De ce magneții nu au efecte asupra unor metale

Magnetismul și electricitatea sunt conectate atât de intim încât le-ai putea considera chiar și pe două fețe ale aceleiași monede. Proprietățile magnetice prezentate de unele metale sunt rezultatul condițiilor de câmp electrostatic din atomii care compun metalul.

De fapt, toate elementele au proprietăți magnetice, dar majoritatea nu le manifestă într-un mod evident. Metalele care sunt atrase de magneți au un lucru în comun, și anume electronii nepereche din cochiliile lor exterioare. Aceasta este doar o rețetă electrostatică pentru magnetism și este cea mai importantă.

Metalele pe care le puteți magnetiza permanent sunt cunoscute sub numele deferomagneticmetale, iar lista acestor metale este mică. Numele vine de laferon, cuvântul latin pentru fier.​

Există o listă mult mai lungă de materiale care suntparamagnetic, ceea ce înseamnă că devin magnetizați temporar atunci când sunt în prezența unui câmp magnetic. Materialele paramagnetice nu sunt toate metale. Unii compuși covalenți, cum ar fi oxigenul (O

Toate materialele care nu sunt feromagnetice sau paramagnetice suntdiamagnetic, ceea ce înseamnă că prezintă o ușoară respingere a câmpurilor magnetice, iar un magnet obișnuit nu le atrage. De fapt, toate elementele și compușii sunt diamagnetici într-o anumită măsură.

Pentru a înțelege diferențele dintre aceste trei clase de magnetism, trebuie să te uiți la ce se întâmplă la nivel atomic.

În modelul acceptat în prezent al atomului, nucleul este format din protoni încărcați pozitiv și neutroni neutri din punct de vedere electric, ținuți împreună de forța puternică, una dintre forțele fundamentale ale natură. Un nor de electroni încărcați negativ care ocupă niveluri de energie discrete, sau cochilii, înconjoară nucleul și acestea sunt cele care conferă calități magnetice.

Un electron în orbită generează un câmp electric în schimbare și, conform ecuațiilor lui Maxwell, aceasta este rețeta unui câmp magnetic.Magnitudinea câmpului este egală cu aria din interiorul orbitei înmulțită cu curentul.Un electron individual generează un curent mic și câmpul magnetic rezultat, care este măsurat în unități numiteMagnonii Bohr, este și minuscul. Într-un atom tipic, câmpurile generate de toți electronii orbitanți se anulează reciproc.

Nu doar mișcarea orbitantă a unui electron creează sarcină, ci și o altă proprietate cunoscută sub numele dea învârti. După cum se dovedește, rotirea este mult mai importantă în determinarea proprietăților magnetice decât mișcarea orbitală, deoarece rotirea generală într-un atom este mai probabil să fie asimetrică și capabilă să creeze un magnet moment.

Vă puteți gândi la rotire ca la direcția de rotație a unui electron, deși aceasta este doar o aproximare aproximativă. Rotirea este o proprietate intrinsecă a electronilor, nu o stare de mișcare. Un electron care se rotește în sensul acelor de ceasornic arerotire pozitivă, sau rotiți, în timp ce una care se rotește în sens invers acelor de ceasornic arerotire negativă, sau rotiți în jos.

Rotația electronică este o proprietate mecanică cuantică fără o analogie clasică și determină plasarea electronilor în jurul nucleului. Electronii se aranjează în perechi spin-up și spin-down în fiecare coajă, astfel încât să creeze zero netmoment magnetic​.

Electronii responsabili de crearea proprietăților magnetice sunt cei din exterior sauvalenţă, scoici ale atomului. În general, prezența unui electron nepereche în învelișul exterior al unui atom creează un moment magnetic net și conferă proprietăți magnetice, în timp ce atomii cu electroni împerecheați în carcasa exterioară nu au nicio încărcare netă și sunt diamagnetic. Aceasta este o simplificare excesivă, deoarece electronii de valență pot ocupa cochilii cu energie mai mică în unele elemente, în special fier (Fe).

