자석이 일부 금속에 영향을 미치지 않는 이유

자기와 전기는 매우 밀접하게 연결되어있어 같은 동전의 양면을 고려할 수도 있습니다. 일부 금속에서 나타나는 자기 특성은 금속을 구성하는 원자의 정전기 장 조건의 결과입니다.

사실, 모든 요소는 자기 적 특성을 가지고 있지만 대부분은 명백한 방식으로 나타내지 않습니다. 자석에 끌리는 금속은 한 가지 공통점이 있는데, 그것은 외부 껍질에있는 짝이없는 전자입니다. 이것은 자기에 대한 하나의 정전 기적 방법 일 뿐이며 가장 중요합니다.

영구적으로 자화 할 수있는 금속은 다음과 같이 알려져 있습니다.강자성금속, 이러한 금속 목록은 적습니다. 이름은Ferrum, 철을 뜻하는 라틴어.​

훨씬 더 긴 재료 목록이 있습니다.상자성즉, 자기장이있을 때 일시적으로 자화됩니다. 상자성 물질은 모든 금속이 아닙니다. 산소 (O)와 같은 일부 공유 화합물₂) 일부 이온 성 고체와 마찬가지로 초상 성을 나타냅니다.

강자성 또는 상자성이 아닌 모든 재료는반자성, 즉 자기장에 약간의 반발력을 나타내며 일반 자석은 끌어 당기지 않습니다. 실제로 모든 원소와 화합물은 어느 정도 반자성입니다.

이 세 가지 자기 클래스의 차이점을 이해하려면 원자 수준에서 무슨 일이 일어나고 있는지 살펴 봐야합니다.

현재 인정되고있는 원자 모델에서 핵은 양전하를 띤 양성자와 전기적으로 중성 인 중성자는 기본 힘 중 하나 인 강한 힘에 의해 결합됩니다. 자연. 이산 에너지 수준 또는 껍질을 차지하는 음전하를 띤 전자 구름이 핵을 둘러싸고 있으며 이것이 자기 적 특성을 부여하는 것입니다.

궤도를 도는 전자는 변화하는 전기장을 생성하며, Maxwell의 방정식에 따르면 이것이 자기장의 레시피입니다.필드의 크기는 궤도 내부의 면적에 전류를 곱한 것과 같습니다.개별 전자는 아주 작은 전류를 생성하고 그에 따른 자기장을 생성합니다.보어 마그네 톤, 또한 작습니다. 일반적인 원자에서 궤도를 도는 모든 전자에 의해 생성 된 장은 일반적으로 서로 상쇄됩니다.

전하를 생성하는 것은 전자의 궤도 운동뿐만 아니라

스핀은 대략적인 근사치이지만 전자의 회전 방향으로 생각할 수 있습니다. 스핀은 운동 상태가 아니라 전자의 고유 속성입니다. 시계 방향으로 회전하는 전자는포지티브 스핀, 또는 스핀 업, 시계 반대 방향으로 회전하는 것은네거티브 스핀, 또는 스핀 다운.

전자 스핀은 고전적인 비유가없는 양자 역학적 특성이며 핵 주위의 전자 배치를 결정합니다. 전자는 각 쉘에서 스핀 업 및 스핀 다운 쌍으로 배열되어 제로 넷을 생성합니다.자기 모멘트​.

자기 특성을 생성하는 전자는 가장 바깥쪽에있는 전자입니다.원자가, 원자의 껍질. 일반적으로 원자의 외부 껍질에 짝을 이루지 않은 전자의 존재는 순 자기 모멘트를 생성하고 자기 특성을 부여하는 반면 외부 껍질에 전자 쌍을 가진 원자는 순 전하가 없으며 반자성. 원자가 전자가 일부 원소, 특히 철 (Fe)에서 더 낮은 에너지 껍질을 차지할 수 있기 때문에 이것은 지나치게 단순화 된 것입니다.

