Dlaczego magnesy nie mają wpływu na niektóre metale

Magnetyzm i elektryczność są ze sobą tak ściśle powiązane, że możesz nawet uznać je za dwie strony tej samej monety. Właściwości magnetyczne niektórych metali są wynikiem warunków pola elektrostatycznego w atomach tworzących metal.

W rzeczywistości wszystkie pierwiastki mają właściwości magnetyczne, ale większość nie przejawia ich w oczywisty sposób. Metale przyciągane przez magnesy mają jedną wspólną cechę, a mianowicie niesparowane elektrony w ich zewnętrznych powłokach. To tylko jeden elektrostatyczny przepis na magnetyzm i to jest najważniejszy.

Metale, które można trwale namagnesować, są znane jakoferromagnetycznymetale, a lista tych metali jest niewielka. Nazwa pochodzi odżelazo, łacińskie słowo oznaczające żelazo.​

Lista materiałów, które sąparamagnetyczny, co oznacza, że ​​zostają tymczasowo namagnesowane w obecności pola magnetycznego. Materiały paramagnetyczne to nie wszystkie metale. Niektóre związki kowalencyjne, takie jak tlen (O₂) wykazują paramagnetyzm, podobnie jak niektóre ciała stałe jonowe.

Wszystkie materiały, które nie są ferromagnetyczne lub paramagnetyczne, sądiamagnetyczny, co oznacza, że ​​w niewielkim stopniu odpychają się od pól magnetycznych, a zwykły magnes ich nie przyciąga. Właściwie wszystkie pierwiastki i związki są do pewnego stopnia diamagnetyczne.

Aby zrozumieć różnice między tymi trzema klasami magnetyzmu, musisz spojrzeć na to, co dzieje się na poziomie atomowym.

W obecnie przyjętym modelu atomu jądro składa się z dodatnio naładowanych protonów i elektrycznie obojętne neutrony utrzymywane razem przez silne oddziaływanie, jedną z podstawowych sił Natura. Jądro otacza chmura ujemnie naładowanych elektronów zajmujących dyskretne poziomy energetyczne lub powłoki, które nadają właściwości magnetyczne.

Orbitujący elektron generuje zmienne pole elektryczne i zgodnie z równaniami Maxwella jest to przepis na pole magnetyczne.Wielkość pola jest równa powierzchni wewnątrz orbity pomnożonej przez prąd.Pojedynczy elektron generuje niewielki prąd, a powstałe pole magnetyczne mierzone jest w jednostkach zwanychMagnetony Bohra, jest również malutka. W typowym atomie pola generowane przez wszystkie jego orbitujące elektrony generalnie znoszą się nawzajem.

Nie tylko ruch orbitalny elektronu tworzy ładunek, ale także inna właściwość znana jakoobracać. Jak się okazuje, spin jest znacznie ważniejszy w określaniu właściwości magnetycznych niż ruch orbitalny, ponieważ ogólny spin w atomie jest bardziej asymetryczny i zdolny do tworzenia pola magnetycznego za chwilę.

Możesz myśleć o spinie jako o kierunku rotacji elektronu, chociaż jest to tylko przybliżone przybliżenie. Spin jest nieodłączną właściwością elektronów, a nie stanem ruchu. Elektron, który kręci się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, mapozytywny obrót, lub rozkręca się, podczas gdy ten, który obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, maujemny obrótlub zwolnij.

Spin elektronu jest właściwością mechaniki kwantowej bez klasycznej analogii i determinuje położenie elektronów wokół jądra. Elektrony układają się w parach spin-up i spin-down w każdej powłoce, tak aby stworzyć zerową siećMoment magnetyczny​.

Elektrony odpowiedzialne za tworzenie właściwości magnetycznych to te znajdujące się najbardziej na zewnątrz, czyliwartościowość, skorupy atomu. Ogólnie rzecz biorąc, obecność niesparowanego elektronu w zewnętrznej powłoce atomu tworzy wypadkowy moment magnetyczny i nadaje właściwości magnetyczne, podczas gdy atomy ze sparowanymi elektronami w powłoce zewnętrznej nie mają ładunku netto i są diamagnetyczny. Jest to nadmierne uproszczenie, ponieważ elektrony walencyjne mogą zajmować w niektórych pierwiastkach powłoki o niższej energii, zwłaszcza w żelazie (Fe).