Buclele de curent create de electronii care orbitează fac ca fiecare material să fie diamagnetic, deoarece atunci când este aplicat un câmp magnetic, buclele de curent se aliniază în opoziție cu acesta și se opun câmpului. Aceasta este o aplicație aLegea lui Lenz, care afirmă că un câmp magnetic indus se opune câmpului care îl creează. Dacă rotația electronică nu ar intra în ecuație, acesta ar fi sfârșitul poveștii, dar rotația intră în ea.

Totalulmoment magnetic J​a unui atom este suma acestuiamoment unghiular orbitalsi esterotire impuls unghiular. CandJ= 0, atomul este nemagnetic, iar cândJ≠ 0, atomul este magnetic, ceea ce se întâmplă atunci când există cel puțin un electron nepereche.

În consecință, orice atom sau compus cu orbitali complet umplu este diamagnetic. Heliul și toate gazele nobile sunt exemple evidente, dar unele metale sunt, de asemenea, diamagnetice. Iată câteva exemple:

• Zinc
• Mercur
• Staniu
• Telurul
• Aur
• Argint
• Cupru

Diamagnetismul nu este rezultatul net al unor atomi dintr-o substanță care sunt atrași într-un fel de un câmp magnetic, iar alții sunt atrași într-o altă direcție. Fiecare atom dintr-un material diamagnetic este diamagnetic și are aceeași repulsie slabă către un câmp magnetic extern. Această respingere poate crea efecte interesante. Dacă suspendați o bară dintr-un material diamagnetic, cum ar fi aurul, într-un câmp magnetic puternic, acesta se va alinia perpendicular pe câmp.

Dacă cel puțin un electron din învelișul exterior al unui atom nu este asociat, atomul are un moment magnetic net și se va alinia cu un câmp magnetic extern. În majoritatea cazurilor, alinierea se pierde atunci când câmpul este eliminat. Acesta este un comportament paramagnetic, iar compușii îl pot prezenta, precum și elemente.

Unele dintre cele mai comune metale paramagnetice sunt:

• Magneziu
• Aluminiu
• Tungsten
• Platină

Unele metale sunt atât de slab paramagnetice încât răspunsul lor la un câmp magnetic este greu de observat. Atomii se aliniază cu un câmp magnetic, dar alinierea este atât de slabă încât un magnet obișnuit nu îl atrage.

Nu puteai ridica metalul cu un magnet permanent, oricât ai fi încercat. Cu toate acestea, ați putea măsura câmpul magnetic generat în metal dacă ați avea un instrument suficient de sensibil. Atunci când este plasat într-un câmp magnetic cu o putere suficientă, o bară a unui metal paramagnetic se va alinia paralel cu câmpul.

Când te gândești la o substanță care are caracteristici magnetice, te gândești în general la un metal, dar câteva nemetale, cum ar fi calciu și oxigen, sunt, de asemenea, paramagnetice. Puteți demonstra natura paramagnetică a oxigenului pentru dvs. cu un experiment simplu.

Se toarnă oxigen lichid între polii unui electromagnet puternic, iar oxigenul se va colecta pe poli și se va vaporiza, producând un nor de gaz. Încercați același experiment cu azot lichid, care nu este paramagnetic și nu se va întâmpla nimic.

Unele elemente magnetice sunt atât de susceptibile la câmpurile externe încât devin magnetizate când sunt expuse la unul și își păstrează caracteristicile magnetice atunci când câmpul este îndepărtat. Aceste elemente feromagnetice includ:

• Fier
• Nichel
• Cobalt
• Gadolinium
• Ruteniu

Aceste elemente sunt feromagnetice deoarece atomii individuali au mai mult de un electron nepereche în cochilia lor orbitală. dar se întâmplă și altceva. Atomii acestor elemente formează grupuri cunoscute sub numele dedomenii, iar când introduceți un câmp magnetic, domeniile se aliniază cu câmpul și rămân aliniate, chiar și după ce eliminați câmpul. Acest răspuns întârziat este cunoscut sub numele dehisteriză,și poate dura ani de zile.

