แม่เหล็กและไฟฟ้าเชื่อมต่อกันอย่างใกล้ชิดจนคุณอาจมองว่าเป็นสองด้านของเหรียญเดียวกัน คุณสมบัติทางแม่เหล็กที่แสดงโดยโลหะบางชนิดเป็นผลมาจากสภาวะสนามไฟฟ้าสถิตในอะตอมที่ประกอบเป็นโลหะ
อันที่จริงองค์ประกอบทั้งหมดมีคุณสมบัติทางแม่เหล็ก แต่ส่วนใหญ่ไม่ปรากฏอย่างชัดเจน โลหะที่ดึงดูดแม่เหล็กมีสิ่งหนึ่งที่เหมือนกัน นั่นคืออิเล็กตรอนที่ไม่คู่กันในเปลือกนอกของพวกมัน นั่นเป็นเพียงสูตรไฟฟ้าสถิตสูตรเดียวสำหรับสนามแม่เหล็ก และเป็นสิ่งสำคัญที่สุด
Diamagnetism, Paramagnetism และ Ferromagnetism
โลหะที่คุณสามารถดึงออกมาเป็นแม่เหล็กถาวรได้นั้นเรียกว่าเฟอร์โรแมกเนติกโลหะและรายชื่อโลหะเหล่านี้มีขนาดเล็ก ชื่อมาจากเฟอร์รัม, คำภาษาละตินสำหรับเหล็ก.
มีรายการวัสดุที่ยาวกว่ามากซึ่ง ได้แก่พาราแมกเนติกซึ่งหมายความว่าพวกมันจะกลายเป็นแม่เหล็กชั่วคราวเมื่ออยู่ในที่ที่มีสนามแม่เหล็ก วัสดุพาราแมกเนติกไม่ใช่โลหะทั้งหมด สารประกอบโควาเลนต์บางชนิด เช่น ออกซิเจน (O2) แสดงความเป็นพาราแมกเนติก เช่นเดียวกับของแข็งไอออนิกบางชนิด
วัสดุทั้งหมดที่ไม่ใช่เฟอร์โรแมกเนติกหรือพาราแมกเนติกเป็นไดแม่เหล็กซึ่งหมายความว่าพวกมันแสดงแรงผลักเล็กน้อยต่อสนามแม่เหล็ก และแม่เหล็กธรรมดาไม่ดึงดูดพวกมัน ที่จริงแล้ว ธาตุและสารประกอบทั้งหมดเป็นไดแม่เหล็กในระดับหนึ่ง
เพื่อให้เข้าใจความแตกต่างระหว่างแม่เหล็กทั้งสามคลาส คุณต้องดูว่าเกิดอะไรขึ้นในระดับอะตอม
การโคจรของอิเล็กตรอนสร้างสนามแม่เหล็ก
ในแบบจำลองอะตอมที่เป็นที่ยอมรับในปัจจุบัน นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนที่มีประจุบวกและ นิวตรอนที่เป็นกลางทางไฟฟ้าที่ยึดเข้าด้วยกันโดยแรงอันแรง ซึ่งเป็นหนึ่งในแรงพื้นฐานของ ธรรมชาติ. กลุ่มเมฆของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบซึ่งมีระดับพลังงานไม่ต่อเนื่อง หรือเปลือกหุ้มล้อมรอบนิวเคลียส และสิ่งเหล่านี้เป็นสิ่งที่ให้คุณสมบัติทางแม่เหล็ก
อิเล็กตรอนที่โคจรรอบจะสร้างสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลง และตามสมการของแมกซ์เวลล์ นั่นคือสูตรของสนามแม่เหล็กขนาดของสนามเท่ากับพื้นที่ภายในวงโคจรคูณด้วยกระแสอิเล็กตรอนแต่ละตัวสร้างกระแสเล็ก ๆ และสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นซึ่งวัดเป็นหน่วยที่เรียกว่าแมกนีตันบอร์ Bo,ยังเล็ก. ในอะตอมทั่วไป สนามที่เกิดจากอิเล็กตรอนที่โคจรอยู่ทั้งหมดจะหักล้างกันและกัน
การหมุนของอิเล็กตรอนมีผลต่อสมบัติทางแม่เหล็ก
