Prečo magnety nemajú žiadny vplyv na niektoré kovy

Magnetizmus a elektrina sú prepojené tak dôverne, že by ste ich mohli považovať dokonca za dve strany jednej mince. Magnetické vlastnosti, ktoré vykazujú niektoré kovy, sú výsledkom podmienok elektrostatického poľa v atómoch, z ktorých sa kov skladá.

V skutočnosti majú všetky prvky magnetické vlastnosti, ale väčšina ich neprejavuje zjavným spôsobom. Kovy, ktoré sú priťahované magnetmi, majú jednu spoločnú vlastnosť, a to nepárové elektróny vo svojich vonkajších obaloch. Je to len jeden elektrostatický recept na magnetizmus a je to najdôležitejšie.

Kovy, ktoré môžete natrvalo magnetizovať, sú známe akoferomagnetickýkovov a zoznam týchto kovov je malý. Názov pochádzaferrum, latinské slovo pre železo.​

Existuje oveľa dlhší zoznam materiálov, ktoré súparamagnetický, čo znamená, že sa v prítomnosti magnetického poľa dočasne zmagnetizujú. Paramagnetické materiály nie sú všetko kovy. Niektoré kovalentné zlúčeniny, napríklad kyslík (O₂) vykazujú paramagnetizmus, rovnako ako niektoré iónové tuhé látky.

Všetky materiály, ktoré nie sú feromagnetické alebo paramagnetické, súdiamagnetický, čo znamená, že vykazujú mierny odpor voči magnetickým poliam a obyčajný magnet ich nepriťahuje. Všetky prvky a zlúčeniny sú v skutočnosti do istej miery diamagnetické.

Aby ste pochopili rozdiely medzi týmito tromi triedami magnetizmu, musíte sa pozrieť na to, čo sa deje na atómovej úrovni.

V súčasne akceptovanom modeli atómu sa jadro skladá z kladne nabitých protónov a elektricky neutrálne neutróny držané spolu silnou silou, jednou zo základných síl v príroda. Mrak záporne nabitých elektrónov zaberajúcich diskrétne energetické úrovne alebo škrupiny obklopuje jadro a práve tie udeľujú magnetické vlastnosti.

Obiehajúci elektrón generuje meniace sa elektrické pole a podľa Maxwellových rovníc je to recept na magnetické pole.Veľkosť poľa sa rovná oblasti vo vnútri obežnej dráhy vynásobenej prúdom.Jednotlivý elektrón generuje malý prúd a výsledné magnetické pole, ktoré sa meria v jednotkách tzvBohrove magnetóny, je tiež maličký. V typickom atóme sa polia generované všetkými jeho obežnými elektrónmi všeobecne navzájom rušia.

Nielen obiehajúci pohyb elektrónu vytvára náboj, ale aj ďalšia vlastnosť známa akotočiť sa. Ako sa ukázalo, spin je pri určovaní magnetických vlastností oveľa dôležitejší ako orbitálny pohyb, pretože celková rotácia v atóme je pravdepodobnejšia asymetrická a schopná vytvárať magnetické okamih.

Spin si môžete predstaviť ako smer rotácie elektrónu, aj keď je to iba približné priblíženie. Točenie je vnútornou vlastnosťou elektrónov, nie stavom pohybu. Elektrón, ktorý sa točí v smere hodinových ručičiek, mápozitívny spin, alebo roztočiť, zatiaľ čo ten, ktorý sa otáča proti smeru hodinových ručičiek, mánegatívny spin, alebo točiť dole.

Elektrónová spin je kvantovo mechanická vlastnosť bez klasickej analógie a určuje rozmiestnenie elektrónov okolo jadra. Elektróny sa usporiadajú do roztočovacích a roztočovacích párov v každej škrupine tak, aby vytvorili nulovú sieťmagnetický moment​.

Elektróny zodpovedné za vytváranie magnetických vlastností sú tie najvzdialenejšie, prípvalencia, škrupiny atómu. Všeobecne prítomnosť nepárového elektrónu vo vonkajšom obale atómu vytvára čistý magnetický moment a prepožičiava magnetické vlastnosti, zatiaľ čo atómy so spárovanými elektrónmi vo vonkajšom obale nemajú sieťový náboj a sú diamagnetický. Toto je nadmerné zjednodušenie, pretože valenčné elektróny môžu v niektorých prvkoch obsadzovať škrupiny s nižšou energiou, najmä v železe (Fe).

