Зашто магнети немају ефекта на неке метале

Магнетизам и електрична енергија повезани су тако уско да бисте их чак могли сматрати двема странама медаље. Магнетна својства која показују неки метали резултат су услова електростатичког поља у атомима који чине метал.

У ствари, сви елементи имају магнетна својства, али већина их не манифестује на очигледан начин. Металима које привлаче магнети заједничко је једно, а то су неспарени електрони у њиховим спољним љускама. То је само један електростатички рецепт за магнетизам, и то најважнији.

Метали које можете трајно магнетизовати познати су каоферомагнетниметала, а листа ових метала је мала. Име потиче изферрум, латинска реч за гвожђе.​

Постоји много дужа листа материјала који супарамагнетни, што значи да се привремено магнетишу у присуству магнетног поља. Парамагнетски материјали нису сви метали. Нека ковалентна једињења, попут кисеоника (О₂) показују парамагнетизам, као и неке јонске чврсте материје.

Сви материјали који нису феромагнетни или парамагнетни јесу

Да бисте разумели разлике између ове три класе магнетизма, морате погледати шта се дешава на атомском нивоу.

У тренутно прихваћеном моделу атома, језгро се састоји од позитивно наелектрисаних протона и електрично неутралних неутрона које држи заједно снажна сила, једна од основних сила природа. Облак негативно наелектрисаних електрона који заузимају дискретне нивое енергије, односно љуске, окружује језгро и то су оно што даје магнетне квалитете.

Електрон у орбити ствара променљиво електрично поље и према Маквелловим једначинама то је рецепт за магнетно поље.Величина поља једнака је површини унутар орбите помноженој са струјом.Појединачни електрон генерише сићушну струју и резултујуће магнетно поље, које се мери у јединицама тзвБор магнетони, такође је сићушан. У типичном атому, поља која генеришу сви његови електрони у орбити углавном се међусобно поништавају.

Набој не ствара само кретање електрона у орбити, већ и друго својство познато каозавртети. Испоставило се да је спин много важнији у одређивању магнетних својстава од орбиталног кретања, јер је вероватније да ће укупни спин у атому бити асиметричан и способан да створи магнетни тренутак.

Спин можете сматрати правцем ротације електрона, мада је ово само приближна апроксимација. Спин је својствено својство електрона, а не стање кретања. Електрон који се врти у смеру казаљке на сату имапозитивно окретање, или окретати се, док онај који се окреће у смеру супротном од казаљке на сату иманегативан спин, или завртите доле.

Спин електрона је квантно механичко својство без класичне аналогије и одређује постављање електрона око језгра. Електрони се у свакој љусци распоређују у спир-уп и спин-довн парове тако да стварају нулту мрежумагнетни моменат​.

Електрони одговорни за стварање магнетних својстава су они у најудаљенијим, иливалентност, љуске атома. Генерално, присуство неспареног електрона у спољној овојници атома ствара нето магнетни моменат и даје магнетна својства, док атоми са упареним електронима у спољној љусци немају нето наелектрисање и јесу дијамагнетичан. Ово је превише поједностављење, јер валентни електрони могу да заузму ниже енергетске љуске у неким елементима, посебно гвожђу (Фе).

Струјне петље створене кружењем електрона чине сваки материјал дијамагнетним, јер када се примени магнетно поље, све струјне петље се поравнају супротно њему и супротстављају се пољу. Ово је апликацијаЛенцов закон, који каже да се индуковано магнетно поље супротставља пољу које га ствара. Ако спин електрона не уђе у једначину, то би био крај приче, али спин ипак уђе у њу.

Укупнамагнетни моменат Ј​атома је збир његовогмомент угла орбитеи његовеокретан угаони момент. КадаЈ= 0, атом је немагнетни и кадаЈ= 0, атом је магнетни, што се дешава када постоји бар један неспарени електрон.

Према томе, било који атом или једињење са потпуно испуњеним орбиталама је дијамагнетно. Хелијум и сви племенити гасови су очигледни примери, али неки метали су и дијамагнетни. Ево неколико примера:

• Цинк
• Меркур
• Калај
• Телур
• Злато
• Сребро
• Бакар

Дијамагнетизам није нето резултат неких атома у супстанци које магнетно поље вуче у једном смеру, а других у другом смеру. Сваки атом у дијамагнетном материјалу је дијамагнетичан и доживљава исту слабу одбојност према спољном магнетном пољу. Ова одбојност може створити занимљиве ефекте. Ако окачите шипку дијамагнетног материјала, као што је злато, у јако магнетно поље, поравнаће се окомито на поље.

Ако је најмање један електрон у спољној овојници атома упарен, атом има нето магнетни моменат и поравнаће се са спољним магнетним пољем. У већини случајева поравнање се губи када се поље уклони. Ово је парамагнетно понашање и једињења га могу показивати као и елементи.

Неки од најчешћих парамагнетних метала су:

• Магнезијум
• Алуминијум
• Волфрам
• Платина

Неки метали су тако слабо парамагнетни да је њихов одговор на магнетно поље тешко приметан. Атоми се поравнају са магнетним пољем, али поравнање је тако слабо да га обични магнет не привлачи.