ไม่ใช่แค่การเคลื่อนที่แบบโคจรของอิเล็กตรอนที่สร้างประจุ แต่ยังมีคุณสมบัติอื่นที่เรียกว่า anotherปั่น. ปรากฎว่าสปินมีความสำคัญในการกำหนดคุณสมบัติของแม่เหล็กมากกว่าการเคลื่อนที่ของวงโคจร เพราะสปินโดยรวมในอะตอมมีแนวโน้มที่จะไม่สมมาตรและสามารถสร้างแม่เหล็กได้ ช่วงเวลา
คุณสามารถคิดว่าสปินเป็นทิศทางการหมุนของอิเล็กตรอนได้ แม้ว่านี่จะเป็นเพียงการประมาณคร่าวๆ สปินเป็นคุณสมบัติที่แท้จริงของอิเล็กตรอน ไม่ใช่สถานะของการเคลื่อนที่ อิเล็กตรอนที่หมุนตามเข็มนาฬิกามีสปินบวกหรือหมุนขึ้นในขณะที่หมุนทวนเข็มนาฬิกามีสปินเชิงลบหรือหมุนลง
อิเล็กตรอนที่ไม่จับคู่ให้สมบัติทางแม่เหล็ก
การหมุนของอิเล็กตรอนเป็นคุณสมบัติทางกลของควอนตัมโดยไม่มีการเปรียบเทียบแบบคลาสสิก และจะกำหนดตำแหน่งของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส อิเล็กตรอนจัดเรียงตัวเองเป็นคู่แบบสปินอัพและสปินดาวน์ในแต่ละเชลล์เพื่อสร้าง net เป็นศูนย์โมเมนต์แม่เหล็ก.
อิเล็กตรอนที่ทำหน้าที่สร้างสมบัติทางแม่เหล็กคืออิเล็กตรอนที่อยู่นอกสุดหรือความจุ, เปลือกของอะตอม โดยทั่วไป การมีอยู่ของอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ในเปลือกนอกของอะตอมจะสร้างโมเมนต์แม่เหล็กสุทธิและ ให้สมบัติทางแม่เหล็กในขณะที่อะตอมที่มีอิเล็กตรอนคู่อยู่ในเปลือกนอกไม่มีประจุสุทธิและเป็น ไดแม่เหล็ก นี่เป็นการทำให้เข้าใจง่ายเกินไป เนื่องจากวาเลนซ์อิเล็กตรอนสามารถครอบครองเปลือกพลังงานที่ต่ำกว่าในองค์ประกอบบางอย่าง โดยเฉพาะเหล็ก (Fe)
ทุกอย่างเป็นแม่เหล็กไดอะแมกเนติก รวมถึงโลหะบางชนิดด้วย
ลูปปัจจุบันที่สร้างขึ้นโดยอิเล็กตรอนที่โคจรอยู่ทำให้วัสดุทุกชนิดเป็นไดอะแมกเนติก เพราะเมื่อใช้สนามแม่เหล็ก ลูปปัจจุบันจะเรียงตรงข้ามกับสนามแม่เหล็กและตรงข้ามกับสนาม นี่คือแอปพลิเคชันของกฎของเลนซ์ซึ่งระบุว่าสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำตรงข้ามสนามที่สร้างมันขึ้นมา ถ้าสปินอิเล็กตรอนไม่เข้าสู่สมการ นั่นจะเป็นจุดสิ้นสุดของเรื่อง แต่สปินเข้ามาอยู่ในสมการนั้น
ยอดรวมโมเมนต์แม่เหล็ก เจของอะตอมเป็นผลรวมของ ofโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรและมันโมเมนตัมเชิงมุมหมุน. เมื่อไหร่เจ= 0 อะตอมไม่เป็นแม่เหล็ก และเมื่อเจ≠ 0 อะตอมเป็นแม่เหล็ก ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อมีอิเล็กตรอนที่ไม่ได้จับคู่อย่างน้อยหนึ่งตัว
