Mıknatısların Neden Bazı Metaller Üzerinde Etkisi Yoktur?

Manyetizma ve elektrik o kadar yakından bağlantılıdır ki, onları aynı madalyonun iki yüzü olarak bile düşünebilirsiniz. Bazı metallerin sergilediği manyetik özellikler, metali oluşturan atomlardaki elektrostatik alan koşullarının bir sonucudur.

Aslında, tüm elementlerin manyetik özellikleri vardır, ancak çoğu onları açık bir şekilde göstermez. Mıknatısların çektiği metallerin ortak bir yanı vardır, o da dış kabuklarındaki eşleşmemiş elektronlardır. Bu manyetizma için sadece bir elektrostatik tarif ve en önemlisi.

Kalıcı olarak manyetize edebileceğiniz metaller olarak bilinir.ferromanyetikmetaller ve bu metallerin listesi küçüktür. Adı geliyordemir, demir için Latince kelime.​

Çok daha uzun bir malzeme listesi var.paramanyetikBu, bir manyetik alanın varlığında geçici olarak manyetize oldukları anlamına gelir. Paramanyetik malzemelerin tümü metal değildir. Oksijen gibi bazı kovalent bileşikler (O₂) bazı iyonik katılarda olduğu gibi paramanyetizma sergilerler.

Ferromanyetik veya paramanyetik olmayan tüm malzemelerdiamanyetikbu, manyetik alanlara karşı hafif bir itme sergiledikleri ve sıradan bir mıknatısın onları çekmediği anlamına gelir. Aslında, tüm elementler ve bileşikler bir dereceye kadar diyamanyetiktir.

Bu üç manyetizma sınıfı arasındaki farkları anlamak için atomik düzeyde neler olup bittiğine bakmanız gerekir.

Şu anda kabul edilen atom modelinde çekirdek, pozitif yüklü protonlardan ve temel kuvvetlerinden biri olan güçlü kuvvet tarafından bir arada tutulan elektriksel olarak nötr nötronlar doğa. Ayrık enerji seviyelerini veya kabukları işgal eden bir negatif yüklü elektron bulutu çekirdeği çevreler ve bunlar manyetik nitelikler veren şeydir.

Yörüngedeki bir elektron, değişen bir elektrik alanı üretir ve Maxwell denklemlerine göre, manyetik alanın tarifi budur.Alanın büyüklüğü, yörüngenin içindeki alanın akımla çarpımına eşittir.Tek bir elektron, küçük bir akım üretir ve ortaya çıkan manyetik alan adı verilen birimlerle ölçülür.Bohr manyetonları, aynı zamanda küçük. Tipik bir atomda, yörüngedeki tüm elektronları tarafından üretilen alanlar genellikle birbirini iptal eder.

Yükü yaratan sadece bir elektronun yörüngedeki hareketi değil, aynı zamanda olarak bilinen başka bir özelliktir.çevirmek. Görünüşe göre spin, manyetik özellikleri belirlemede yörünge hareketinden çok daha önemlidir. çünkü bir atomdaki toplam spinin asimetrik olması ve manyetik bir etki yaratması daha olasıdır. an.

Bu sadece kaba bir yaklaşım olsa da, dönüşü bir elektronun dönüş yönü olarak düşünebilirsiniz. Spin, bir hareket durumu değil, elektronların içsel bir özelliğidir. Saat yönünde dönen bir elektronuniyi tarafından bakmak, veya yukarı döndürün, saat yönünün tersine dönen isenegatif dönüşveya aşağı doğru döndürün.

Elektron dönüşü, klasik bir analoji olmaksızın kuantum mekaniksel bir özelliktir ve elektronların çekirdeğin etrafındaki yerleşimini belirler. Elektronlar, sıfır net oluşturmak için her bir kabukta kendilerini yukarı ve aşağı döndürme çiftleri halinde düzenlerler.manyetik moment​.

Manyetik özelliklerin yaratılmasından sorumlu elektronlar en dıştakilerdir veyadeğerlik, atomun kabukları. Genel olarak, bir atomun dış kabuğunda eşleşmemiş bir elektronun varlığı net bir manyetik moment yaratır ve manyetik özellikler verir, oysa dış kabuğunda çift elektronlu atomların net yükü yoktur ve diamanyetik. Bu aşırı basitleştirmedir, çünkü değerlik elektronları bazı elementlerde, özellikle demirde (Fe) daha düşük enerjili kabukları işgal edebilir.

