Waarom magneten geen effect hebben op sommige metalen

Magnetisme en elektriciteit zijn zo nauw met elkaar verbonden dat je ze zelfs als twee kanten van dezelfde medaille kunt beschouwen. De magnetische eigenschappen van sommige metalen zijn het resultaat van elektrostatische veldomstandigheden in de atomen waaruit het metaal bestaat.

In feite hebben alle elementen magnetische eigenschappen, maar de meeste manifesteren ze niet op een voor de hand liggende manier. De metalen die aangetrokken worden door magneten hebben één ding gemeen, en dat zijn ongepaarde elektronen in hun buitenste schillen. Dat is slechts één elektrostatisch recept voor magnetisme, en het is het belangrijkste.

Metalen die u permanent kunt magnetiseren, staan ​​bekend als:ferromagnetischmetalen, en de lijst van deze metalen is klein. De naam komt vanferrum, het Latijnse woord voor ijzer.​

Er is een veel langere lijst met materialen die:paramagnetisch, wat betekent dat ze tijdelijk worden gemagnetiseerd in aanwezigheid van een magnetisch veld. Paramagnetische materialen zijn niet allemaal metalen. Sommige covalente verbindingen, zoals zuurstof (O

Alle materialen die niet ferromagnetisch of paramagnetisch zijn, zijn:diamagnetisch, wat betekent dat ze een lichte afstoting van magnetische velden vertonen, en een gewone magneet trekt ze niet aan. Eigenlijk zijn alle elementen en verbindingen tot op zekere hoogte diamagnetisch.

Om de verschillen tussen deze drie klassen van magnetisme te begrijpen, moet je kijken naar wat er op atomair niveau gebeurt.

In het huidige geaccepteerde model van het atoom bestaat de kern uit positief geladen protonen en elektrisch neutrale neutronen bij elkaar gehouden door de sterke kracht, een van de fundamentele krachten van natuur. Een wolk van negatief geladen elektronen die discrete energieniveaus of schillen bezetten, omringt de kern, en deze geven magnetische eigenschappen.

Een ronddraaiend elektron genereert een veranderend elektrisch veld, en volgens de vergelijkingen van Maxwell is dat het recept voor een magnetisch veld.De grootte van het veld is gelijk aan het gebied binnen de baan vermenigvuldigd met de stroom.Een individueel elektron genereert een kleine stroom en het resulterende magnetische veld, dat wordt gemeten in eenheden die. worden genoemdBohr magnetons, is ook klein. In een typisch atoom heffen de velden die worden gegenereerd door alle in een baan om de aarde draaiende elektronen elkaar over het algemeen op.

Het is niet alleen de baanbeweging van een elektron die lading creëert, maar ook een andere eigenschap die bekend staat alsdraaien. Het blijkt dat spin veel belangrijker is bij het bepalen van magnetische eigenschappen dan orbitale beweging, omdat de totale spin in een atoom waarschijnlijker asymmetrisch is en in staat is om een ​​magnetisch te creëren moment.

Je kunt spin zien als de draairichting van een elektron, hoewel dit slechts een ruwe benadering is. Spin is een intrinsieke eigenschap van elektronen, geen bewegingstoestand. Een elektron dat met de klok mee draait heeftpositieve spin, of draai omhoog, terwijl een die tegen de klok in draait, heeftnegatieve spin, of naar beneden draaien.

Elektronenspin is een kwantummechanische eigenschap zonder klassieke analogie en bepaalt de plaatsing van elektronen rond de kern. Elektronen rangschikken zichzelf in spin-up en spin-down paren in elke schaal om een ​​nulnet te creëren createmagnetisch moment​.

De elektronen die verantwoordelijk zijn voor het creëren van magnetische eigenschappen zijn die in de buitenste, ofvalentie, schillen van het atoom. Over het algemeen creëert de aanwezigheid van een ongepaard elektron in de buitenste schil van een atoom een ​​netto magnetisch moment en verleent magnetische eigenschappen, terwijl atomen met gepaarde elektronen in de buitenste schil geen netto lading hebben en zijn diamagnetisch. Dit is een oversimplificatie, omdat valentie-elektronen in sommige elementen lagere energieschillen kunnen bezetten, met name ijzer (Fe).