Pętle prądowe utworzone przez orbitujące elektrony sprawiają, że każdy materiał jest diamagnetyczny, ponieważ po przyłożeniu pola magnetycznego wszystkie pętle prądowe ustawiają się w kierunku przeciwnym do niego i przeciwstawiają się polu. To jest aplikacja zPrawo Lenza, który stwierdza, że ​​indukowane pole magnetyczne przeciwstawia się polu, które je tworzy. Gdyby spin elektronu nie wchodził w równanie, byłby to koniec historii, ale spin wchodzi w to.

SumaMoment magnetyczny jot​atomu to suma jegoorbitalny moment pędui jejobrotowy moment pędu. Gdyjot= 0, atom jest niemagnetyczny, a kiedyjot≠ 0, atom jest magnetyczny, co ma miejsce, gdy istnieje co najmniej jeden niesparowany elektron.

W konsekwencji każdy atom lub związek z całkowicie wypełnionymi orbitalami jest diamagnetyczny. Hel i wszystkie gazy szlachetne są oczywistymi przykładami, ale niektóre metale są również diamagnetyczne. Oto kilka przykładów:

• Cynk
• Rtęć
• Cyna
• Tellur
• Złoto
• Srebro
• Miedź

Diamagnetyzm nie jest wypadkową tego, że niektóre atomy w substancji są ciągnięte w jedną stronę przez pole magnetyczne, a inne w innym kierunku. Każdy atom w materiale diamagnetycznym jest diamagnetyczny i doświadcza takiego samego słabego odpychania do zewnętrznego pola magnetycznego. To odpychanie może tworzyć ciekawe efekty. Jeśli zawiesisz sztabkę z materiału diamagnetycznego, takiego jak złoto, w silnym polu magnetycznym, ustawi się ona prostopadle do pola.

Jeśli przynajmniej jeden elektron w zewnętrznej powłoce atomu jest niesparowany, atom ma wypadkowy moment magnetyczny i dopasuje się do zewnętrznego pola magnetycznego. W większości przypadków wyrównanie jest tracone po usunięciu pola. Jest to zachowanie paramagnetyczne, które mogą wykazywać zarówno związki, jak i pierwiastki.

Niektóre z bardziej powszechnych metali paramagnetycznych to:

• Magnez
• Aluminium
• Wolfram
• Platyna

Niektóre metale są tak słabo paramagnetyczne, że ich reakcja na pole magnetyczne jest ledwo zauważalna. Atomy ustawiają się zgodnie z polem magnetycznym, ale wyrównanie jest tak słabe, że zwykły magnes go nie przyciąga.

Nie można podnieść metalu magnesem trwałym, bez względu na to, jak bardzo się starałeś. Byłbyś jednak w stanie zmierzyć pole magnetyczne generowane w metalu, gdybyś miał wystarczająco czuły przyrząd. Po umieszczeniu w polu magnetycznym o wystarczającej sile, sztabka z metalu paramagnetycznego ustawi się równolegle do pola.

Kiedy myślisz o substancji o właściwościach magnetycznych, zazwyczaj myślisz o metalu, ale kilka niemetali, takich jak wapń i tlen, jest również paramagnetycznych. Możesz zademonstrować paramagnetyczną naturę tlenu za pomocą prostego eksperymentu.

Wlej ciekły tlen między bieguny silnego elektromagnesu, a tlen zbierze się na biegunach i odparuje, tworząc chmurę gazu. Spróbuj tego samego eksperymentu z ciekłym azotem, który nie jest paramagnetyczny, i nic się nie stanie.

Niektóre elementy magnetyczne są tak podatne na pola zewnętrzne, że ulegają namagnesowaniu pod wpływem jednego z nich i zachowują swoje właściwości magnetyczne po usunięciu pola. Te elementy ferromagnetyczne obejmują:

• Żelazo
• Nikiel
• Kobalt
• Gadolin
• Ruten

Pierwiastki te są ferromagnetyczne, ponieważ poszczególne atomy mają w swoich powłokach orbitalnych więcej niż jeden niesparowany elektron. ale dzieje się też coś innego. Atomy tych pierwiastków tworzą grupy znane jakodomeny, a kiedy wprowadzasz pole magnetyczne, domeny dopasowują się do pola i pozostają wyrównane, nawet po usunięciu pola. Ta opóźniona odpowiedź jest znana jakohistereza,i może trwać latami.

