Чому магніти не впливають на деякі метали

Магнетизм і електрика пов’язані настільки тісно, ​​що ви навіть можете вважати їх двома сторонами однієї медалі. Магнітні властивості, виявлені деякими металами, є результатом стану електростатичного поля в атомах, що складають метал.

Насправді всі елементи мають магнітні властивості, але більшість не проявляє їх очевидним чином. Метали, які притягуються до магнітів, мають одне спільне, і це неспарені електрони у зовнішніх оболонках. Це лише один електростатичний рецепт магнетизму, і це найважливіший.

Метали, які ви можете постійно намагнічувати, відомі якферомагнітнийметалів, і перелік цих металів невеликий. Назва походить відферум, латинське слово заліза.​

Існує набагато довший перелік матеріалів, які єпарамагнітний, що означає, що вони тимчасово намагнічуються в присутності магнітного поля. Парамагнітні матеріали - це не всі метали. Деякі ковалентні сполуки, такі як кисень (O₂) виявляють парамагнетизм, як і деякі іонні тверді речовини.

Всі матеріали, які не є феромагнітними або парамагнітними, є

Щоб зрозуміти різницю між цими трьома класами магнетизму, потрібно поглянути на те, що відбувається на атомному рівні.

У прийнятій в даний час моделі атома ядро ​​складається з позитивно заряджених протонів і електрично нейтральні нейтрони, утримувані разом сильною силою, однією з основних сил Росії природи. Хмара негативно заряджених електронів, що займають дискретні енергетичні рівні, або оболонки, оточує ядро, і саме це надає магнітні якості.

Електрон, що обертається навколо, породжує мінливе електричне поле, і відповідно до рівнянь Максвелла, це рецепт магнітного поля.Величина поля дорівнює площі всередині орбіти, помноженій на силу струму.Окремий електрон генерує крихітний струм і результуюче магнітне поле, яке вимірюється в одиницяхМагнетони Бора, також крихітний. У типовому атомі поля, що генеруються усіма його орбітальними електронами, взагалі виключають одне одного.

Це не просто рух навколо електрона, що створює заряд, але й інша властивість, відома якобертатися. Як виявляється, спін набагато важливіший у визначенні магнітних властивостей, ніж орбітальний рух, оскільки загальний спін в атомі, швидше за все, буде асиметричним і здатним створити магніт момент.

Ви можете сприймати спін як напрямок обертання електрона, хоча це лише приблизне наближення. Спін - це властивість електронів, а не стан руху. Електрон, який обертається за годинниковою стрілкою, маєпозитивний спін, або обертатися вгору, тоді як той, який обертається проти годинникової стрілки, маєнегативний спін, або обертатися.

Спін електронів є квантово-механічною властивістю без класичної аналогії, і він визначає розміщення електронів навколо ядра. Електрони розташовуються в парах спінінгу та спінінгу в кожній оболонці так, щоб створити нульову сіткумагнітний момент​.

Електрони, що відповідають за створення магнітних властивостей, - це ті, що знаходяться в самих зовнішніх, абовалентність, оболонки атома. Загалом, наявність непарного електрона у зовнішній оболонці атома створює чистий магнітний момент і надає магнітні властивості, тоді як атоми з парними електронами у зовнішній оболонці не мають чистого заряду і є діамагнітний. Це надто спрощення, оскільки валентні електрони можуть займати нижчі енергетичні оболонки деяких елементів, зокрема заліза (Fe).

Струмові петлі, створені орбітою електронів, роблять кожен матеріал діамагнітним, тому що, коли застосовується магнітне поле, всі струмові петлі вирівнюються в протилежність до нього і протистоять полю. Це додатокЗакон Ленца, де сказано, що індуковане магнітне поле протистоїть полю, яке його створює. Якби спін електронів не входив у рівняння, це був би кінець історії, але спін входив у нього.

Усьогомагнітний момент J​атома - це сума йогоорбітальний кутовий моменті йогокутовий момент обертання. КолиJ= 0, атом немагнітний, а колиJ≠ 0, атом є магнітним, що трапляється, коли є хоча б один неспарений електрон.

Отже, будь-який атом або сполука з повністю заповненими орбіталями є діамагнітними. Гелій і всі благородні гази - очевидні приклади, але деякі метали також є діамагнітними. Ось кілька прикладів:

• Цинк
• Меркурій
• Олово
• Теллур
• Золото
• Срібло
• Мідь

Діамагнетизм не є результатом того, що одні атоми речовини тягнуться в один бік магнітним полем, а інші - в іншому напрямку. Кожен атом у діамагнітному матеріалі є діамагнітним і відчуває однакове слабке відштовхування до зовнішнього магнітного поля. Це відштовхування може створити цікаві ефекти. Якщо ви підвісите пруток з діамагнітного матеріалу, такого як золото, у сильному магнітному полі, він вирівняється перпендикулярно полю.

Якщо принаймні один електрон у зовнішній оболонці атома неспарений, атом має чистий магнітний момент, і він вирівняється із зовнішнім магнітним полем. У більшості випадків вирівнювання втрачається при видаленні поля. Це парамагнітна поведінка, і сполуки можуть проявляти її, як і елементи.

Деякі з найбільш поширених парамагнітних металів:

• Магній
• Алюміній
• Вольфрам
• Платина

Деякі метали настільки слабо парамагнітні, що їх реакція на магнітне поле навряд чи помітна. Атоми вирівнюються з магнітним полем, але вирівнювання настільки слабке, що звичайний магніт його не притягує.