Unii dintre cei mai puternici magneți permanenți sunt cunoscuți sub numele demagneți de pământ rar. Două dintre cele mai frecvente suntneodimmagneți, care constau dintr - o combinație de neodim, fier și bor șisamarium cobaltmagneți, care sunt o combinație a celor două elemente. În fiecare tip de magnet, un material feromagnetic (fier, cobalt) este fortificat de un element paramagnetic de pământ rar.

​Feritămagneți, care sunt din fier șialnicomagneții, care sunt fabricați dintr-o combinație de aluminiu, nichel și cobalt, sunt în general mai slabi decât magneții de pământuri rare. Acest lucru le face mai sigure și mai potrivite pentru experimentele științifice.

Fiecare material magnetic are o temperatură caracteristică peste care începe să-și piardă caracteristicile magnetice. Acest lucru este cunoscut sub numele dePunctul Curie, numit după Pierre Curie, fizicianul francez care a descoperit legile care leagă capacitatea magnetică de temperatură. Deasupra punctului Curie, atomii dintr-un material feromagnetic încep să-și piardă alinierea, iar materialul devine paramagnetic sau, dacă temperatura este suficient de ridicată, diamagnetic.

Punctul Curie pentru fier este de 1418 F (770 C), iar pentru cobalt este de 2.050 F (1.121 C), care este unul dintre cele mai înalte puncte Curie. Când temperatura scade sub punctul Curie, materialul își recapătă caracteristicile feromagnetice.

Magnetita, cunoscută și sub denumirea de minereu de fier sau oxid de fier, este mineralul gri-negru cu formula chimică Fe₃O₄ aceasta este materia primă pentru oțel. Se comportă ca un material feromagnetic, magnetizându-se permanent atunci când este expus unui câmp magnetic extern. Până la mijlocul secolului al XX-lea, toată lumea a presupus că este feromagnetică, dar este de faptferimagnetic, și există o diferență semnificativă.

Ferimagnetismul magnetitei nu este suma momentelor magnetice ale tuturor atomilor din material, ceea ce ar fi adevărat dacă mineralul ar fi feromagnetic. Este o consecință a structurii cristaline a mineralului în sine.

Magnetitul este format din două structuri de rețea separate, una octaedrică și una tetraedrică. Cele două structuri au polarități opuse, dar inegale, iar efectul este de a produce un moment magnetic net. Alți compuși ferimagnetici cunoscuți includ granatul de fier cu itriu și pirotitul.

Sub o anumită temperatură, care se numeșteTemperatura Néeldupă fizicianul francez Louis Néel, unele metale, aliaje și solide ionice își pierd calitățile paramagnetice și nu răspund la câmpurile magnetice externe. În esență, acestea devin demagnetizate. Acest lucru se întâmplă deoarece ionii din structura rețelei materialului se aliniază în aranjamente antiparalele în întreaga structură, creând câmpuri magnetice opuse care se anulează reciproc.

Temperaturile Néel pot fi foarte scăzute, de ordinul -150 C (-240F), făcând compușii paramagnetici pentru toate scopurile practice. Cu toate acestea, unii compuși au temperaturi Néel în domeniul temperaturii camerei sau peste.

La temperaturi foarte scăzute, materialele antiferromagnetice nu prezintă un comportament magnetic. Pe măsură ce temperatura crește, unii dintre atomi se desprind de structura zăbrelei și se aliniază cu câmpul magnetic, iar materialul devine slab magnetic. Când temperatura atinge temperatura Néel, acest paramagnetism atinge vârful său, dar pe măsură ce temperatura crește dincolo de aceasta punct, agitația termică împiedică atomii să își mențină alinierea cu câmpul, iar magnetismul scade constant oprit.

Nu multe elemente sunt antiferromagnetice - doar crom și mangan. Compușii antiferromagnetici includ oxidul de mangan (MnO), unele forme de oxid de fier (Fe₂O₃) și ferita de bismut (BiFeO₃).