Hvorfor magneter ikke har noen innvirkning på noen metaller

Magnetisme og elektrisitet er koblet så nært at du til og med kan betrakte dem som to sider av samme mynt. De magnetiske egenskapene som noen metaller viser, er et resultat av elektrostatiske feltforhold i atomene som komponerer metallet.

Faktisk har alle elementene magnetiske egenskaper, men de fleste manifesterer dem ikke på en åpenbar måte. Metallene som tiltrekkes av magneter har en ting til felles, og det er uparrede elektroner i de ytre skallene. Det er bare en elektrostatisk oppskrift på magnetisme, og den er den viktigste.

Metaller som du permanent kan magnetisere er kjent somferromagnetiskmetaller, og listen over disse metallene er liten. Navnet kommer fraferrum, det latinske ordet for jern.​

Det er en mye lengre liste over materialer som erparamagnetisk, noe som betyr at de blir midlertidig magnetisert når de er i nærheten av et magnetfelt. Paramagnetiske materialer er ikke alle metaller. Noen kovalente forbindelser, slik som oksygen (O₂) utviser paramagnetisme, det samme gjør noen ioniske faste stoffer.

Alle materialer som ikke er ferromagnetiske eller paramagnetiske erdiamagnetisk, noe som betyr at de utviser en liten avstøting mot magnetfelt, og en vanlig magnet tiltrekker dem ikke. Egentlig er alle elementer og forbindelser diamagnetiske til en viss grad.

For å forstå forskjellene mellom disse tre klassene av magnetisme, må du se på hva som skjer på atomnivå.

I den nåværende aksepterte modellen av atomet består kjernen av positivt ladede protoner og elektrisk nøytrale nøytroner holdt sammen av den sterke styrken, en av de grunnleggende kreftene til natur. En sky av negativt ladede elektroner som opptar diskrete energinivåer eller skjell, omgir kjernen, og det er dette som gir magnetiske egenskaper.

Et baneelektron genererer et skiftende elektrisk felt, og ifølge Maxwells ligninger er det oppskriften på et magnetfelt.Størrelsen på feltet er lik området inne i banen ganget med strømmen.Et individuelt elektron genererer en liten strøm, og det resulterende magnetfeltet, som måles i enheter som kallesBohr magnetoner, er også liten. I et typisk atom avbryter feltene generert av alle elektronene i bane generelt hverandre.

Det er ikke bare et elektrones kretsløp som skaper ladning, men også en annen egenskap kjent somsnurre rundt. Som det viser seg er spinn mye viktigere for å bestemme magnetiske egenskaper enn orbital bevegelse, fordi total spinn i et atom er mer sannsynlig å være asymmetrisk og i stand til å skape magnetisk øyeblikk.

Du kan tenke på spinn som et elektrones rotasjonsretning, selv om dette bare er en grov tilnærming. Spinn er en iboende egenskap til elektroner, ikke en bevegelsestilstand. Et elektron som spinner med klokken harpositiv spinn, eller snurre opp, mens en som roterer mot klokken harnegativ spinn, eller spinn ned.

Elektronspinn er en kvantemekanisk egenskap uten klassisk analogi, og den bestemmer plasseringen av elektroner rundt kjernen. Elektroner ordner seg i spin-up og spin-down par i hvert skall for å skape null nettomagnetisk øyeblikk​.

Elektronene som er ansvarlige for å skape magnetiske egenskaper er de ytterste, ellervalens, skjell av atomet. Generelt skaper tilstedeværelsen av et uparret elektron i et atoms ytre skall et magnetisk nettomoment og gir magnetiske egenskaper, mens atomer med parrede elektroner i det ytre skallet ikke har nettolading og er diamagnetisk. Dette er en overforenkling, fordi valenselektroner kan okkupere lavere energiskall i noen elementer, spesielt jern (Fe).