전자 궤도를 도는 전류 루프는 모든 물질을 반자성으로 만듭니다. 자기장이 적용될 때 전류 루프는 모두 반대 방향으로 정렬되고 자기장에 반대되기 때문입니다. 이것은의 응용입니다Lenz의 법칙, 유도 자기장이 자기장을 생성하는 장과 반대된다는 것을 나타냅니다. 전자 스핀이 방정식에 들어 가지 않으면 그것은 이야기의 끝이 될 것이지만 스핀은 그것에 들어갑니다.

전체자기 모멘트 제이​원자의 합계는궤도 각운동량그리고 그것의각운동량 회전. 언제제이= 0, 원자는 비자 성이고제이≠ 0, 원자는 자성을 띠며 적어도 하나의 짝을 이루지 않은 전자가있을 때 발생합니다.

결과적으로 완전히 채워진 궤도를 가진 원자 또는 화합물은 반자성입니다. 헬륨과 모든 희가스는 명백한 예이지만 일부 금속도 반자성입니다. 다음은 몇 가지 예입니다.

• 아연
• 수은
• 주석
• 텔루르
• 금
• 은
• 구리

반자성은 물질의 일부 ​​원자가 자기장에 의해 한 방향으로 당겨지고 다른 일부는 다른 방향으로 당겨지는 결과가 아닙니다. 반자성 물질의 모든 원자는 반자성이며 외부 자기장에 대해 동일한 약한 반발력을 경험합니다. 이 반발은 흥미로운 효과를 만들 수 있습니다. 강한 자기장에 금과 같은 반자성 물질로 된 막대를 매달면 자기장에 수직으로 정렬됩니다.

원자의 외부 껍질에서 적어도 하나의 전자가 짝을 이루지 않으면 원자는 순 자기 모멘트를 가지며 외부 자기장과 정렬됩니다. 대부분의 경우 필드가 제거되면 정렬이 손실됩니다. 이것은 상자성 행동이며, 화합물은 요소뿐만 아니라 그것을 나타낼 수 있습니다.

보다 일반적인 상자성 금속 중 일부는 다음과 같습니다.

• 마그네슘
• 알류미늄
• 텅스텐
• 백금

일부 금속은 상자성이 너무 약해서 자기장에 대한 반응이 거의 눈에 띄지 않습니다. 원자는 자기장과 정렬되지만 정렬이 너무 약해서 일반 자석이 끌어 당기지 않습니다.

아무리 노력해도 영구 자석으로 금속을 집을 수 없었습니다. 그러나 충분히 민감한 기기가 있다면 금속에서 생성 된 자기장을 측정 할 수 있습니다. 충분한 강도의 자기장에 배치하면 상자성 금속 막대가 자기장에 평행하게 정렬됩니다.

자기 특성을 가진 물질을 생각할 때 일반적으로 금속을 생각하지만 칼슘과 산소와 같은 일부 비금속도 상자성입니다. 간단한 실험을 통해 산소의 상자성 특성을 직접 입증 할 수 있습니다.

강력한 전자석의 극 사이에 액체 산소를 부으면 산소가 극에 모여 기화하여 가스 구름을 생성합니다. 상자성이 아닌 액체 질소로 동일한 실험을 시도하면 아무 일도 일어나지 않습니다.

일부 자기 소자는 외부 자기장에 너무 민감하여 노출되면 자화되고 자기장이 제거 될 때 자기 특성을 유지합니다. 이러한 강자성 요소에는 다음이 포함됩니다.

• 철
• 니켈
• 코발트
• 가돌리늄
• 루테늄

개별 원자는 궤도 껍질에 하나 이상의 짝을 이루지 않는 전자를 가지고 있기 때문에 이러한 요소는 강자성입니다. 하지만 다른 일도 있습니다. 이 원소의 원자는 다음과 같은 그룹을 형성합니다.도메인, 자기장을 도입하면 도메인이 자기장과 정렬되고 자기장을 제거한 후에도 정렬 된 상태를 유지합니다. 이 지연된 응답을히스테리시스,몇 년 동안 지속될 수 있습니다.