ดังนั้น อะตอมหรือสารประกอบใดๆ ที่มีออร์บิทัลที่เติมอย่างสมบูรณ์จึงเป็นไดอะแมกเนติก ฮีเลียมและก๊าซมีตระกูลทั้งหมดเป็นตัวอย่างที่ชัดเจน แต่โลหะบางชนิดก็เป็นไดแม่เหล็กเช่นกัน นี่คือตัวอย่างบางส่วน:
- สังกะสี
- ปรอท
- ดีบุก
- เทลลูเรียม
- ทอง
- เงิน
- ทองแดง
ไดอะแมกเนติกไม่ใช่ผลสุทธิของอะตอมบางตัวในสสารที่ถูกสนามแม่เหล็กดึงไปทางหนึ่ง และอะตอมอื่นๆ ถูกดึงไปในทิศทางอื่น ทุกอะตอมในวัสดุไดอะแมกเนติกนั้นเป็นไดอะแมกเนติกและมีแรงผลักที่อ่อนแอเช่นเดียวกันกับสนามแม่เหล็กภายนอก แรงผลักนี้สามารถสร้างเอฟเฟกต์ที่น่าสนใจได้ หากคุณแขวนแท่งของวัสดุไดอะแมกเนติก เช่น ทอง ไว้ในสนามแม่เหล็กแรงสูง แท่งแม่เหล็กนั้นจะจัดแนวตัวเองในแนวตั้งฉากกับสนาม
โลหะบางชนิดมีคุณสมบัติเป็นพาราแมกเนติก
ถ้าอิเล็กตรอนในเปลือกนอกของอะตอมอย่างน้อยหนึ่งตัวไม่มีการจับคู่ อะตอมจะมีโมเมนต์แม่เหล็กสุทธิ และอิเล็กตรอนจะจัดตำแหน่งตัวเองกับสนามแม่เหล็กภายนอก ในกรณีส่วนใหญ่ การจัดตำแหน่งจะหายไปเมื่อเอาฟิลด์ออก นี่คือพฤติกรรมพาราแมกเนติก และสารประกอบสามารถแสดงได้เช่นเดียวกับองค์ประกอบ
โลหะพาราแมกเนติกที่พบได้บ่อย ได้แก่:
- แมกนีเซียม
- อลูมิเนียม
- ทังสเตน
- แพลตตินั่ม
โลหะบางชนิดมีความเป็นพาราแมกเนติกน้อยมากจนแทบสังเกตไม่เห็นการตอบสนองต่อสนามแม่เหล็ก อะตอมอยู่ในแนวเดียวกับสนามแม่เหล็ก แต่การจัดตำแหน่งนั้นอ่อนมากจนแม่เหล็กธรรมดาไม่ดึงดูดมัน
คุณไม่สามารถหยิบโลหะด้วยแม่เหล็กถาวรได้ ไม่ว่าคุณจะพยายามมากแค่ไหนก็ตาม อย่างไรก็ตาม คุณจะสามารถวัดสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นในโลหะได้หากคุณมีเครื่องมือที่มีความละเอียดอ่อนเพียงพอ เมื่อวางไว้ในสนามแม่เหล็กที่มีกำลังแรงเพียงพอ แท่งโลหะพาราแมกเนติกจะจัดแนวตัวเองขนานกับสนาม
ออกซิเจนเป็นพาราแมกเนติก และคุณสามารถพิสูจน์ได้
เมื่อคุณนึกถึงสสารที่มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็ก คุณมักจะนึกถึงโลหะ แต่อโลหะบางชนิด เช่น แคลเซียมและออกซิเจน ก็เป็นพาราแมกเนติกเช่นกัน คุณสามารถแสดงให้เห็นถึงธรรมชาติของพาราแมกเนติกของออกซิเจนด้วยการทดลองง่ายๆ
เทออกซิเจนเหลวระหว่างขั้วของแม่เหล็กไฟฟ้าอันทรงพลัง แล้วออกซิเจนจะสะสมบนเสาและกลายเป็นไอ ทำให้เกิดเมฆก๊าซ ลองทำการทดลองแบบเดียวกันกับไนโตรเจนเหลว ซึ่งไม่ใช่พาราแมกเนติก และจะไม่มีอะไรเกิดขึ้น
องค์ประกอบเฟอร์โรแมกเนติกสามารถกลายเป็นแม่เหล็กถาวรได้
