Kodėl magnetai neturi įtakos kai kuriems metalams

Magnetizmas ir elektra yra taip glaudžiai susiję, kad netgi galite juos laikyti dviem tos pačios monetos pusėmis. Kai kurių metalų magnetinės savybės atsiranda dėl elektrostatinio lauko sąlygų atomus, sudarančius metalą.

Tiesą sakant, visi elementai turi magnetinių savybių, tačiau dauguma jų akivaizdžiai neatsiranda. Metalai, kuriuos traukia magnetai, turi vieną bendrą bruožą, tai yra neporiniai elektronai jų išoriniuose apvalkaluose. Tai tik vienas elektrostatinis magnetizmo receptas ir jis yra pats svarbiausias.

Metalai, kuriuos galite nuolat įmagnetinti, yra žinomi kaipferomagnetinismetalų, o šių metalų sąrašas yra nedidelis. Pavadinimas kilęsferrum, lotyniškas žodis geležis.​

Yra daug ilgesnis medžiagų, kurios yra, sąrašasparamagnetinis, o tai reiškia, kad esant laikui magnetiniame lauke jie laikinai įmagnetėja. Paramagnetinės medžiagos nėra visi metalai. Kai kurie kovalentiniai junginiai, tokie kaip deguonis (O₂) rodo paramagnetizmą, kaip ir kai kurias jonines kietąsias medžiagas.

Visos medžiagos, kurios nėra feromagnetinės ar paramagnetinės, yradiamagnetinis, o tai reiškia, kad jie šiek tiek atstumia magnetinius laukus, o įprastas magnetas jų netraukia. Tiesą sakant, visi elementai ir junginiai tam tikru laipsniu yra diamagnetiniai.

Norėdami suprasti šių trijų magnetizmo klasių skirtumus, turite pažvelgti į tai, kas vyksta atominiame lygyje.

Pagal šiuo metu priimtą atomo modelį branduolys susideda iš teigiamai įkrautų protonų ir elektriniu požiūriu neutralūs neutronai, kuriuos laiko stiprioji jėga, viena iš pagrindinių gamta. Neigiamai įkrautų elektronų debesis, užimantis diskrečius energijos lygius, arba apvalkalai, supa branduolį, ir tai suteikia magnetines savybes.

Orbitoje skriejantis elektronas sukuria kintantį elektrinį lauką, ir pagal Maxwello lygtis tai yra magnetinio lauko receptas.Lauko dydis yra lygus orbitos plote, padaugintam iš srovės.Atskiras elektronas sukuria mažytę srovę ir gautą magnetinį lauką, kuris matuojamas vadinamaisiais vienetaisBohro magnetonai, taip pat yra mažytė. Tipiškame atome visų jo orbitoje skriejančių elektronų sugeneruoti laukai paprastai panaikina vienas kitą.

Ne tik orbitinis elektrono judėjimas sukuria krūvį, bet ir dar viena savybė, vadinamasuktis. Kaip paaiškėjo, sukimas yra daug svarbesnis nustatant magnetines savybes nei orbitos judėjimas, nes bendras atomo sukimasis greičiausiai bus asimetriškas ir galintis sukurti magnetą momentas.

Jūs galite galvoti apie sukimąsi kaip apie elektrono sukimosi kryptį, nors tai tik apytikslis aproksimavimas. Sukimas yra savaiminė elektronų savybė, o ne judėjimo būsena. Elektronas, kuris sukasi pagal laikrodžio rodyklę, turiteigiamas sukimasisarba pasukite aukštyn, o tas, kuris sukasi prieš laikrodžio rodyklę, turineigiamas sukimasarba suktis žemyn.

Elektronų sukimas yra kvantinė mechaninė savybė, neturinti klasikinės analogijos, ir tai lemia elektronų išsidėstymą aplink branduolį. Elektronai išsidėstę kiekvienoje apvalkale sukimosi ir nugaros poromis taip sukuria nulįmagnetinis momentas​.

Elektronai, atsakingi už magnetinių savybių sukūrimą, yra atokiausiuose arbavalentingumas, atomo kriauklės. Apskritai nesuporuoto elektrono buvimas išoriniame atomo apvalkale sukuria grynąjį magnetinį momentą ir suteikia magnetines savybes, tuo tarpu atomai, kurių išoriniame apvalkale yra suporuoti elektronai, neturi grynojo krūvio ir yra diamagnetinis. Tai yra supaprastinimas, nes valentiniai elektronai gali užimti kai kurių elementų, ypač geležies (Fe), mažesnės energijos apvalkalus.