Не бисте могли покупити метал трајним магнетом, без обзира колико се трудили. Међутим, могли бисте да измерите магнетно поље генерисано у металу да имате довољно осетљив инструмент. Када се стави у магнетно поље довољне јачине, шипка парамагнетног метала поравнаће се паралелно са пољем.

Када мислите на супстанцу која има магнетне карактеристике, углавном мислите на метал, али неколико неметала, попут калцијума и кисеоника, такође је парамагнетно. Парамагнетну природу кисеоника можете сами да покажете једноставним експериментом.

Сипајте течни кисеоник између полова моћног електромагнета и кисеоник ће се сакупљати на половима и испаравати, стварајући облак гаса. Покушајте исти експеримент са течним азотом, који није парамагнетичан, и ништа се неће догодити.

Неки магнетни елементи су толико подложни спољашњим пољима да се магнетизују када су изложени једном и задржавају своје магнетне карактеристике када се поље уклони. Ови феромагнетни елементи укључују:

• Гвожђе
• Никл
• Кобалт
• Гадолиниум
• Рутенијум

Ови елементи су феромагнетни, јер поједини атоми имају више од једног неспареног електрона у својим орбиталним љускама. али догађа се и нешто друго. Атоми ових елемената чине групе познате каодомени, а када уведете магнетно поље, домени се поравнају са пољем и остају поравнати, чак и након што уклоните поље. Овај одгођени одговор познат је каохистеризација,и може трајати годинама.

Неки од најјачих сталних магнета познати су каомагнети ретке земље. Две од најчешћих сунеодиммагнети који се састоје од комбинације неодимијума, гвожђа и бора исамаријум кобалтмагнети, који су комбинација та два елемента. У свакој врсти магнета феромагнетни материјал (гвожђе, кобалт) ојачан је парамагнетним ретким земаљским елементом.

​Феритмагнети, који су направљени од гвожђа, иалницомагнети, који су направљени од комбинације алуминијума, никла и кобалта, углавном су слабији од магнета ретке земље. То их чини сигурнијим за употребу и погоднијим за научне експерименте.

Сваки магнетни материјал има карактеристичну температуру изнад које почиње да губи своје магнетне карактеристике. Ово је познато каоЦурие поинт, назван по Пјеру Кирију, француском физичару који је открио законе који повезују магнетну способност са температуром. Изнад тачке Цурие, атоми у феромагнетном материјалу почињу да губе своје поравнање, а материјал постаје парамагнетни или, ако је температура довољно висока, дијамагнетни.

Цурие тачка за гвожђе је 1418 Ф (770 Ц), а за кобалт 2.050 Ф (1.121 Ц), што је једна од највиших Цурие тачака. Када температура падне испод своје Цурие тачке, материјал враћа своје феромагнетне карактеристике.

Магнетит, познат и као руда гвожђа или оксид гвожђа, је сиво-црни минерал хемијске формуле Фе₃О.₄ то је сировина за челик. Понаша се попут феромагнетног материјала, постајући трајно магнетизован када је изложен спољном магнетном пољу. До средине двадесетог века сви су претпостављали да је феромагнетни, али заправо јеферримагнетиц, и постоји значајна разлика.

Ферримагнетизам магнетита није збир магнетних момената свих атома у материјалу, што би било тачно да је минерал феромагнетни. То је последица кристалне структуре самог минерала.

Магнетит се састоји од две одвојене решеткасте структуре, октаедарске и тетраедарске. Две структуре имају супротстављене, али неједнаке поларитете, а ефекат је стварање нето магнетног момента. Остала позната ферримагнетска једињења укључују итријум гвожђе гранат и пиротит.

Испод одређене температуре, која се називаНеел температуранакон француског физичара Луиса Неела, неки метали, легуре и јонске чврсте супстанце губе своје парамагнетне особине и постају неодговорни на спољна магнетна поља. Они се у суштини размагнетизују. То се дешава зато што се јони у решеткастој структури материјала поравнавају у антипаралелним распоредима кроз структуру, стварајући супротна магнетна поља која се међусобно поништавају.

Неелове температуре могу бити врло ниске, реда од -150 Ц (-240Ф), што чини једињења парамагнетним за све практичне сврхе. Међутим, нека једињења имају Неел температуру у опсегу собне температуре или више.

На врло ниским температурама антиферромагнетски материјали не показују магнетно понашање. Како температура расте, неки од атома се ослобађају решеткасте структуре и поравнавају са магнетним пољем, а материјал постаје слабо магнетни. Када температура достигне Неелову температуру, овај парамагнетизам достиже свој врхунац, али како температура расте изнад овога тачка, термичка агитација спречава атоме да одрже поравнање са пољем, а магнетизам непрекидно опада ван.

Нису многи елементи антиферромагнетни - само хром и манган. Антиферромагнетна једињења укључују манган-оксид (МнО), неке облике гвожђе-оксида (Фе₂О.₃) и бизмут-ферит (БиФеО₃).