Niektóre z najsilniejszych magnesów trwałych są znane jakomagnesy ziem rzadkich. Dwa z najczęstszych toneodymmagnesy, które składają się z kombinacji neodymu, żelaza i boru orazsamar kobaltmagnesy, które są połączeniem tych dwóch elementów. W każdym typie magnesu materiał ferromagnetyczny (żelazo, kobalt) jest wzmocniony paramagnetycznym pierwiastkiem ziem rzadkich.

​Ferrytmagnesy, które są wykonane z żelaza, orazalnicoMagnesy, które są wykonane z połączenia aluminium, niklu i kobaltu, są generalnie słabsze niż magnesy ziem rzadkich. Dzięki temu są bezpieczniejsze w użyciu i bardziej odpowiednie do eksperymentów naukowych.

Każdy materiał magnetyczny ma charakterystyczną temperaturę, powyżej której zaczyna tracić swoje właściwości magnetyczne. Jest to znane jakoPunkt Curie, nazwany na cześć Pierre'a Curie, francuskiego fizyka, który odkrył prawa wiążące zdolność magnetyczną do temperatury. Powyżej punktu Curie atomy w materiale ferromagnetycznym zaczynają tracić orientację, a materiał staje się paramagnetyczny lub, jeśli temperatura jest wystarczająco wysoka, diamagnetyczny.

Punkt Curie dla żelaza wynosi 1418 F (770 C), a dla kobaltu 2050 F (1121 C), co jest jednym z najwyższych punktów Curie. Gdy temperatura spadnie poniżej punktu Curie, materiał odzyskuje swoje właściwości ferromagnetyczne.

Magnetyt, znany również jako ruda żelaza lub tlenek żelaza, jest szaro-czarnym minerałem o wzorze chemicznym Fe₃O₄ to jest surowiec do stali. Zachowuje się jak materiał ferromagnetyczny, ulegając trwałemu namagnesowaniu pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Do połowy XX wieku wszyscy zakładali, że jest ferromagnetyczny, ale tak naprawdę jestferrimagnetycznyi jest znacząca różnica.

Ferrimagnetyzm magnetytu nie jest sumą momentów magnetycznych wszystkich atomów w materiale, co byłoby prawdą, gdyby minerał był ferromagnetyczny. Jest to konsekwencja struktury krystalicznej samego minerału.

Magnetyt składa się z dwóch oddzielnych struktur sieciowych, ośmiościennej i czworościennej. Obie struktury mają przeciwne, ale nierówne bieguny, a efektem jest wytworzenie netto momentu magnetycznego. Inne znane związki ferrimagnetyczne obejmują granat itrowo-żelazowy i pirotyn.

Poniżej pewnej temperatury, która nazywa sięTemperatura Neelwedług francuskiego fizyka Louisa Néela niektóre metale, stopy i jonowe ciała stałe tracą swoje właściwości paramagnetyczne i przestają reagować na zewnętrzne pola magnetyczne. Zasadniczo ulegają rozmagnesowaniu. Dzieje się tak, ponieważ jony w strukturze sieciowej materiału dopasowują się w antyrównoległych układach w całej strukturze, tworząc przeciwstawne pola magnetyczne, które wzajemnie się znoszą.

Temperatury Néela mogą być bardzo niskie, rzędu -150 C (-240 F), co sprawia, że ​​związki są paramagnetyczne we wszystkich praktycznych zastosowaniach. Jednak niektóre związki mają temperatury Néela w zakresie temperatury pokojowej lub wyższej.

W bardzo niskich temperaturach materiały antyferromagnetyczne nie wykazują właściwości magnetycznych. Wraz ze wzrostem temperatury niektóre atomy wyrywają się ze struktury sieciowej i ustawiają się zgodnie z polem magnetycznym, a materiał staje się słabo magnetyczny. Kiedy temperatura osiąga temperaturę Néel, ten paramagnetyzm osiąga swój szczyt, ale gdy temperatura wzrasta powyżej tego punkt, pobudzenie termiczne uniemożliwia utrzymanie wyrównania atomów z polem, a magnetyzm stale spada poza.

Niewiele pierwiastków jest antyferromagnetycznych – tylko chrom i mangan. Związki antyferromagnetyczne obejmują tlenek manganu (MnO), niektóre formy tlenku żelaza (Fe₂O₃) i ferrytu bizmutu (BiFeO₃).