De nåværende sløyfene som er opprettet av elektroner som kretser, gjør hvert materiale diamagnetisk, for når et magnetfelt påføres, justerer gjeldende sløyfer seg i motsetning til det og motarbeider feltet. Dette er en applikasjon avLenzs lov, som sier at et indusert magnetfelt motarbeider feltet som skaper det. Hvis elektronspinn ikke kom inn i ligningen, ville det være slutten på historien, men spinn kommer inn i den.

Totalenmagnetisk øyeblikk J​av et atom er summen av detsorbital vinkelmomentog detsspinn vinkelmoment. NårJ= 0, atomet er ikke-magnetisk, og nårJ≠ 0, atomet er magnetisk, noe som skjer når det er minst ett uparret elektron.

Følgelig er ethvert atom eller forbindelse med fullfylte orbitaler diamagnetisk. Helium og alle edelgassene er åpenbare eksempler, men noen metaller er også diamagnetiske. Her er noen eksempler:

• Sink
• Kvikksølv
• Tinn
• Tellurium
• Gull
• Sølv
• Kobber

Diamagnetisme er ikke nettoresultatet av at noen atomer i et stoff trekkes en vei av et magnetfelt og andre trekkes i en annen retning. Hvert atom i et diamagnetisk materiale er diamagnetisk og opplever den samme svake frastøtingen til et eksternt magnetfelt. Denne frastøtingen kan skape interessante effekter. Hvis du henger en stang av et diamagnetisk materiale, for eksempel gull, i et sterkt magnetfelt, vil den rette seg vinkelrett på feltet.

Hvis minst ett elektron i et atoms ytre skall ikke er paret, har atomet et nettomagnetisk moment, og det vil justere seg med et eksternt magnetfelt. I de fleste tilfeller går justeringen tapt når feltet fjernes. Dette er paramagnetisk oppførsel, og forbindelser kan utvise det så vel som elementer.

Noen av de vanligste paramagnetiske metaller er:

• Magnesium
• Aluminium
• Wolfram
• Platina

Noen metaller er så svakt paramagnetiske at deres respons på et magnetfelt knapt merkes. Atomene stemmer overens med et magnetfelt, men justeringen er så svak at en vanlig magnet ikke tiltrekker den.

Du kunne ikke plukke opp metallet med en permanent magnet, uansett hvor hardt du prøvde. Imidlertid vil du kunne måle magnetfeltet som genereres i metallet hvis du hadde et følsomt nok instrument. Når den plasseres i et magnetfelt med tilstrekkelig styrke, vil en stang av et paramagnetisk metall justere seg parallelt med feltet.

Når du tenker på et stoff som har magnetiske egenskaper, tenker du generelt på et metall, men noen få ikke-metaller, som kalsium og oksygen, er også paramagnetiske. Du kan demonstrere oksygens paramagnetiske natur for deg selv med et enkelt eksperiment.

Hell flytende oksygen mellom polene på en kraftig elektromagnet, og oksygenet vil samles på polene og fordampe og produsere en sky av gass. Prøv det samme eksperimentet med flytende nitrogen, som ikke er paramagnetisk, og ingenting vil skje.

Noen magnetiske elementer er så utsatt for eksterne felt at de blir magnetisert når de utsettes for ett, og de opprettholder sine magnetiske egenskaper når feltet fjernes. Disse ferromagnetiske elementene inkluderer:

• Jern
• Nikkel
• Kobolt
• Gadolinium
• Ruthenium

Disse elementene er ferromagnetiske fordi individuelle atomer har mer enn ett uparret elektron i sine baneskall. men det skjer noe annet også. Atomene til disse elementene danner grupper kjent somdomener, og når du introduserer et magnetfelt, justerer domenene seg med feltet og forblir justert, selv etter at du fjerner feltet. Denne forsinkede responsen er kjent somhysterisis,og det kan vare i årevis.