ธาตุแม่เหล็กบางชนิดมีความอ่อนไหวต่อสนามแม่เหล็กภายนอกมากจนกลายเป็นแม่เหล็กเมื่อสัมผัสกับสนามแม่เหล็ก และยังคงคุณลักษณะทางแม่เหล็กไว้เมื่อสนามถูกขจัดออกไป ธาตุเฟอร์โรแมกเนติกเหล่านี้ได้แก่:
- เหล็ก
- นิกเกิล
- โคบอลต์
- แกโดลิเนียม
- รูทีเนียม
องค์ประกอบเหล่านี้เป็นแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกเนื่องจากอะตอมแต่ละตัวมีอิเล็กตรอนมากกว่าหนึ่งตัวในเปลือกออร์บิทัล แต่มีอย่างอื่นเกิดขึ้นด้วย อะตอมของธาตุเหล่านี้ก่อตัวเป็นกลุ่มที่เรียกว่าโดเมนและเมื่อคุณแนะนำสนามแม่เหล็ก โดเมนจะจัดแนวตัวเองกับสนามและยังคงอยู่ในแนวเดียวกัน แม้ว่าคุณจะลบสนามออกแล้วก็ตาม การตอบสนองที่ล่าช้านี้เรียกว่าฮิสทีรีซิส,และสามารถอยู่ได้นานหลายปี
แม่เหล็กถาวรที่แรงที่สุดบางชนิดเรียกว่าแม่เหล็กโลกหายาก. ที่พบบ่อยที่สุดคือนีโอไดเมียมแม่เหล็กซึ่งประกอบด้วยนีโอไดเมียม เหล็ก และโบรอน และซาแมเรียมโคบอลต์แม่เหล็กซึ่งเป็นส่วนผสมของทั้งสององค์ประกอบ ในแม่เหล็กแต่ละประเภท วัสดุที่เป็นเฟอร์โรแมกเนติก (เหล็ก โคบอลต์) จะได้รับการเสริมความแข็งแรงด้วยธาตุหายากที่เป็นพาราแมกเนติก
เฟอร์ไรต์แม่เหล็กซึ่งทำจากเหล็กและอัลนิโคแม่เหล็กซึ่งทำจากอะลูมิเนียม นิกเกิล และโคบอลต์ผสมกัน โดยทั่วไปจะอ่อนกว่าแม่เหล็กแรร์เอิร์ธ ทำให้ปลอดภัยในการใช้งานและเหมาะสมกับการทดลองทางวิทยาศาสตร์มากขึ้น
The Curie Point: ขีด จำกัด ของความคงทนของแม่เหล็ก
วัสดุแม่เหล็กทุกชนิดมีอุณหภูมิเหนือกว่าซึ่งจะเริ่มสูญเสียคุณสมบัติแม่เหล็ก สิ่งนี้เรียกว่าจุดคิวรีได้รับการตั้งชื่อตาม Pierre Curie นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสที่ค้นพบกฎหมายที่เกี่ยวข้องกับความสามารถทางแม่เหล็กกับอุณหภูมิ เหนือจุด Curie อะตอมในวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกเริ่มสูญเสียการเรียงตัวของพวกมัน และวัสดุจะกลายเป็นพาราแมกเนติก หรือถ้าอุณหภูมิสูงเพียงพอ ไดอะแมกเนติก
จุด Curie สำหรับเหล็กคือ 1418 F (770 C) และสำหรับโคบอลต์คือ 2,050 F (1,121 C) ซึ่งเป็นหนึ่งในจุด Curie ที่สูงที่สุด เมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่าจุด Curie วัสดุจะมีลักษณะเฉพาะของเฟอร์โรแมกเนติกกลับคืนมา
แมกนีไทต์เป็นเฟอร์ริแมกเนติก ไม่ใช่เฟอโรแมกเนติก
Magnetite หรือที่เรียกว่าแร่เหล็กหรือเหล็กออกไซด์เป็นแร่สีเทาดำที่มีสูตรทางเคมี Fe3โอ4 ที่เป็นวัตถุดิบสำหรับเหล็ก มันมีลักษณะเหมือนวัสดุที่เป็นเฟอร์โรแมกเนติก ซึ่งจะกลายเป็นแม่เหล็กถาวรเมื่อสัมผัสกับสนามแม่เหล็กภายนอก จนถึงกลางศตวรรษที่ยี่สิบ ทุกคนคิดว่ามันเป็นเฟอร์โรแมกเนติก แต่จริงๆ แล้วมันคือแม่เหล็กไฟฟ้าและมีความแตกต่างที่สำคัญ