Súčasné slučky vytvorené obežnými elektrónmi spôsobujú, že každý materiál je diamagnetický, pretože pri použití magnetického poľa sa všetky súčasné slučky zarovnávajú proti nemu a postavia sa proti poli. Toto je aplikáciaLenzov zákon, ktorý uvádza, že indukované magnetické pole je proti poli, ktoré ho vytvára. Ak by elektrónový spin nevstúpil do rovnice, bol by to koniec príbehu, ale spin do neho vstupuje.

Celkommagnetický moment J​atómu je súčet jehoorbitálny moment hybnostia jehotočivý moment. KedyJ= 0, atóm je nemagnetický a kedyJ≠ 0, atóm je magnetický, čo sa stane, keď existuje aspoň jeden nespárený elektrón.

V dôsledku toho je akýkoľvek atóm alebo zlúčenina s úplne naplnenými orbitalmi diamagnetická. Hélium a všetky vzácne plyny sú zrejmé príklady, ale niektoré kovy sú tiež diamagnetické. Tu je niekoľko príkladov:

• Zinok
• Ortuť
• Cín
• Telúr
• Zlato
• Striebro
• Meď

Diamagnetizmus nie je čistým výsledkom toho, že niektoré atómy v látke sú ťahané jedným smerom magnetickým poľom a iné sú ťahané iným smerom. Každý atóm v diamagnetickom materiáli je diamagnetický a prežíva rovnako slabé odpudzovanie voči vonkajšiemu magnetickému poľu. Toto odpudzovanie môže vytvárať zaujímavé efekty. Ak zavesíte tyčinku z diamagnetického materiálu, napríklad zlata, do silného magnetického poľa, vyrovná sa sama kolmo na pole.

Ak je aspoň jeden elektrón vo vonkajšom obale atómu nespárovaný, má atóm čistý magnetický moment a vyrovná sa s vonkajším magnetickým poľom. Vo väčšine prípadov sa zarovnanie stratí, keď sa pole odstráni. Toto je paramagnetické správanie a zlúčeniny ho môžu vykazovať rovnako ako prvky.

Niektoré z najbežnejších paramagnetických kovov sú:

• Horčík
• Hliník
• Volfrám
• Platina

Niektoré kovy sú tak slabo paramagnetické, že ich reakcia na magnetické pole je ťažko znateľná. Atómy sa zarovnávajú s magnetickým poľom, ale usporiadanie je také slabé, že ho obyčajný magnet nepriťahuje.

Nemohli ste zachytiť kov pomocou permanentného magnetu, nech ste sa snažili akokoľvek. Dokázali by ste však zmerať magnetické pole generované v kove, ak by ste mali dostatočne citlivý prístroj. Ak je tyč paramagnetického kovu umiestnená v dostatočne silnom magnetickom poli, vyrovná sa rovnobežne s poľom.

Keď uvažujete o látke, ktorá má magnetické vlastnosti, všeobecne si myslíte, že ide o kov, ale paramagnetické je aj niekoľko nekovov, napríklad vápnik a kyslík. Paramagnetickú povahu kyslíka môžete sami demonštrovať jednoduchým experimentom.

Nalejte tekutý kyslík medzi póly silného elektromagnetu a kyslík sa zhromaždí na póloch a vyparí sa za vzniku oblaku plynu. Vyskúšajte rovnaký experiment s kvapalným dusíkom, ktorý nie je paramagnetický, a nič sa nestane.

Niektoré magnetické prvky sú natoľko citlivé na vonkajšie polia, že sa magnetizujú, keď sú jednému vystavené, a zachovávajú si svoje magnetické vlastnosti aj po odstránení poľa. Medzi tieto feromagnetické prvky patria:

• Žehliť
• Nikel
• Kobalt
• Gadolínium
• Ruténium

Tieto prvky sú feromagnetické, pretože jednotlivé atómy majú vo svojich orbitálnych škrupinách viac ako jeden nespárený elektrón. ale deje sa aj niečo iné. Atómy týchto prvkov tvoria skupiny známe akodomén, a keď vložíte magnetické pole, domény sa zarovnajú s poľom a zostanú zarovnané aj po odstránení poľa. Táto oneskorená odpoveď je známa akohysteréza,a môže to trvať roky.