가장 강력한 영구 자석 중 일부는 다음과 같이 알려져 있습니다.희토류 자석. 가장 일반적인 두 가지는네오디뮴네오디뮴, 철 및 붕소의 조합으로 구성된 자석사마륨 코발트이 두 요소의 조합 인 자석. 각 유형의 자석에서 강자성 물질 (철, 코발트)은 상자성 희토류 원소에 의해 강화됩니다.

​페라이트철로 만들어진 자석, 그리고알 니코알루미늄, 니켈 및 코발트의 조합으로 만들어진 자석은 일반적으로 희토류 자석보다 약합니다. 이것은 사용하기에 더 안전하고 과학 실험에 더 적합합니다.

모든 자성 물질은 자기 특성을 잃기 시작하는 특성 온도를 가지고 있습니다. 이것은퀴리 포인트, 자기 능력과 온도와 관련된 법칙을 발견 한 프랑스 물리학 자 Pierre Curie의 이름을 따서 명명되었습니다. 퀴리 지점 위에서는 강자성 물질의 원자가 정렬을 잃기 시작하고 물질은 상자성 상태가되거나 온도가 충분히 높으면 반자성이됩니다.

철의 퀴리 포인트는 1418F (770C)이고 코발트의 경우 2,050F (1,121C)로 가장 높은 퀴리 포인트 중 하나입니다. 온도가 퀴리 점 아래로 떨어지면 재료는 강자성 특성을 회복합니다.

철광석 또는 산화철로도 알려진 자철광은 화학식 Fe를 갖는 회흑색 광물입니다.₃영형₄ 그것이 철강의 원료입니다. 강자성 물질처럼 작동하여 외부 자기장에 노출되면 영구적으로 자화됩니다. 20 세기 중반까지 모두가 강자성이라고 생각했지만 실제로는페리 자성, 상당한 차이가 있습니다.

마그네타이트의 강자성은 물질에있는 모든 원자의 자기 모멘트의 합이 아니며, 광물이 강자성이라면 사실 일 것입니다. 그것은 광물 자체의 결정 구조의 결과입니다.

마그네타이트는 두 개의 개별 격자 구조, 즉 팔면체 구조와 사면체 구조로 구성됩니다. 두 구조는 반대이지만 다른 극성을 가지며 그 효과는 순 자기 모멘트를 생성하는 것입니다. 다른 알려진 페리 자성 화합물에는 이트륨 철 가넷 및 피로 타이트가 포함됩니다.

특정 온도 이하로Néel 온도프랑스의 물리학 자 Louis Néel 이후 일부 금속, 합금 및 이온 고체는 상자성 특성을 잃고 외부 자기장에 반응하지 않게됩니다. 그들은 본질적으로 자기가 제거됩니다. 이것은 재료의 격자 구조에있는 이온이 구조 전체에 걸쳐 역 평행 배열로 정렬되어 서로를 상쇄하는 반대 자기장을 생성하기 때문에 발생합니다.

Néel 온도는 -150 ° C (-240F) 정도로 매우 낮을 수 있으므로 화합물이 모든 실용적인 목적을 위해 상자성으로 만듭니다. 그러나 일부 화합물은 실온 이상 범위의 Néel 온도를 가지고 있습니다.

매우 낮은 온도에서 반 강자성 재료는 자기 거동을 나타내지 않습니다. 온도가 상승함에 따라 일부 원자는 격자 구조에서 벗어나 자기장과 정렬되어 물질이 약하게 자성을 띠게됩니다. 온도가 Néel 온도에 도달하면이 상자성이 최고점에 도달하지만 온도가이 이상으로 상승하면 점, 열 교반은 원자가 자기장과 정렬을 유지하는 것을 방지하고 자력은 꾸준히 떨어집니다 떨어져서.

반 강자성 원소는 많지 않고 크롬과 망간 만 있습니다. 반 강자성 화합물에는 산화 망간 (MnO), 일부 형태의 산화철 (Fe₂영형₃) 및 비스무트 페라이트 (BiFeO₃).