Zakaj magneti nimajo vpliva na nekatere kovine

Magnetizem in elektrika sta tako tesno povezana, da bi jih morda celo imeli za dve plati istega kovanca. Magnetne lastnosti nekaterih kovin so posledica pogojev elektrostatičnega polja v atomih, ki sestavljajo kovino.

Pravzaprav imajo vsi elementi magnetne lastnosti, vendar jih večina ne kaže očitno. Kovine, ki jih privlačijo magneti, imajo eno skupno lastnost in to so neparni elektroni v zunanjih lupinah. To je le en elektrostatični recept za magnetizem in je najpomembnejši.

Kovine, ki jih lahko trajno magnetizirate, so znane kotferomagnetnakovin, seznam teh kovin pa je majhen. Ime izvira izferrum, latinska beseda za železo.​

Obstaja veliko daljši seznam materialov, ki soparamagnetno, kar pomeni, da se v prisotnosti magnetnega polja začasno namagnetijo. Paramagnetni materiali niso vse kovine. Nekatere kovalentne spojine, kot je kisik (O₂) kažejo paramagnetizem, tako kot nekatere ionske trdne snovi.

Vsi materiali, ki niso feromagnetni ali paramagnetni, so

Da bi razumeli razlike med temi tremi razredi magnetizma, morate pogledati, kaj se dogaja na atomski ravni.

V trenutno sprejetem modelu atoma jedro sestavljajo pozitivno nabiti protoni in električno nevtralni nevtroni, ki jih drži močna sila, ena temeljnih sil narave. Oblak negativno nabitih elektronov, ki zasedajo diskretne ravni energije ali lupine, obdaja jedro in prav te dajejo magnetne lastnosti.

Elektron, ki kroži, tvori spreminjajoče se električno polje in po Maxwellovih enačbah je to recept za magnetno polje.Velikost polja je enaka površini znotraj orbite, pomnoženi s tokom.Posamezen elektron ustvari majhen tok in nastalo magnetno polje, ki se meri v imenovanih enotahBohrovi magnetoni, je tudi majhen. V tipičnem atomu se polja, ki jih tvorijo vsi njegovi elektroni, ki krožijo, praviloma medsebojno izničijo.

Naboj ne ustvarja le gibanje elektrona v orbiti, temveč tudi druga lastnost, znana kotvrtenje. Izkazalo se je, da je spin pri določanju magnetnih lastnosti veliko bolj pomemben kot gibanje po orbiti, ker je splošni spin v atomu bolj verjetno nesimetričen in sposoben ustvariti magnet trenutek.

Spin si lahko predstavljate kot smer vrtenja elektrona, čeprav je to le približen približek. Spin je notranja lastnost elektronov in ne stanje gibanja. Elektron, ki se vrti v smeri urnega kazalca, imapozitiven spinali zavrtite navzgor, medtem ko ima tisti, ki se vrti v nasprotni smeri urnega kazalcanegativni spinali zavrtite navzdol.

Elektronski spin je kvantno mehanska lastnost brez klasične analogije in določa postavitev elektronov okoli jedra. Elektroni se v vsaki lupini razvrstijo v dvojice navzgor in navzdol, tako da ustvarijo nič mrežomagnetni moment​.

Elektroni, ki so odgovorni za ustvarjanje magnetnih lastnosti, so tisti najbolj oddaljeni, ozvalenca, lupine atoma. Na splošno prisotnost neparnega elektrona v zunanji lupini atoma ustvarja neto magnetni moment in daje magnetne lastnosti, medtem ko atomi s seznanjenimi elektroni v zunanji lupini nimajo neto naboja in so diamagnetno. To je preveč poenostavitev, ker lahko valentni elektroni zavzamejo nižje energijske lupine nekaterih elementov, zlasti železa (Fe).

Trenutne zanke, ustvarjene z orbito elektronov, naredijo vsak material diamagnetno, ker se pri uporabi magnetnega polja vse trenutne zanke poravnajo v nasprotju z njim in nasprotujejo polju. To je aplikacijaLenzov zakon, ki navaja, da inducirano magnetno polje nasprotuje polju, ki ga ustvarja. Če v enačbo elektronski spin ne bi vstopil, bi bil to konec zgodbe, vendar spin vstopi vanj.

Skupajmagnetni moment J​atoma je vsota njegovihorbitalni kotni momentin svojevrtljivi kotni moment. KdajJ= 0, je atom nemagnetno in kdajJ≠ 0 je atom magnetni, kar se zgodi, če je vsaj en neparni elektron.

Posledično je kateri koli atom ali spojina s popolnoma napolnjenimi orbitalami diamagnetna. Helij in vsi žlahtni plini so očitni primeri, nekatere kovine pa so tudi diamagnetne. Tu je nekaj primerov:

• Cink
• Živo srebro
• Kositer
• Telur
• Zlato
• Srebro
• baker

Diamagnetizem ni neto rezultat nekaterih atomov snovi, ki jih magnetno polje vleče v eno smer, druge pa v drugo smer. Vsak atom v diamagnetnem materialu je diamagnet in doživlja enako šibko odbijanje od zunanjega magnetnega polja. Ta odboj lahko povzroči zanimive učinke. Če palico diamagnetnega materiala, na primer zlata, obesite v močno magnetno polje, se bo poravnala pravokotno na polje.

Če je vsaj en elektron v zunanji lupini atoma neparjen, ima atom neto magnetni moment in se poravna z zunanjim magnetnim poljem. V večini primerov se poravnava izgubi, ko se polje odstrani. To je paramagnetno vedenje in spojine ga lahko izkazujejo kot tudi elemente.

