Kāpēc magnētiem nav ietekmes uz dažiem metāliem

Magnētisms un elektrība ir tik cieši saistīti, ka jūs pat varētu uzskatīt tos par vienas monētas divām pusēm. Dažu metālu magnētiskās īpašības ir elektrostatiskā lauka apstākļu rezultāts atomos, kas veido metālu.

Faktiski visiem elementiem ir magnētiskas īpašības, taču lielākā daļa tos neizpauž acīmredzamā veidā. Metāliem, kurus piesaista magnēti, ir viena kopīga iezīme, un tas ir nesapāroti elektroni to ārējos apvalkos. Tā ir tikai viena elektrostatiskā magnētisma recepte, un tā ir vissvarīgākā.

Metāli, kurus jūs varat pastāvīgi magnetizēt, ir pazīstami kāferomagnētisksmetālu, un šo metālu saraksts ir mazs. Nosaukums cēliesferrum, latīņu vārds dzelzs.​

Ir daudz garāks to materiālu sarakstsparamagnētisks, kas nozīmē, ka magnētiskā lauka klātbūtnē tie īslaicīgi kļūst magnetizēti. Paramagnētiskie materiāli nav visi metāli. Daži kovalenti savienojumi, piemēram, skābeklis (O₂) piemīt paramagnētisms, tāpat kā dažām jonu daļiņām.

Visi materiāli, kas nav feromagnētiski vai paramagnetiski, ir

Lai saprastu atšķirības starp šīm trim magnētisma klasēm, jums jāaplūko, kas notiek atomu līmenī.

Pašlaik pieņemtajā atoma modelī kodols sastāv no pozitīvi lādētiem protoniem un elektriski neitrālie neitroni, kurus satur spēcīgs spēks, viens no daba. Negatīvi lādētu elektronu mākonis, kas aizņem diskrētus enerģijas līmeņus vai čaulas, ieskauj kodolu, un tie piešķir magnētiskās īpašības.

Riņķojošais elektrons rada mainīgu elektrisko lauku, un saskaņā ar Maksvela vienādojumiem tā ir magnētiskā lauka recepte.Lauka lielums ir vienāds ar laukumu orbītas iekšpusē, kas reizināts ar strāvu.Atsevišķs elektrons rada niecīgu strāvu un iegūto magnētisko lauku, ko mēra ar vienībām, kuras saucBora magnēti, ir arī niecīga. Tipiskā atomā visu tā orbītā esošo elektronu radītie lauki parasti viens otru izslēdz.

Lādiņu rada ne tikai elektrona riņķojošā kustība, bet arī cits īpašums, kas pazīstams kāgriezties. Kā izrādās, magnētisko īpašību noteikšanā griešanās ir daudz svarīgāka nekā orbītas kustība, jo kopējais grieziens atomā, visticamāk, būs asimetrisks un spējīgs radīt magnētu brīdi.

Jūs varat domāt par spin kā elektrona rotācijas virzienu, lai gan tas ir tikai aptuvens tuvinājums. Griešanās ir elektronu īpašība, nevis kustības stāvoklis. Elektronam, kas griežas pulksteņrādītāja virzienā, irpozitīvs grieziensvai pagriezieties uz augšu, kamēr tam, kas griežas pretēji pulksteņrādītāja virzienam, irnegatīvs grieziensvai griezties uz leju.

Elektronu griešanās ir kvantu mehāniskā īpašība bez klasiskas analoģijas, un tā nosaka elektronu izvietojumu ap kodolu. Elektroni sakārtojas spin-up un spin-down pāros katrā apvalkā, lai izveidotu nulles tīklumagnētiskais moments​.

Elektroni, kas ir atbildīgi par magnētisko īpašību radīšanu, atrodas visattālākajos vaivalence, atoma čaumalas. Kopumā nesaistīta elektrona klātbūtne atoma ārējā apvalkā rada neto magnētisko momentu un piešķir magnētiskās īpašības, turpretī atomiem ar pārī savienotiem elektroniem ārējā apvalkā nav tīkla lādiņa un tie ir diamagnetisks. Tas ir pārāk vienkāršots, jo valences elektroni dažos elementos, īpaši dzelzs (Fe), var aizņemt zemākas enerģijas apvalkus.