Ви не могли забрати метал постійним магнітом, як би ви не старались. Однак ви могли б виміряти магнітне поле, яке генерується в металі, якби у вас був досить чутливий прилад. При розміщенні в магнітному полі достатньої сили пруток парамагнітного металу буде вирівнюватися паралельно полю.

Коли ви думаєте про речовину, яка має магнітні характеристики, ви зазвичай думаєте про метал, але кілька неметалів, таких як кальцій та кисень, також парамагнітні. Ви можете продемонструвати парамагнітну природу кисню для себе за допомогою простого експерименту.

Налийте рідкий кисень між полюсами потужного електромагніту, і кисень буде збиратися на полюсах і випаровуватися, утворюючи хмару газу. Спробуйте той самий експеримент з рідким азотом, який не є парамагнітним, і нічого не трапиться.

Деякі магнітні елементи настільки сприйнятливі до зовнішніх полів, що при намалюванні вони намагнічуються, і вони зберігають свої магнітні характеристики при видаленні поля. Ці феромагнітні елементи включають:

• Залізо
• Нікель
• Кобальт
• Гадоліній
• Рутеній

Ці елементи є феромагнітними, оскільки окремі атоми мають в орбітальних оболонках більше одного неспареного електрона. але теж відбувається щось інше. Атоми цих елементів утворюють групи, відомі якдомени, і коли ви вводите магнітне поле, домени вирівнюються з полем і залишаються вирівняними, навіть після того, як ви видалите поле. Ця затримка відповіді відома якістериз,і це може тривати роками.

Деякі з найсильніших постійних магнітів відомі якрідкісноземельні магніти. Дві найбільш поширенінеодиммагніти, які складаються з поєднання неодиму, заліза та бору, ікобальт із самаріюмагніти, які є поєднанням цих двох елементів. У кожному типі магнітів феромагнітний матеріал (залізо, кобальт) укріплений парамагнітним рідкісноземельним елементом.

​Феритовиймагніти, які зроблені із заліза, іalnicoмагніти, які виготовляються із комбінації алюмінію, нікелю та кобальту, як правило, слабші, ніж рідкісноземельні магніти. Це робить їх безпечнішими у використанні та більш придатними для наукових експериментів.

Кожен магнітний матеріал має характерну температуру, вище якої він починає втрачати свої магнітні характеристики. Це відомо якТочка Кюрі, названий на честь П’єра Кюрі, французького фізика, який відкрив закони, що пов’язують магнітну здатність з температурою. Над точкою Кюрі атоми у феромагнітному матеріалі починають втрачати своє вирівнювання, і матеріал стає парамагнітним або, якщо температура досить висока, діамагнітним.

Точка Кюрі для заліза становить 1418 F (770 C), а для кобальту - 2050 F (1121 C), що є однією з найвищих точок Кюрі. Коли температура опускається нижче точки Кюрі, матеріал відновлює свої феромагнітні характеристики.

Магнетит, також відомий як залізна руда або оксид заліза, є сіро-чорним мінералом з хімічною формулою Fe₃О₄ тобто сировиною для сталі. Він поводиться як феромагнітний матеріал, стаючи постійно намагніченим під впливом зовнішнього магнітного поля. До середини ХХ століття всі вважали, що він феромагнітний, але це насправдіферримагнітний, і є суттєва різниця.

Ферримагнетизм магнетиту - це не сума магнітних моментів усіх атомів у матеріалі, що було б вірно, якби мінерал був феромагнітним. Це наслідок кристалічної структури самого мінералу.

Магнетит складається з двох окремих гратчастих структур, восьмигранної та тетраедричної. Ці дві структури мають протилежні, але неоднакові полярності, і результатом є створення чистого магнітного моменту. Інші відомі ферримагнітні сполуки включають гранат заліза ітрію та піротин.

Нижче певної температури, яка називаєтьсяТемпература Нееляпісля французького фізика Луїса Нееля деякі метали, сплави та іонні тверді речовини втрачають свої парамагнітні якості і стають нечутливими до зовнішніх магнітних полів. Вони по суті розмагнічуються. Це відбувається тому, що іони в гратчастій структурі матеріалу вирівнюються в антипаралельних розташуваннях по всій структурі, створюючи протилежні магнітні поля, які виключають один одного.

Температури Нееля можуть бути дуже низькими, близько -150 C (-240F), що робить сполуки парамагнітними для всіх практичних цілей. Однак деякі сполуки мають температуру Нееля в діапазоні кімнатної температури або вище.

При дуже низьких температурах антиферомагнітні матеріали не виявляють магнітної поведінки. У міру підвищення температури деякі атоми звільняються від структури решітки і вирівнюються з магнітним полем, а матеріал стає слабомагнітним. Коли температура досягає температури Нееля, цей парамагнетизм досягає свого піку, але в міру підвищення температури за межі цього точка, термічне збудження заважає атомам підтримувати їх вирівнювання з полем, і магнетизм постійно падає вимкнено.

Не багато елементів є антиферромагнітними - лише хром і марганець. До антиферомагнітних сполук належать оксид марганцю (MnO), деякі форми оксиду заліза (Fe₂О₃) та фериту вісмуту (BiFeO₃).