Yörüngedeki elektronlar tarafından oluşturulan akım döngüleri, her malzemeyi diyamanyetik yapar, çünkü bir manyetik alan uygulandığında, akım döngülerinin tümü ona karşı hizalanır ve alana karşı koyar. Bu bir uygulamadırLenz YasasıBu, indüklenmiş bir manyetik alanın, onu yaratan alana karşı olduğunu belirtir. Elektron dönüşü denkleme girmemiş olsaydı, bu hikayenin sonu olurdu, ancak dönüş buna dahil olur.

Toplammanyetik moment J​bir atomun toplamı onunyörünge açısal momentumve Onundönüş açısal momentum. Ne zamanJ= 0, atom manyetik değildir ve ne zamanJ≠ 0, atom manyetiktir, bu en az bir eşleşmemiş elektron olduğunda gerçekleşir.

Sonuç olarak, tamamen dolu orbitallere sahip herhangi bir atom veya bileşik diyamanyetiktir. Helyum ve tüm soy gazlar bariz örneklerdir, ancak bazı metaller de diyamanyetiktir. İşte birkaç örnek:

• Çinko
• Merkür
• Teneke
• Tellür
• Altın
• Gümüş
• Bakır

Diamanyetizma, bir maddedeki bazı atomların bir manyetik alan tarafından bir yöne, diğerlerinin ise başka bir yöne çekilmesinin net sonucu değildir. Diyamanyetik bir malzemedeki her atom diyamanyetiktir ve harici bir manyetik alana karşı aynı zayıf itmeyi deneyimler. Bu itme ilginç etkiler yaratabilir. Altın gibi diamanyetik bir malzemeden bir çubuğu güçlü bir manyetik alanda askıya alırsanız, kendisini alana dik olarak hizalayacaktır.

Bir atomun dış kabuğundaki en az bir elektron eşleşmemişse, atom net bir manyetik momente sahiptir ve kendisini harici bir manyetik alanla hizalayacaktır. Çoğu durumda, alan kaldırıldığında hizalama kaybolur. Bu paramanyetik davranıştır ve bileşikler de elementlerin yanı sıra bunu sergileyebilir.

Daha yaygın paramanyetik metallerden bazıları şunlardır:

• Magnezyum
• Alüminyum
• Tungsten
• Platin

Bazı metaller o kadar zayıf paramanyetiktir ki, bir manyetik alana verdikleri tepki pek fark edilmez. Atomlar bir manyetik alanla hizalanır, ancak hizalama o kadar zayıftır ki sıradan bir mıknatıs onu çekemez.

Ne kadar uğraşırsan uğraş, kalıcı bir mıknatısla metali tutamazsın. Ancak, yeterince hassas bir aletiniz varsa, metalde oluşan manyetik alanı ölçebileceksiniz. Yeterli güçte bir manyetik alana yerleştirildiğinde, paramanyetik bir metal çubuk kendisini alana paralel olarak hizalayacaktır.

Manyetik özelliklere sahip bir maddeyi düşündüğünüzde, genellikle bir metal düşünürsünüz, ancak kalsiyum ve oksijen gibi birkaç metal olmayan madde de paramanyetiktir. Basit bir deneyle oksijenin paramanyetik yapısını kendiniz gösterebilirsiniz.

Güçlü bir elektromıknatısın kutupları arasına sıvı oksijen dökün ve oksijen kutuplarda toplanacak ve buharlaşarak bir gaz bulutu üretecektir. Aynı deneyi paramanyetik olmayan sıvı nitrojen ile yapın ve hiçbir şey olmayacak.

Bazı manyetik elementler, dış alanlara o kadar duyarlıdır ki, birine maruz kaldıklarında manyetize olurlar ve alan kaldırıldığında manyetik özelliklerini korurlar. Bu ferromanyetik elemanlar şunları içerir:

• Demir
• Nikel
• Kobalt
• Gadolinyum
• Rutenyum

Bu elementler ferromanyetiktir, çünkü tek tek atomların yörünge kabuklarında birden fazla eşleşmemiş elektron bulunur. ama başka bir şey de oluyor. Bu elementlerin atomları olarak bilinen grupları oluştururlar.etki alanlarıve bir manyetik alan eklediğinizde, alanlar kendilerini alanla hizalar ve siz alanı kaldırdıktan sonra bile hizalı kalır. Bu gecikmeli yanıt olarak bilinirhisteriz,ve yıllarca sürebilir.