เฟอร์ริแมกเนติกของแมกนีไทต์ไม่ใช่ผลรวมของโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมทั้งหมดในวัสดุ ซึ่งจะเป็นจริงถ้าแร่นั้นเป็นแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติก เป็นผลมาจากโครงสร้างผลึกของแร่นั่นเอง
แมกนีไทต์ประกอบด้วยโครงสร้างขัดแตะแยกกันสองโครงสร้าง โครงสร้างทรงแปดด้านและทรงสี่เหลี่ยมจตุรัส โครงสร้างทั้งสองมีขั้วตรงข้ามแต่ไม่เท่ากัน และผลก็คือการสร้างโมเมนต์แม่เหล็กสุทธิ สารประกอบเฟอร์ริแมกเนติกอื่น ๆ ที่เป็นที่รู้จัก ได้แก่ โกเมนเหล็กอิตเทรียมและไพร์โรไทต์
Antiferromagnetism เป็นแม่เหล็กสั่งอีกประเภทหนึ่ง
ต่ำกว่าอุณหภูมิที่กำหนดซึ่งเรียกว่าอุณหภูมินีลหลังจากที่นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Louis Néel โลหะ โลหะผสม และของแข็งไอออนิกบางชนิดสูญเสียคุณสมบัติที่เป็นพาราแมกเนติก และไม่ตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กภายนอก โดยพื้นฐานแล้วพวกมันจะถูกล้างอำนาจแม่เหล็ก สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากไอออนในโครงสร้างแลตทิซของวัสดุจะเรียงตัวกันในแนวขนานกันตลอดทั้งโครงสร้าง ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กตรงข้ามที่ตัดกันออกจากกัน
อุณหภูมิของนีลอาจต่ำมาก โดยเรียงลำดับที่ -150 C (-240F) ทำให้สารประกอบเป็นพาราแมกเนติกสำหรับวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติทั้งหมด อย่างไรก็ตาม สารประกอบบางชนิดมีอุณหภูมินีลในช่วงอุณหภูมิห้องหรือสูงกว่านั้น
ที่อุณหภูมิต่ำมาก วัสดุต้านแม่เหล็กจะไม่แสดงพฤติกรรมแม่เหล็ก เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อะตอมบางส่วนจะหลุดออกจากโครงสร้างแลตทิซและปรับตัวเองให้เข้ากับสนามแม่เหล็ก และวัสดุจะกลายเป็นแม่เหล็กอย่างอ่อน เมื่ออุณหภูมิถึงอุณหภูมินีล พาราแมกเนติกจะถึงจุดสูงสุด แต่เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นกว่านี้ จุดความร้อนกวนใจป้องกันไม่ให้อะตอมรักษาตำแหน่งกับสนามและแม่เหล็กลดลงอย่างต่อเนื่อง ปิด
มีองค์ประกอบไม่มากที่ต้านสนามแม่เหล็ก – มีเพียงโครเมียมและแมงกานีสเท่านั้น สารประกอบต้านสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ได้แก่ แมงกานีสออกไซด์ (MnO) เหล็กออกไซด์บางรูปแบบ (Fe2โอ3) และบิสมัทเฟอร์ไรท์ (BiFeO3).