De stroomlussen die worden gecreëerd door elektronen in een baan om de aarde te maken, maken elk materiaal diamagnetisch, omdat wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd, de stroomlussen er allemaal tegenover staan ​​en zich verzetten tegen het veld. Dit is een toepassing vanWet van Lenz, waarin staat dat een geïnduceerd magnetisch veld zich verzet tegen het veld dat het creëert. Als elektronenspin niet in de vergelijking zou komen, zou dat het einde van het verhaal zijn, maar spin komt er wel in.

Het totaalmagnetisch moment J​van een atoom is de som van zijnorbitaal impulsmomenten zijndraaiimpulsmoment. WanneerJ= 0, het atoom is niet-magnetisch, en wanneerJ≠ 0, het atoom is magnetisch, wat gebeurt wanneer er ten minste één ongepaard elektron is.

Bijgevolg is elk atoom of elke verbinding met volledig gevulde orbitalen diamagnetisch. Helium en alle edelgassen zijn duidelijke voorbeelden, maar sommige metalen zijn ook diamagnetisch. Hier zijn een paar voorbeelden:

• Zink
• Kwik
• Blik
• Tellurium
• Goud
• Zilver
• Koper

Diamagnetisme is niet het netto resultaat van het feit dat sommige atomen in een stof de ene kant op worden getrokken door een magnetisch veld en andere in een andere richting. Elk atoom in een diamagnetisch materiaal is diamagnetisch en ervaart dezelfde zwakke afstoting naar een extern magnetisch veld. Deze afstoting kan interessante effecten creëren. Als je een staaf van diamagnetisch materiaal, zoals goud, ophangt in een sterk magnetisch veld, zal deze zich loodrecht op het veld uitlijnen.

Als ten minste één elektron in de buitenste schil van een atoom ongepaard is, heeft het atoom een ​​netto magnetisch moment en zal het zichzelf uitlijnen met een extern magnetisch veld. In de meeste gevallen gaat de uitlijning verloren wanneer het veld wordt verwijderd. Dit is paramagnetisch gedrag en verbindingen kunnen dit zowel als elementen vertonen.

Enkele van de meest voorkomende paramagnetische metalen zijn:

• Magnesium
• Aluminium
• Wolfraam
• Platina

Sommige metalen zijn zo zwak paramagnetisch dat hun reactie op een magnetisch veld nauwelijks waarneembaar is. De atomen richten zich op een magnetisch veld, maar de uitlijning is zo zwak dat een gewone magneet het niet aantrekt.

Je kon het metaal niet oppakken met een permanente magneet, hoe hard je ook probeerde. U zou echter het magnetische veld dat in het metaal wordt gegenereerd, kunnen meten als u een gevoelig genoeg instrument had. Wanneer geplaatst in een magnetisch veld van voldoende sterkte, zal een staaf van een paramagnetisch metaal zich evenwijdig aan het veld uitlijnen.

Als je denkt aan een stof met magnetische eigenschappen, denk je meestal aan een metaal, maar een paar niet-metalen, zoals calcium en zuurstof, zijn ook paramagnetisch. U kunt de paramagnetische aard van zuurstof voor uzelf aantonen met een eenvoudig experiment.

Giet vloeibare zuurstof tussen de polen van een krachtige elektromagneet en de zuurstof verzamelt zich op de polen en verdampt, waardoor een gaswolk ontstaat. Probeer hetzelfde experiment met vloeibare stikstof, die niet paramagnetisch is, en er zal niets gebeuren.

Sommige magnetische elementen zijn zo gevoelig voor externe velden dat ze worden gemagnetiseerd wanneer ze eraan worden blootgesteld, en ze behouden hun magnetische eigenschappen wanneer het veld wordt verwijderd. Deze ferromagnetische elementen omvatten:

• Ijzer
• Nikkel
• Kobalt
• Gadolinium
• ruthenium

Deze elementen zijn ferromagnetisch omdat individuele atomen meer dan één ongepaard elektron in hun orbitale schillen hebben. maar er is ook iets anders aan de hand. De atomen van deze elementen vormen groepen die bekend staan ​​alsdomeinen, en wanneer u een magnetisch veld introduceert, stemmen de domeinen zichzelf uit met het veld en blijven uitgelijnd, zelfs nadat u het veld hebt verwijderd. Deze vertraagde reactie staat bekend als:hysterie,en het kan jaren duren.