Noen av de sterkeste permanente magneter er kjent somsjeldne jordsmagneter. To av de vanligste erneodymmagneter, som består av en kombinasjon av neodym, jern og bor, ogsamarium koboltmagneter, som er en kombinasjon av disse to elementene. I hver type magnet er et ferromagnetisk materiale (jern, kobolt) forsterket av et paramagnetisk sjeldent jordelement.

​Ferritmagneter, som er laget av jern, ogalnicomagneter, som er laget av en kombinasjon av aluminium, nikkel og kobolt, er generelt svakere enn sjeldne jordartsmagneter. Dette gjør dem tryggere å bruke og mer egnet for vitenskapelige eksperimenter.

Hvert magnetisk materiale har en karakteristisk temperatur over hvilken det begynner å miste sine magnetiske egenskaper. Dette er kjent somCurie poeng, oppkalt etter Pierre Curie, den franske fysikeren som oppdaget lovene som relaterer magnetisk evne til temperatur. Over Curie-punktet begynner atomene i et ferromagnetisk materiale å miste sin innretting, og materialet blir paramagnetisk eller, hvis temperaturen er høy nok, diamagnetisk.

Curie-punktet for jern er 1470 F (770 C), og for kobolt er det 2.050 F (1121 C), som er et av de høyeste Curie-punktene. Når temperaturen faller under Curie-punktet, gjenvinner materialet sine ferromagnetiske egenskaper.

Magnetitt, også kjent som jernmalm eller jernoksid, er det grå-svarte mineralet med den kjemiske formelen Fe₃O₄ det er råmaterialet for stål. Det oppfører seg som et ferromagnetisk materiale og blir permanent magnetisert når det utsettes for et eksternt magnetfelt. Fram til midten av det tjuende århundre antok alle at det var ferromagnetisk, men det er faktiskferrimagnetisk, og det er en betydelig forskjell.

Ferrimagnetismen til magnetitt er ikke summen av magnetiske øyeblikk av alle atomene i materialet, noe som ville være sant hvis mineralet var ferromagnetisk. Det er en konsekvens av selve mineralets krystallstruktur.

Magnetitt består av to separate gitterstrukturer, en oktaedrisk og en tetraeder. De to strukturene har motstridende, men ulik polariteter, og effekten er å produsere et magnetisk nettomoment. Andre kjente ferrimagnetiske forbindelser inkluderer yttriumjerngarnet og pyrrhotitt.

Under en viss temperatur, som kallesNéel temperaturetter den franske fysikeren Louis Néel mister noen metaller, legeringer og ioniske faste stoffer sine paramagnetiske egenskaper og reagerer ikke på eksterne magnetfelt. De blir i hovedsak demagnetisert. Dette skjer fordi ioner i gitterstrukturen til materialet retter seg inn i antiparallelle ordninger i hele strukturen, og skaper motsatte magnetfelt som avbryter hverandre.

Néel temperaturer kan være veldig lave, i størrelsesorden -150 C (-240F), noe som gjør forbindelsene paramagnetiske for alle praktiske formål. Imidlertid har noen forbindelser Néel-temperaturer i området romtemperatur eller høyere.

Ved svært lave temperaturer viser antiferromagnetiske materialer ingen magnetisk oppførsel. Når temperaturen stiger, bryter noen av atomene seg fri fra gitterstrukturen og retter seg etter magnetfeltet, og materialet blir svakt magnetisk. Når temperaturen når Néel-temperaturen, når denne paramagnetismen sitt høydepunkt, men ettersom temperaturen stiger utover dette punkt forhindrer termisk agitasjon atomer fra å opprettholde sin justering med feltet, og magnetismen synker jevnt og trutt av.

Ikke mange grunnstoffer er antiferromagnetiske - bare krom og mangan. Antiferromagnetiske forbindelser inkluderer manganoksyd (MnO), noen former for jernoksid (Fe₂O₃) og vismutferritt (BiFeO₃).