Pašreizējās cilpas, ko rada orbītā esošie elektroni, katru materiālu padara par magnētisku, jo, pielietojot magnētisko lauku, visas strāvas cilpas izlīdzinās pretēji tam un ir pretī laukam. Tas irLenca likums, kurā teikts, ka inducētais magnētiskais lauks pretojas laukam, kas to rada. Ja vienādojumā neietilpst elektronu griešanās, tas būtu stāsta beigas, bet griešanās tajā iekļūst.

Kopāmagnētiskais moments Dž​atoma vērtība ir tā summaorbītas leņķiskais impulssun tas irgriezt leņķisko impulsu. KadDž= 0, atoms nav magnētisks un kadDž≠ 0, atoms ir magnētisks, kas notiek, ja ir vismaz viens nepāra elektrons.

Līdz ar to jebkurš atoms vai savienojums ar pilnīgi piepildītām orbitālēm ir diamagnetisks. Hēlijs un visas cēlās gāzes ir acīmredzami piemēri, taču daži metāli ir arī diamagnetiski. Šeit ir daži piemēri:

• Cinks
• Dzīvsudrabs
• Alva
• Telūrs
• Zelts
• Sudrabs
• Varš

Diamagnetisms nav tīrais rezultāts tam, ka dažus vielas atomus magnētiskais lauks velk vienā virzienā, bet citus - citā virzienā. Katrs diamagnētiskā materiāla atoms ir diamagnetisks un piedzīvo to pašu vājo atgrūšanos pret ārējo magnētisko lauku. Šī atgrūšana var radīt interesantus efektus. Ja spēcīgā magnētiskajā laukā suspendējat diamagnētiska materiāla, piemēram, zelta, stieni, tas perpendikulāri laukam izlīdzināsies.

Ja vismaz viens elektrons atoma ārējā apvalkā nav savienots, atomam ir neto magnētiskais moments, un tas izlīdzināsies ar ārējo magnētisko lauku. Vairumā gadījumu līdzinājums tiek zaudēts, kad lauks tiek noņemts. Tā ir paramagnētiska uzvedība, un savienojumi to var demonstrēt, kā arī elementus.

Daži no visbiežāk sastopamajiem paramagnētiskajiem metāliem ir:

• Magnijs
• Alumīnijs
• Volframs
• Platīns

Daži metāli ir tik vāji paramagnētiski, ka to reakcija uz magnētisko lauku ir gandrīz nemanāma. Atomi izlīdzinās ar magnētisko lauku, bet izlīdzinājums ir tik vājš, ka parasts magnēts to nepiesaista.

Jūs nevarētu uzņemt metālu ar pastāvīgu magnētu, neatkarīgi no tā, cik smagi jūs mēģinājāt. Tomēr jūs varētu izmērīt metālā radīto magnētisko lauku, ja jums būtu pietiekami jutīgs instruments. Ievietojot pietiekami izturīgā magnētiskajā laukā, paramagnētiskā metāla stienis izlīdzināsies paralēli laukam.

Kad jūs domājat par vielu ar magnētiskām īpašībām, jūs parasti domājat par metālu, bet daži nemetāli, piemēram, kalcijs un skābeklis, ir arī paramagnētiski. Ar vienkāršu eksperimentu jūs varat pats parādīt skābekļa paramagnētisko dabu.

Starp jaudīga elektromagnēta poliem ielejiet šķidru skābekli, un skābeklis savāks uz poliem un iztvaiko, radot gāzes mākoni. Izmēģiniet to pašu eksperimentu ar šķidro slāpekli, kas nav paramagnētisks, un nekas nenotiks.

Daži magnētiskie elementi ir tik uzņēmīgi pret ārējiem laukiem, ka, pakļauti vienam, tie kļūst magnetizēti, un, kad lauks tiek noņemts, tie saglabā savas magnētiskās īpašības. Šie feromagnētiskie elementi ietver:

• Dzelzs
• Niķelis
• Kobalts
• Gadolīnijs
• Rutēnijs

Šie elementi ir feromagnētiski, jo atsevišķu atomu orbitālajos apvalkos ir vairāk nekā viens nepāra elektrons. bet notiek arī kas cits. Šo elementu atomi veido grupas, kas pazīstamas kādomēnus, un, ieviešot magnētisko lauku, domēni sakrīt ar lauku un paliek izlīdzināti pat pēc lauka noņemšanas. Šī novēlotā atbilde ir pazīstama kāhistērija,un tas var ilgt gadus.