Srovės ratai, kuriuos sukuria orbitiniai elektronai, daro kiekvieną medžiagą diamagnetine, nes pritaikius magnetinį lauką, visos srovės kilpos susilygina priešingai jam ir priešinasi laukui. Tai yraLenzo įstatymas, kuriame teigiama, kad sukeltas magnetinis laukas priešinasi jį kuriančiam laukui. Jei elektronų sukimas nepatektų į lygtį, tai būtų istorijos pabaiga, tačiau sukimasis į ją įeitų.

Iš visomagnetinis momentas Dž​atomo yra jo sumaorbitos kampinis impulsasir taisukti kampinį impulsą. KadaDž= 0, atomas yra nemagnetinis ir kadaDž≠ 0, atomas yra magnetinis, kuris įvyksta, kai yra bent vienas nesuporuotas elektronas.

Vadinasi, bet kuris atomas ar junginys su visiškai užpildytomis orbitalėmis yra diamagnetinis. Helis ir visos tauriosios dujos yra akivaizdūs pavyzdžiai, tačiau kai kurie metalai taip pat yra diamagnetiniai. Štai keli pavyzdžiai:

• Cinkas
• Merkurijus
• Skarda
• Tellūras
• Auksas
• sidabras
• Varis

Diamagnetizmas nėra grynasis rezultatas, kai vienus medžiagos atomus vienaip traukia magnetinis laukas, kitus - kita kryptimi. Kiekvienas diamagnetinės medžiagos atomas yra diamagnetinis ir patiria tą patį silpną atstūmimą į išorinį magnetinį lauką. Šis atstūmimas gali sukurti įdomių efektų. Jei stipriame magnetiniame lauke pakabinsite diamagnetinės medžiagos, pavyzdžiui, aukso, juostą, ji susilygins statmenai laukui.

Jei bent vienas elektronas išoriniame atomo apvalkale nėra suporuotas, atomas turi grynąjį magnetinį momentą ir jis susilygins su išoriniu magnetiniu lauku. Daugeliu atvejų lygiavimas prarandamas pašalinus lauką. Tai yra paramagnetinis elgesys, o junginiai gali tai parodyti taip pat kaip elementai.

Kai kurie iš labiausiai paplitusių paramagnetinių metalų yra:

• Magnis
• Aliuminis
• Volframas
• Platina

Kai kurie metalai yra taip silpnai paramagnetiniai, kad jų reakcija į magnetinį lauką sunkiai pastebima. Atomai sutampa su magnetiniu lauku, tačiau išsidėstymas yra toks silpnas, kad įprastas magnetas jo netraukia.

Negalėjote pasiimti metalo su nuolatiniu magnetu, kad ir kaip stengėtės. Tačiau jūs galėtumėte išmatuoti metale susidariusį magnetinį lauką, jei turėtumėte pakankamai jautrų instrumentą. Įdėjus į pakankamo stiprumo magnetinį lauką, paramagnetinio metalo strypas susilygins lygiagrečiai su lauku.

Kai galvojate apie medžiagą, turinčią magnetines charakteristikas, paprastai galvojate apie metalą, tačiau keletas nemetalų, pavyzdžiui, kalcis ir deguonis, taip pat yra paramagnetiniai. Paprastu eksperimentu galite patys parodyti deguonies paramagnetinį pobūdį.

Tarp galingo elektromagneto polių užpilkite skystą deguonį, ir deguonis kaupsis ant polių ir garuos, sukurdamas dujų debesį. Išbandykite tą patį eksperimentą su skystu azotu, kuris nėra paramagnetinis, ir nieko neįvyks.

Kai kurie magnetiniai elementai yra tokie jautrūs išoriniams laukams, kad veikiami vieno įmagnetėja, o pašalinus lauką jie išlaiko savo magnetines charakteristikas. Šie feromagnetiniai elementai apima:

• Geležis
• Nikelio
• Kobaltas
• Gadolinis
• Rutenis

Šie elementai yra feromagnetiniai, nes atskirų atomų orbitos apvalkaluose yra daugiau nei vienas nesuporuotas elektronas. bet vyksta ir kažkas kitas. Šių elementų atomai sudaro grupes, žinomas kaipdomenaiir įvedus magnetinį lauką, domenai susilygina su lauku ir išlieka išlyginti net pašalinus lauką. Šis uždelstas atsakymas yra žinomas kaipisterija,ir tai gali trukti metus.

