შესამჩნევია. ატომები უთანაბრდება მაგნიტურ ველს, მაგრამ სწორება იმდენად სუსტია, რომ ჩვეულებრივი მაგნიტი მას არ იზიდავს.

ვერ შეძლებდით ლითონის აყვანას მუდმივი მაგნიტით, რაც არ უნდა ეცადეთ. ამასთან, ლითონში წარმოქმნილი მაგნიტური ველის გაზომვა შეძლებთ, თუ გქონდეთ საკმარისად მგრძნობიარე ინსტრუმენტი. საკმარისი სიმკვრივის მაგნიტურ ველში მოთავსებისას, პარამაგნიტური ლითონის ზოლი გასწორდება ველის პარალელურად.

როდესაც მაგნიტური მახასიათებლის მქონე ნივთიერებაზე ფიქრობთ, ზოგადად ლითონზე ფიქრობთ, მაგრამ რამდენიმე არამეტალი, მაგალითად კალციუმი და ჟანგბადი, ასევე პარამაგნიტურია. შეგიძლიათ თავად აჩვენოთ ჟანგბადის პარამაგნიტური ბუნება მარტივი ექსპერიმენტის საშუალებით.

დაასხით თხევადი ჟანგბადი ძლიერი ელექტრომაგნიტის პოლუსებს შორის და ჟანგბადი პოლუსებზე შეგროვდება და ორთქლდება, წარმოქმნის გაზის ღრუბელს. სცადეთ იგივე ექსპერიმენტი თხევადი აზოტით, რომელიც არ არის პარამაგნიტური და არაფერი მოხდება.

ზოგიერთი მაგნიტური ელემენტი იმდენად მგრძნობიარეა გარე ველების მიმართ, რომ მაგნიტიზდება ერთზე ზემოქმედებისას და ისინი ინარჩუნებენ მაგნიტურ მახასიათებლებს ველის ამოღებისას. ეს ფერომაგნიტური ელემენტებია:

• რკინა
• ნიკელი
• კობალტი
• გადოლინიუმი
• რუტენიუმი

ეს ელემენტები ფერომაგნიტურია, რადგან ცალკეულ ატომებს ორბიტალურ გარსებში ერთზე მეტი დაწყვილებული ელექტრონი აქვთ. მაგრამ კიდევ რაღაც ხდება. ამ ელემენტების ატომები ქმნიან ჯგუფებს, რომლებიც ცნობილია როგორცდომენებიდა მაგნიტური ველის დანერგვისას, დომენები თავსდებიან ველთან და რჩებიან გასწორებული, ველის ამოღების შემდეგაც. ეს დაგვიანებული პასუხი ცნობილია, როგორცისტერიზი,და ეს შეიძლება წლობით გაგრძელდეს.

ზოგიერთი ყველაზე ძლიერი მუდმივი მაგნიტი ცნობილია, როგორციშვიათი დედამიწის მაგნიტები. ორი ყველაზე გავრცელებულიანეოდიმიმაგნიტები, რომლებიც შედგება ნეოდიმის, რკინისა და ბორის კომბინაციისგან დასამარი კობალტიმაგნიტები, რომლებიც ამ ორი ელემენტის კომბინაციას წარმოადგენს. თითოეულ ტიპის მაგნიტში ფერომაგნიტური მასალა (რკინა, კობალტი) გამაგრებულია პარამაგნიტური იშვიათი მიწის ელემენტით.

​ფერიტიმაგნიტები, რომლებიც დამზადებულია რკინისგან დაალნიკომაგნიტები, რომლებიც მზადდება ალუმინის, ნიკელისა და კობალტის კომბინაციისგან, ზოგადად უფრო სუსტია, ვიდრე იშვიათი დედამიწის მაგნიტები. ეს ხდის მათ უსაფრთხო გამოყენებას და უფრო შესაფერისია სამეცნიერო ექსპერიმენტებისთვის.

ყველა მაგნიტურ მასალას აქვს დამახასიათებელი ტემპერატურა, რომლის ზემოთ იწყება მისი მაგნიტური მახასიათებლების დაკარგვა. ეს ცნობილია როგორცკიურის წერტილი, პიერ კიურის სახელით, ფრანგი ფიზიკოსი, რომელმაც აღმოაჩინა კანონები, რომლებიც დაკავშირებულია მაგნიტურ უნარსთან ტემპერატურათან. კიურის წერტილის ზემოთ, ფერომაგნიტურ მასალში ატომები იწყებენ განლაგების დაკარგვას და მასალა ხდება პარამაგნიტური ან, თუ ტემპერატურა საკმარისად მაღალია, დიამაგნიტური.