Nekatere najpogostejše paramagnetne kovine so:

• Magnezij
• Aluminij
• Volfram
• Platina

Nekatere kovine so tako šibko paramagnetne, da je njihov odziv na magnetno polje komaj opazen. Atomi se poravnajo z magnetnim poljem, vendar je poravnava tako šibka, da ga običajni magnet ne privlači.

Kovine niste mogli pobrati s trajnim magnetom, ne glede na to, kako močno ste se trudili. Vendar pa bi lahko izmerili magnetno polje, ustvarjeno v kovini, če bi imeli dovolj občutljiv instrument. Ko se paramagnetna kovina postavi v magnetno polje z zadostno močjo, se vzporedno s poljem poravna.

Ko pomislite na snov z magnetnimi lastnostmi, na splošno pomislite na kovino, nekaj nekovin, kot sta kalcij in kisik, pa je tudi paramagnetnih. Paramagnetno naravo kisika lahko sami dokažete s preprostim eksperimentom.

Med polove močnega elektromagneta vlijemo tekoči kisik, ki se bo na polih zbiral in uparjal ter ustvaril oblak plina. Poskusite isti poskus s tekočim dušikom, ki ni paramagnetno, in nič se ne bo zgodilo.

Nekateri magnetni elementi so tako dovzetni za zunanja polja, da se magnetizirajo, ko so izpostavljeni enemu, in ob odstranitvi polja ohranijo svoje magnetne značilnosti. Ti feromagnetni elementi vključujejo:

• Železo
• Nikelj
• Kobalt
• Gadolinij
• Rutenij

Ti elementi so feromagnetni, ker imajo posamezni atomi v orbitalnih lupinah več kot en neparni elektron. se pa dogaja tudi nekaj drugega. Atomi teh elementov tvorijo skupine, znane kotdomene, in ko vnesete magnetno polje, se domene poravnajo s poljem in ostanejo poravnane tudi po tem, ko polje odstranite. Ta zapozneli odziv je znan kothisteriza,in lahko traja leta.

Nekateri najmočnejši trajni magneti so znani kotredkozemeljski magneti. Dva najpogostejša staneodimmagneti, ki so sestavljeni iz kombinacije neodima, železa in bora insamarij kobaltmagneti, ki so kombinacija teh dveh elementov. V vsaki vrsti magneta je feromagnetni material (železo, kobalt) ojačan s paramagnetnim elementom redke zemlje.

​Feritmagneti, ki so izdelani iz železa, inalnicoMagneti, izdelani iz kombinacije aluminija, niklja in kobalta, so na splošno šibkejši od magnetov redke zemlje. Zaradi tega so varnejši za uporabo in primernejši za znanstvene eksperimente.

Vsak magnetni material ima značilno temperaturo, nad katero začne izgubljati svoje magnetne lastnosti. To je znano kotCurie točka, poimenovan po Pierru Curieju, francoskem fiziku, ki je odkril zakone, ki povezujejo magnetno sposobnost s temperaturo. Nad točko Curie atomi v feromagnetnem materialu začnejo izgubljati svojo poravnavo in material postane paramagnetni ali, če je temperatura dovolj visoka, diamagnetni.

Curiejeva točka za železo je 1418 F (770 C), za kobalt pa 2.050 F (1.121 C), kar je ena najvišjih Curievih točk. Ko temperatura pade pod Curiejevo točko, material ponovno pridobi svoje feromagnetne lastnosti.

Magnetit, znan tudi kot železova ruda ali železov oksid, je sivo-črni mineral s kemično formulo Fe₃O₄ to je surovina za jeklo. Obnaša se kot feromagnetni material in se trajno namagne, ko je izpostavljen zunanjemu magnetnemu polju. Do sredine dvajsetega stoletja so vsi domnevali, da je feromagnetna, a dejansko jeferrimagnetna, in obstaja bistvena razlika.

Ferrimagnetizem magnetita ni vsota magnetnih momentov vseh atomov v materialu, kar bi bilo res, če bi bil mineral feromagneten. To je posledica kristalne strukture samega minerala.

Magnetit je sestavljen iz dveh ločenih mrežastih struktur, oktaedrske in tetraedrske. Obe strukturi imata nasprotujoči si, a neenaki polarnosti, učinek pa je ustvariti neto magnetni moment. Druge znane ferrimagnetne spojine vključujejo itrijev železov granat in pirotit.

Pod določeno temperaturo, ki se imenujeNeelova temperaturapo francoskem fiziku Louisu Néelu nekatere kovine, zlitine in ionske trdne snovi izgubijo svoje paramagnetne lastnosti in postanejo neodzivne na zunanja magnetna polja. V bistvu se razmagnetijo. To se zgodi, ker se ioni v mrežni strukturi materiala po celotni strukturi poravnajo v vzporedne razporeditve in ustvarjajo nasprotna magnetna polja, ki se medsebojno izničijo.

Neelove temperature so lahko zelo nizke, in sicer od -150 C (-240F), zaradi česar so spojine paramagnetne za vse praktične namene. Vendar imajo nekatere spojine temperature Néel v območju sobne temperature ali višje.

Pri zelo nizkih temperaturah antiferromagnetni materiali nimajo magnetnega vedenja. Ko se temperatura dvigne, se nekateri atomi ločijo od rešetkaste strukture in se poravnajo z magnetnim poljem, material pa postane šibko magneten. Ko temperatura doseže temperaturo Néel, ta paramagnetizem doseže svoj vrhunec, a ko temperatura naraste preko tega točka, toplotna vznemirjenost preprečuje, da bi atomi ohranili poravnavo s poljem, magnetizem pa nenehno upada izključeno.

Antiferromagnetnih elementov ni veliko - le krom in mangan. Med antiferromagnetne spojine spadajo manganov oksid (MnO), nekatere oblike železovega oksida (Fe₂O₃) in bizmutov ferit (BiFeO₃).