En güçlü kalıcı mıknatıslardan bazıları şu şekilde bilinir:nadir toprak mıknatısları. En yaygın iki tanesineodimyumneodim, demir ve bor kombinasyonundan oluşan mıknatıslar vesamaryum kobaltbu iki elementin birleşimi olan mıknatıslar. Her mıknatıs türünde, bir ferromanyetik malzeme (demir, kobalt), paramanyetik bir nadir toprak elementi tarafından güçlendirilir.

​ferritdemirden yapılmış mıknatıslar vealnikoalüminyum, nikel ve kobalt kombinasyonundan yapılan mıknatıslar genellikle nadir toprak mıknatıslarından daha zayıftır. Bu, onları daha güvenli ve bilimsel deneyler için daha uygun hale getirir.

Her manyetik malzeme, üzerinde manyetik özelliklerini kaybetmeye başladığı karakteristik bir sıcaklığa sahiptir. Bu olarak bilinirCurie noktasıadını, manyetik yeteneği sıcaklıkla ilişkilendiren yasaları keşfeden Fransız fizikçi Pierre Curie'den almıştır. Curie noktasının üzerinde, bir ferromanyetik malzemedeki atomlar hizalarını kaybetmeye başlar ve malzeme paramanyetik veya sıcaklık yeterince yüksekse diyamanyetik hale gelir.

Demir için Curie noktası 1418 F (770 C) ve kobalt için en yüksek Curie noktalarından biri olan 2,050 F (1,121 C)'dir. Sıcaklık Curie noktasının altına düştüğünde, malzeme ferromanyetik özelliklerini yeniden kazanır.

Demir cevheri veya demir oksit olarak da bilinen manyetit, kimyasal formülü Fe olan gri-siyah mineraldir.₃Ö₄ çeliğin hammaddesi budur. Ferromanyetik bir malzeme gibi davranır, harici bir manyetik alana maruz kaldığında kalıcı olarak manyetize olur. Yirminci yüzyılın ortalarına kadar herkes onun ferromanyetik olduğunu varsayıyordu, ama aslındaferrimanyetik, ve önemli bir fark var.

Manyetitin ferrimanyetizması, malzemedeki tüm atomların manyetik momentlerinin toplamı değildir; bu, mineral ferromanyetik olsaydı doğru olurdu. Mineralin kendisinin kristal yapısının bir sonucudur.

Manyetit, oktahedral ve tetrahedral olmak üzere iki ayrı kafes yapısından oluşur. İki yapının karşıt fakat eşit olmayan kutupları vardır ve etkisi net bir manyetik moment üretmektir. Bilinen diğer ferrimanyetik bileşikler arasında itriyum demir granat ve pirotit bulunur.

olarak adlandırılan belirli bir sıcaklığın altındaNeel sıcaklığıFransız fizikçi Louis Néel'den sonra bazı metaller, alaşımlar ve iyonik katılar paramanyetik özelliklerini kaybederek dış manyetik alanlara karşı tepkisiz hale gelirler. Esasen demanyetize olurlar. Bunun nedeni, malzemenin kafes yapısındaki iyonların, yapı boyunca antiparalel düzenlemelerde kendilerini hizalamaları ve birbirlerini iptal eden zıt manyetik alanlar yaratmalarıdır.

Néel sıcaklıkları -150 C (-240F) mertebesinde çok düşük olabilir, bu da bileşikleri tüm pratik amaçlar için paramanyetik hale getirir. Bununla birlikte, bazı bileşikler, oda sıcaklığı veya daha yüksek aralığında Néel sıcaklıklarına sahiptir.

Çok düşük sıcaklıklarda, antiferromanyetik malzemeler manyetik davranış göstermezler. Sıcaklık arttıkça, bazı atomlar kafes yapısından kurtulur ve kendilerini manyetik alanla hizalar ve malzeme zayıf bir şekilde manyetik hale gelir. Sıcaklık Néel sıcaklığına ulaştığında, bu paramanyetizma doruk noktasına ulaşır, ancak sıcaklık bu sıcaklığın üzerine çıktığında noktasında, termal ajitasyon, atomların alanla hizalarını korumasını engeller ve manyetizma sürekli olarak düşer. kapalı.

Pek çok element antiferromanyetik değildir - sadece krom ve manganez. Antiferromanyetik bileşikler arasında manganez oksit (MnO), bazı demir oksit formları (Fe) bulunur.₂Ö₃) ve bizmut ferrit (BiFeO₃).