Daži no spēcīgākajiem pastāvīgajiem magnētiem ir pazīstami kāretzemju magnēti. Divi no visizplatītākajiem irneodīmsmagnēti, kas sastāv no neodīma, dzelzs un bora unsamārija kobaltsmagnēti, kas ir šo divu elementu kombinācija. Katrā magnēta veidā feromagnētisko materiālu (dzelzi, kobaltu) stiprina paramagnētisks retzemju elements.

​Ferītsmagnēti, kas izgatavoti no dzelzs, unalnicomagnēti, kas izgatavoti no alumīnija, niķeļa un kobalta kombinācijas, parasti ir vājāki nekā retzemju magnēti. Tas padara tos drošāk izmantojamus un piemērotākus zinātnes eksperimentiem.

Katram magnētiskajam materiālam ir raksturīga temperatūra, virs kuras tas sāk zaudēt magnētiskās īpašības. Tas ir pazīstams kāKirī punkts, kas nosaukts franču fiziķa Pjēra Kirī vārdā, kurš atklāja likumus, kas magnētisko spēju saista ar temperatūru. Virs Kirī punkta atomi feromagnētiskajā materiālā sāk zaudēt izlīdzinājumu, un materiāls kļūst paramagnētisks vai, ja temperatūra ir pietiekami augsta, diamagnetisks.

Dzelzs Kirī punkts ir 1418 F (770 C), bet kobalts - 2050 F (1121 C), kas ir viens no augstākajiem Kirī punktiem. Kad temperatūra nokrītas zem Kirī punkta, materiāls atgūst feromagnētiskās īpašības.

Magnetīts, kas pazīstams arī kā dzelzs rūdas vai dzelzs oksīds, ir pelēkmelns minerāls ar ķīmisko formulu Fe₃O₄ tas ir tērauda izejmateriāls. Tas izturas kā feromagnētisks materiāls, paliekot magnetizēts, pakļaujoties ārējam magnētiskajam laukam. Līdz divdesmitā gadsimta vidum visi uzskatīja, ka tas ir feromagnētisks, bet patiesībā tas tā irferrimagnētisks, un tur ir būtiska atšķirība.

Magnetīta ferrimagnētisms nav visu materiāla atomu magnētisko momentu summa, kas būtu taisnība, ja minerāls būtu feromagnētisks. Tās ir paša minerāla kristāla struktūras sekas.

Magnēts sastāv no divām atsevišķām režģu struktūrām, oktaedriskas un tetraedriskas. Abām struktūrām ir pretēja, bet nevienāda polaritāte, un tās rezultāts ir neto magnētiskā momenta radīšana. Citi zināmie ferrimagnētiskie savienojumi ietver itrija dzelzs granātu un pirotītu.

Zem noteiktas temperatūras, ko sauc parNéel temperatūrapēc franču fiziķa Luisa Néela daži metāli, sakausējumi un jonu cietās vielas zaudē savas paramagnētiskās īpašības un kļūst nereaģējošas uz ārējiem magnētiskajiem laukiem. Viņi būtībā kļūst demagnetizēti. Tas notiek tāpēc, ka materiāla režģa struktūrā esošie joni visā struktūrā izlīdzinās pretparalēlos izvietojumos, radot pretējus magnētiskos laukus, kas viens otru novērš.

Néel temperatūra var būt ļoti zema, apmēram -150 C (-240 F), padarot savienojumus paramagnetiskus visiem praktiskiem mērķiem. Tomēr dažiem savienojumiem Néel temperatūra ir istabas temperatūras diapazonā vai augstāka.

Ļoti zemā temperatūrā antiferromagnētiskiem materiāliem nav magnētiskas uzvedības. Temperatūrai paaugstinoties, daži no atomiem atbrīvojas no režģa struktūras un izlīdzinās ar magnētisko lauku, un materiāls kļūst vāji magnētisks. Kad temperatūra sasniedz Néel temperatūru, šis paramagnetisms sasniedz savu maksimumu, bet temperatūrai paaugstinoties tālāk punktā, termiskā uzbudināšana neļauj atomiem saglabāt to izlīdzināšanu ar lauku, un magnētisms vienmērīgi samazinās izslēgts.

Ne daudzi elementi ir antiferromagnētiski - tikai hroms un mangāns. Antiferromagnētiskie savienojumi ietver mangāna oksīdu (MnO), dažas dzelzs oksīda formas (Fe₂O₃) un bismuta ferīts (BiFeO₃).