Почему магниты не действуют на некоторые металлы

Магнетизм и электричество так тесно связаны, что вы даже можете рассматривать их как две стороны одной медали. Магнитные свойства, проявляемые некоторыми металлами, являются результатом условий электростатического поля в атомах, составляющих металл.

Фактически, все элементы обладают магнитными свойствами, но большинство из них не проявляют их очевидным образом. Металлы, которые притягиваются магнитами, имеют одну общую черту - неспаренные электроны в их внешних оболочках. Это всего лишь один электростатический рецепт магнетизма, и он самый важный.

Металлы, которые можно постоянно намагничивать, известны какферромагнитныйметаллы, и список этих металлов невелик. Название происходит отжелезо, латинское слово, обозначающее железо.​

Существует гораздо более длинный список материалов, которыепарамагнитный, что означает, что они временно намагничиваются в присутствии магнитного поля. Парамагнитные материалы - это не все металлы. Некоторые ковалентные соединения, например кислород (O₂) проявляют парамагнетизм, как и некоторые ионные твердые тела.

Все материалы, не являющиеся ферромагнитными или парамагнитными, являютсядиамагнитный, что означает, что они проявляют небольшое отталкивание к магнитным полям, а обычный магнит их не притягивает. На самом деле все элементы и соединения в той или иной степени диамагнитны.

Чтобы понять разницу между этими тремя классами магнетизма, вы должны посмотреть, что происходит на атомном уровне.

В принятой в настоящее время модели атома ядро ​​состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральные нейтроны, удерживаемые вместе сильной силой, одной из фундаментальных сил природа. Облако отрицательно заряженных электронов, занимающих дискретные энергетические уровни или оболочки, окружает ядро, и это то, что придает магнитные свойства.

Электрон на орбите генерирует изменяющееся электрическое поле, и, согласно уравнениям Максвелла, это рецепт магнитного поля.Величина поля равна площади внутри орбиты, умноженной на силу тока.Отдельный электрон генерирует крошечный ток, и результирующее магнитное поле, которое измеряется в единицах, называемыхМагнетоны Бора, тоже крошечный. В типичном атоме поля, создаваемые всеми его вращающимися электронами, обычно нейтрализуют друг друга.

Заряд создается не только вращением электрона по орбите, но и другим свойством, известным каквращение. Оказывается, спин гораздо важнее для определения магнитных свойств, чем орбитальное движение. потому что общий спин в атоме, скорее всего, будет асимметричным и способен создавать магнитное поле. момент.

Вы можете думать о спине как о направлении вращения электрона, хотя это лишь грубое приближение. Спин - это внутреннее свойство электронов, а не состояние движения. Электрон, вращающийся по часовой стрелке, имеетположительный спин, или вращаться вверх, в то время как тот, который вращается против часовой стрелки, имеетотрицательный спин, или замедлить темп.

Электронный спин - это квантово-механическое свойство, не имеющее классической аналогии, и оно определяет расположение электронов вокруг ядра. Электроны располагаются парами со вращением вверх и вниз в каждой оболочке, образуя нулевую сеть.магнитный момент​.

Электроны, ответственные за создание магнитных свойств, находятся во внешних иливалентность, оболочки атома. В общем, наличие неспаренного электрона на внешней оболочке атома создает чистый магнитный момент и наделяет магнитными свойствами, тогда как атомы с парными электронами во внешней оболочке не имеют общего заряда и являются диамагнитный. Это чрезмерное упрощение, потому что валентные электроны могут занимать более низкие энергетические оболочки в некоторых элементах, особенно в железе (Fe).

Токовые петли, создаваемые вращающимися электронами, делают каждый материал диамагнитным, потому что при приложении магнитного поля все токовые петли выравниваются против него и противостоят полю. Это приложениеЗакон Ленца, который утверждает, что индуцированное магнитное поле противостоит полю, которое его создает. Если бы спин электрона не входил в уравнение, это был бы конец истории, но спин в него входит.

Общаямагнитный момент J​атома - это сумма егоорбитальный угловой моменти этоспиновый угловой момент. КогдаJ= 0 атом немагнитен, а когдаJ0 атом является магнитным, что происходит, когда имеется хотя бы один неспаренный электрон.

Следовательно, любой атом или соединение с полностью заполненными орбиталями является диамагнитным. Гелий и все благородные газы - очевидные примеры, но некоторые металлы также диамагнитны. Вот несколько примеров:

• Цинк
• Меркурий
• Банка
• Теллур
• Золото
• Серебро
• Медь

Диамагнетизм не является чистым результатом того, что одни атомы в веществе притягиваются в одну сторону магнитным полем, а другие - в другом. Каждый атом в диамагнитном материале диамагнитен и испытывает такое же слабое отталкивание к внешнему магнитному полю. Это отталкивание может создавать интересные эффекты. Если подвесить стержень из диамагнитного материала, например золота, в сильном магнитном поле, он выровняется перпендикулярно полю.

Если хотя бы один электрон на внешней оболочке атома не спарен, у атома есть чистый магнитный момент, и он будет выравниваться с внешним магнитным полем. В большинстве случаев выравнивание теряется при удалении поля. Это парамагнитное поведение, и соединения могут проявлять его так же, как и элементы.