Enkele van de sterkste permanente magneten staan ​​bekend als:zeldzame aarde magneten. Twee van de meest voorkomende zijn:neodymiummagneten, die bestaan ​​uit een combinatie van neodymium, ijzer en boor, ensamarium kobaltmagneten, die een combinatie zijn van die twee elementen. In elk type magneet wordt een ferromagnetisch materiaal (ijzer, kobalt) versterkt door een paramagnetisch zeldzaam aarde-element.

​Ferrietmagneten, die zijn gemaakt van ijzer, enalnicomagneten, die zijn gemaakt van een combinatie van aluminium, nikkel en kobalt, zijn over het algemeen zwakker dan zeldzame aardmagneten. Dit maakt ze veiliger in gebruik en meer geschikt voor wetenschappelijke experimenten.

Elk magnetisch materiaal heeft een karakteristieke temperatuur waarboven het zijn magnetische eigenschappen begint te verliezen. Dit staat bekend als deCuriepunt, genoemd naar Pierre Curie, de Franse natuurkundige die de wetten ontdekte die magnetisch vermogen relateren aan temperatuur. Boven het Curie-punt beginnen de atomen in een ferromagnetisch materiaal hun uitlijning te verliezen en wordt het materiaal paramagnetisch of, als de temperatuur hoog genoeg is, diamagnetisch.

Het Curie-punt voor ijzer is 1418 F (770 C), en voor kobalt is het 2.050 F (1.121 C), wat een van de hoogste Curie-punten is. Wanneer de temperatuur onder het Curie-punt zakt, krijgt het materiaal zijn ferromagnetische eigenschappen terug.

Magnetiet, ook wel ijzererts of ijzeroxide genoemd, is het grijszwarte mineraal met de chemische formule Fe₃O₄ dat is de grondstof voor staal. Het gedraagt ​​zich als een ferromagnetisch materiaal en wordt permanent gemagnetiseerd wanneer het wordt blootgesteld aan een extern magnetisch veld. Tot het midden van de twintigste eeuw ging iedereen ervan uit dat het ferromagnetisch was, maar het is eigenlijk...ferrimagnetisch, en er is een significant verschil.

Het ferrimagnetisme van magnetiet is niet de som van de magnetische momenten van alle atomen in het materiaal, wat waar zou zijn als het mineraal ferromagnetisch was. Het is een gevolg van de kristalstructuur van het mineraal zelf.

Magnetiet bestaat uit twee afzonderlijke roosterstructuren, een octaëdrische en een tetraëdrische. De twee structuren hebben tegengestelde maar ongelijke polariteiten, en het effect is om een ​​netto magnetisch moment te produceren. Andere bekende ferrimagnetische verbindingen omvatten yttrium-ijzer-granaat en pyrrhotiet.

Beneden een bepaalde temperatuur, die deNeel temperatuurna de Franse natuurkundige Louis Néel verliezen sommige metalen, legeringen en ionische vaste stoffen hun paramagnetische eigenschappen en reageren ze niet meer op externe magnetische velden. Ze worden in wezen gedemagnetiseerd. Dit gebeurt omdat ionen in de roosterstructuur van het materiaal zich in antiparallelle rangschikkingen door de hele structuur uitlijnen, waardoor tegengestelde magnetische velden ontstaan ​​die elkaar opheffen.

Néel-temperaturen kunnen erg laag zijn, in de orde van -150 C (-240F), waardoor de verbindingen paramagnetisch zijn voor alle praktische doeleinden. Sommige verbindingen hebben echter Néel-temperaturen in het bereik van kamertemperatuur of hoger.

Bij zeer lage temperaturen vertonen antiferromagnetische materialen geen magnetisch gedrag. Naarmate de temperatuur stijgt, breken sommige atomen los van de roosterstructuur en richten ze zich op het magnetische veld, en het materiaal wordt zwak magnetisch. Wanneer de temperatuur de Néel-temperatuur bereikt, bereikt dit paramagnetisme zijn hoogtepunt, maar naarmate de temperatuur verder stijgt punt, thermische agitatie verhindert dat de atomen hun uitlijning met het veld behouden, en het magnetisme neemt gestaag af uit.

Niet veel elementen zijn antiferromagnetisch - alleen chroom en mangaan. Antiferromagnetische verbindingen omvatten mangaanoxide (MnO), sommige vormen van ijzeroxide (Fe₂O₃) en bismutferriet (BiFeO₃).