Niektoré z najsilnejších permanentných magnetov sú známe akomagnety vzácnych zemín. Dve z najbežnejších súneodýmmagnety, ktoré pozostávajú z kombinácie neodýmu, železa a bóru asamárium kobaltmagnety, ktoré sú kombináciou týchto dvoch prvkov. V každom type magnetu je feromagnetický materiál (železo, kobalt) obohatený o paramagnetický prvok vzácnych zemín.

​Feritmagnety, ktoré sú vyrobené zo železa, aalnicomagnety vyrobené z kombinácie hliníka, niklu a kobaltu sú všeobecne slabšie ako magnety vzácnych zemín. Vďaka tomu sú bezpečnejšie na použitie a vhodnejšie na vedecké experimenty.

Každý magnetický materiál má charakteristickú teplotu, nad ktorou začína strácať svoje magnetické vlastnosti. Toto je známe akoCurie bod, pomenovaná podľa Pierra Curieho, francúzskeho fyzika, ktorý objavil zákony týkajúce sa magnetickej schopnosti na teplotu. Nad bodom Curie začnú atómy vo feromagnetickom materiáli strácať svoje vyrovnanie a materiál sa stáva paramagnetickým alebo, ak je teplota dostatočne vysoká, diamagnetickým.

Bod Curie pre železo je 1418 F (770 C) a pre kobalt je to 2 050 F (1 121 C), čo je jeden z najvyšších bodov Curie. Keď teplota klesne pod svoj bod Curie, materiál získa späť svoje feromagnetické vlastnosti.

Magnetit, tiež známy ako železná ruda alebo oxid železitý, je šedočierny minerál s chemickým vzorcom Fe₃O₄ to je surovina pre oceľ. Chová sa ako feromagnetický materiál a pri vystavení vonkajšiemu magnetickému poľu sa permanentne zmagnetizuje. Až do polovice dvadsiateho storočia každý predpokladal, že je feromagnetický, ale je to takferimagnetický, a je tu podstatný rozdiel.

Ferimagnetizmus magnetitu nie je súčtom magnetických momentov všetkých atómov v materiáli, čo by platilo, keby bol minerál feromagnetický. Je to dôsledok kryštálovej štruktúry samotného minerálu.

Magnetit sa skladá z dvoch samostatných mriežkových štruktúr, osemstennej a štvorstennej. Tieto dve štruktúry majú opačnú, ale nerovnakú polaritu, a výsledkom je vytvorenie čistého magnetického momentu. Medzi ďalšie známe ferimagnetické zlúčeniny patrí ytriový železný granát a pyrhotit.

Pod určitou teplotou, ktorá sa nazývaNéel teplotapo francúzskom fyzikovi Louisovi Néelovi strácajú niektoré kovy, zliatiny a iónové tuhé látky svoje paramagnetické vlastnosti a prestávajú reagovať na vonkajšie magnetické polia. V podstate sa odmagnetizujú. Stáva sa to preto, lebo ióny v mriežkovej štruktúre materiálu sa v celej štruktúre vyrovnávajú v antiparalelných usporiadaniach a vytvárajú protichodné magnetické polia, ktoré sa navzájom rušia.

Teploty Néel môžu byť veľmi nízke, rádovo -150 ° C, čo robí zlúčeniny paramagnetickými pre všetky praktické účely. Niektoré zlúčeniny majú však Néel teploty v rozmedzí od teploty miestnosti alebo vyššie.

Pri veľmi nízkych teplotách antiferomagnetické materiály nevykazujú žiadne magnetické správanie. Keď teplota stúpa, niektoré atómy sa vytrhnú z mriežkovej štruktúry a vyrovnajú sa s magnetickým poľom. Materiál sa stáva slabo magnetickým. Keď teplota dosiahne teplotu Néel, tento paramagnetizmus dosiahne svoj vrchol, ale keď teplota stúpa nad túto hranicu bod, tepelné miešanie bráni atómom v udržaní ich vyrovnania s poľom a magnetizmus neustále klesá vypnutý.

Nie veľa prvkov je antiferomagnetických - iba chróm a mangán. Antiferomagnetické zlúčeniny zahŕňajú oxid mangánatý (MnO), niektoré formy oxidu železitého (Fe₂O₃) a ferit bizmutu (BiFeO₃).