Некоторые из наиболее распространенных парамагнитных металлов:

• Магний
• Алюминий
• Вольфрам
• Платина

Некоторые металлы настолько слабо парамагнитны, что их реакция на магнитное поле практически незаметна. Атомы выравниваются с помощью магнитного поля, но выравнивание настолько слабое, что обычный магнит не притягивает его.

Поднять металл с помощью постоянного магнита не получится, как бы вы ни старались. Однако вы могли бы измерить магнитное поле, создаваемое в металле, если бы у вас был достаточно чувствительный инструмент. При помещении в магнитное поле достаточной силы стержень из парамагнитного металла выстраивается параллельно полю.

Когда вы думаете о веществе, обладающем магнитными характеристиками, вы обычно думаете о металле, но некоторые неметаллы, такие как кальций и кислород, также являются парамагнитными. Вы можете продемонстрировать себе парамагнитную природу кислорода с помощью простого эксперимента.

Налейте жидкий кислород между полюсами мощного электромагнита, и кислород будет собираться на полюсах и испаряться, образуя облако газа. Проведите тот же эксперимент с жидким азотом, который не является парамагнитным, и ничего не произойдет.

Некоторые магнитные элементы настолько восприимчивы к внешним полям, что они намагничиваются при воздействии одного из них и сохраняют свои магнитные характеристики, когда поле снимается. Эти ферромагнитные элементы включают:

• Утюг
• Никель
• Кобальт
• Гадолиний
• Рутений

Эти элементы являются ферромагнитными, потому что отдельные атомы имеют более одного неспаренного электрона в их орбитальных оболочках. но происходит еще кое-что. Атомы этих элементов образуют группы, известные какдомены, и когда вы вводите магнитное поле, домены выравниваются с полем и остаются выровненными даже после того, как вы удалите поле. Этот отложенный ответ известен какистеризи это может длиться годами.

Некоторые из самых сильных постоянных магнитов известны какредкоземельные магниты. Двумя наиболее распространенными являютсянеодиммагниты, состоящие из комбинации неодима, железа и бора, исамарий кобальтмагниты, которые представляют собой комбинацию этих двух элементов. В каждом типе магнита ферромагнитный материал (железо, кобальт) усилен парамагнитным редкоземельным элементом.

​Ферритмагниты, которые сделаны из железа, иалникоМагниты, которые сделаны из комбинации алюминия, никеля и кобальта, обычно слабее редкоземельных магнитов. Это делает их более безопасными в использовании и более подходящими для научных экспериментов.

Каждый магнитный материал имеет характеристическую температуру, выше которой он начинает терять свои магнитные характеристики. Это известно какТочка Кюри, названный в честь Пьера Кюри, французского физика, открывшего законы, связывающие магнитную способность с температурой. Выше точки Кюри атомы в ферромагнитном материале начинают терять ориентацию, и материал становится парамагнитным или, если температура достаточно высока, диамагнитным.

Точка Кюри для железа составляет 1418 F (770 C), а для кобальта - 2050 F (1121 C), что является одной из самых высоких точек Кюри. Когда температура падает ниже точки Кюри, материал восстанавливает свои ферромагнитные характеристики.

Магнетит, также известный как железная руда или оксид железа, представляет собой серо-черный минерал с химической формулой Fe.₃O₄ это сырье для стали. Он ведет себя как ферромагнитный материал, постоянно намагничиваясь при воздействии внешнего магнитного поля. До середины двадцатого века все считали его ферромагнитным, но на самом деле онферримагнитный, и есть существенная разница.

Ферримагнетизм магнетита - это не сумма магнитных моментов всех атомов в материале, что было бы верно, если бы минерал был ферромагнитным. Это следствие кристаллической структуры самого минерала.

Магнетит состоит из двух отдельных структур решетки: октаэдрической и тетраэдрической. Две структуры имеют противоположные, но неравные полярности, и в результате создается чистый магнитный момент. Другие известные ферримагнитные соединения включают железо-иттриевый гранат и пирротин.

Ниже определенной температуры, которая называетсяТемпература НееляПосле французского физика Луи Нееля некоторые металлы, сплавы и ионные твердые тела теряют свои парамагнитные свойства и перестают реагировать на внешние магнитные поля. По сути, они размагничиваются. Это происходит потому, что ионы в решетчатой ​​структуре материала выстраиваются антипараллельно по всей структуре, создавая противоположные магнитные поля, которые нейтрализуют друг друга.

Температура Нееля может быть очень низкой, порядка -150 ° C (-240 ° F), что делает соединения парамагнитными для всех практических целей. Однако некоторые соединения имеют температуру Нееля в диапазоне от комнатной температуры или выше.

При очень низких температурах антиферромагнитные материалы не проявляют магнитных свойств. По мере повышения температуры некоторые атомы вырываются из структуры решетки и выравниваются с магнитным полем, и материал становится слабомагнитным. Когда температура достигает температуры Нееля, этот парамагнетизм достигает своего пика, но когда температура поднимается выше этого точка, тепловое перемешивание не позволяет атомам поддерживать их выравнивание с полем, и магнетизм постоянно падает выключенный.

Не многие элементы являются антиферромагнитными - только хром и марганец. Антиферромагнитные соединения включают оксид марганца (MnO), некоторые формы оксида железа (Fe₂O₃) и феррита висмута (BiFeO₃).