კიურის წერტილი რკინისთვის არის 1418 F (770 C), ხოლო კობალტისთვის ის 2,050 F (1,121 C), რაც კიურის ერთ-ერთი ყველაზე მაღალი წერტილია. როდესაც ტემპერატურა მისი Curie წერტილის ქვემოთ ჩამოდის, მასალა უბრუნდება ფერომაგნიტურ მახასიათებლებს.

მაგნეტიტი, ასევე ცნობილი როგორც რკინის საბადო ან რკინის ოქსიდი, არის ნაცრისფერი შავი მინერალი ქიმიური ფორმულით Fe₃ო₄ ეს არის ფოლადის ნედლეული. იგი იქცევა როგორც ფერომაგნიტური მასალა, ხდება მუდმივად მაგნიტიზებული გარე მაგნიტური ველის ზემოქმედებისას. მეოცე საუკუნის შუა ხანებამდე ყველამ მიიჩნია, რომ იგი ფერომაგნიტურია, მაგრამ სინამდვილეში ეს ასეაფერიმაგნიტურიდა მნიშვნელოვანი განსხვავებაა.

მაგნეტიტის ფერიმაგნეტიზმი არ არის მასალის ყველა ატომის მაგნიტური მომენტების ჯამი, რაც მართალი იქნება, თუ მინერალი ფერომაგნიტური იქნებოდა. ეს თავად მინერალის კრისტალური სტრუქტურის შედეგია.

მაგნეტიტი შედგება ორი ცალკეული ქსელის სტრუქტურისგან, რვაკუთხა და ტეტრაედრული. ორ სტრუქტურას აქვს საპირისპირო, მაგრამ არათანაბარი პოლარობა და შედეგია სუფთა მაგნიტური მომენტის წარმოება. სხვა ცნობილი ფერიმაგნიტური ნაერთებია იტრიუმის რკინის გრანიტი და პიროტიტი.

გარკვეული ტემპერატურის ქვემოთ, რომელსაც ეწოდებანეელის ტემპერატურაფრანგი ფიზიკოსის ლუი ნელის შემდეგ, ზოგიერთი ლითონი, შენადნობები და იონური მყარი კარგავენ პარამაგნიტურ თვისებებს და არ ექვემდებარებიან გარე მაგნიტურ ველებს. ისინი არსებითად ხდება დემაგნიზებული. ეს ხდება იმის გამო, რომ მასალის გისოსების სტრუქტურაში არსებული იონები თავსებადებენ ანტიპარალელურ წყობაში მთელ სტრუქტურაში და ქმნიან დაპირისპირებულ მაგნიტურ ველებს, რომლებიც ერთმანეთს აუქმებენ.

ნეელის ტემპერატურა შეიძლება იყოს ძალიან დაბალი, -150 C (-240F) შეკვეთით, რაც ნაერთებს პარამაგნიტურს ხდის ყველა პრაქტიკული მიზნისთვის. ამასთან, ზოგიერთ ნაერთს აქვს ნეელის ტემპერატურა ოთახის ტემპერატურის დიაპაზონში ან ზემოთ.

ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე ანტიფერომაგნიტური მასალები არ გამოხატავს მაგნიტურ ქცევას. ტემპერატურის მატებასთან ერთად, ზოგიერთი ატომი გათავისუფლდება ქსელის სტრუქტურისგან და თავსებადება მაგნიტურ ველთან და მასალა ხდება სუსტად მაგნიტური. როდესაც ტემპერატურა ნელის ტემპერატურას მიაღწევს, ეს პარამაგნეტიზმი პიკს აღწევს, მაგრამ ტემპერატურა ამის მიღმა იზრდება წერტილი, თერმული აჟიოტაჟი ხელს უშლის ატომებს შეინარჩუნონ თავიანთი შესაბამისობა ველთან და მაგნეტიზმი სტაბილურად ეცემა გამორთულია.

ბევრი ელემენტი არ არის ანტიფერომაგნიტური - მხოლოდ ქრომი და მანგანუმი. ანტიფერომაგნიტურ ნაერთებში შედის მანგანუმის ოქსიდი (MnO), რკინის ოქსიდის ზოგიერთი ფორმა (Fe₂ო₃) და ბისმუტის ფერიტი (BiFeO₃).