Kai kurie stipriausi nuolatiniai magnetai yra žinomi kaipretųjų žemių magnetai. Du iš labiausiai paplitusių yraneodimiomagnetai, susidedantys iš neodimio, geležies ir boro derinio, irsamario kobaltomagnetai, kurie yra šių dviejų elementų derinys. Kiekvieno tipo magnetuose feromagnetinę medžiagą (geležį, kobaltą) sustiprina paramagnetinis retųjų žemių elementas.

​Feritasmagnetai, pagaminti iš geležies, iralnicomagnetai, pagaminti iš aliuminio, nikelio ir kobalto derinio, paprastai yra silpnesni už retųjų žemių magnetus. Tai daro juos saugesnius naudoti ir labiau tinka mokslo eksperimentams.

Kiekvienai magnetinei medžiagai būdinga temperatūra, virš kurios ji pradeda prarasti savo magnetines charakteristikas. Tai žinoma kaipKiuri taškas, pavadintas prancūzo fiziko Pierre'o Curie vardu, kuris atrado dėsnius, susijusius su magnetiniu gebėjimu su temperatūra. Virš Kiuri taško feromagnetinės medžiagos atomai pradeda prarasti savo lygiavimąsi, o medžiaga tampa paramagnetine arba, jei temperatūra yra pakankamai aukšta, diamagnetine.

Kurio taškas geležiai yra 1418 F (770 C), o kobalto - 2 050 F (1 121 C), kuris yra vienas aukščiausių Curie taškų. Kai temperatūra nukrenta žemiau Curie taško, medžiaga atgauna feromagnetines savybes.

Magnetitas, taip pat žinomas kaip geležies rūda arba geležies oksidas, yra pilkai juodas mineralas, kurio cheminė formulė yra Fe₃O₄ tai yra plieno žaliava. Jis elgiasi kaip feromagnetinė medžiaga, veikdama išorinio magnetinio lauko, visam laikui įmagnetinama. Iki dvidešimtojo amžiaus vidurio visi manė, kad tai yra feromagnetinis, bet iš tikrųjų taip yraferrimagnetinisir yra didelis skirtumas.

Magnetito ferrimagnetizmas nėra visų medžiagos atomų magnetinių momentų suma, kuri būtų teisinga, jei mineralas būtų feromagnetinis. Tai paties mineralo kristalinės struktūros pasekmė.

Magnetitas susideda iš dviejų atskirų gardelių struktūrų, oktaedrinės ir tetraedrinės. Abi struktūros turi priešingus, bet nevienodus poliškumus, todėl gaunamas grynasis magnetinis momentas. Kiti žinomi ferrimagnetiniai junginiai yra itrio geležies granatas ir pirotitas.

Žemiau tam tikros temperatūros, kuri vadinamaNéelio temperatūrapo prancūzų fiziko Louiso Néelio kai kurie metalai, lydiniai ir kietosios joninės medžiagos praranda paramagnetines savybes ir tampa nereaguojančios į išorinius magnetinius laukus. Jie iš esmės demagnetizuojasi. Taip atsitinka todėl, kad medžiagos grotelės struktūros jonai išsidėstę antparaleliais išdėstymais visoje struktūroje sukuria priešingus magnetinius laukus, kurie vienas kitą panaikina.

Néelio temperatūra gali būti labai žema, maždaug -150 C (-240 F), todėl junginiai tampa paramagnetiniai visais praktiniais tikslais. Tačiau kai kurių junginių temperatūra Néel yra kambario temperatūros ar aukštesnė.

Esant labai žemai temperatūrai, antiferromagnetinės medžiagos neturi magnetinio elgesio. Kylant temperatūrai, kai kurie atomai išsiskiria iš grotelių struktūros ir susilygina su magnetiniu lauku, o medžiaga tampa silpnai magnetinė. Kai temperatūra pasiekia Néelio temperatūrą, šis paramagnetizmas pasiekia aukščiausią tašką, tačiau temperatūrai kylant už šios ribos taškas, terminis maišymas neleidžia atomams išlaikyti jų lygiagretumo laukui, o magnetizmas nuolat krenta išjungtas.

Ne daug elementų yra antiferromagnetiniai - tik chromas ir manganas. Antiferromagnetiniai junginiai yra mangano oksidas (MnO), kai kurios geležies oksido formos (Fe₂O₃) ir bismuto ferito (BiFeO₃).