Чому магніти не мають впливу на деякі метали

Зміст

• Діамагнетизм, парамагнетизм та феромагнетизм
• Орбіти електронів створюють магнітне поле
• Електронний спін впливає на магнітні властивості
• Непарні електрони надають магнітні властивості
• Все діамагнітно, включаючи деякі метали
• Деякі метали парамагнітні
• Кисень парамагнітний, і ви можете це довести
• Феромагнітні елементи можуть стати постійно намагніченими
• Точка Кюрі: межа постійності магнітів
• Магнетит є феримагнітним, а не феромагнітним
• Антиферромагнетизм - ще один тип упорядкованого магнетизму

Магнетизм і електрика пов'язані настільки тісно, ​​що ви навіть можете вважати їх двома сторонами однієї монети. Магнітні властивості, виявлені деякими металами, є результатом 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, а це непарні електрони у їх зовнішніх оболонках. Ось лише один електростатичний рецепт магнетизму, і його найважливіший.

Діамагнетизм, парамагнетизм та феромагнетизм

Метали, які можна постійно намагнічувати, відомі як феромагнітний металів, і перелік цих металів невеликий. Назва походить від ferrum, латинське слово для заліза _._

Існує набагато довший перелік матеріалів, які є парамагнітний, що означає, що вони при тимчасовому намагнічуванні при наявності 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 діамагнітний, це означає, що вони виявляють незначне відштовхування магнітних полів, а звичайний магніт їх не приваблює. Насправді всі елементи та сполуки певною мірою діамагнітні.

Щоб зрозуміти відмінності між цими трьома класами магнетизму, ви повинні подивитися на те, що відбувається на атомному рівні.

Орбіти електронів створюють магнітне поле

У прийнятій в даний час моделі атома ядро ​​складається з позитивно заряджених протонів і електрично нейтральних нейтронів, утримуваних разом сильною силою, однією з основних сил природи. Хмара оточує ядро, хмара негативно заряджених електронів, що займають дискретні рівні енергії, або оболонки, і саме вони надають магнітні якості.

Орбітальний електрон генерує мінливе електричне поле, і відповідно до рівнянь Максвеллса, це рецепт магнітного поля. Величина поля дорівнює площі всередині орбіти, помноженій на струм. Окремий електрон генерує крихітний струм, а результуюче магнітне поле, яке вимірюється в одиницях, званих Борські магнітони, також крихітний. У типовому атомі поля, генеровані всіма його орбітальними електронами, як правило, скасовують одне одного.

Електронний спін впливає на магнітні властивості

Це не просто рух навколо електрона, який створює орбіту, а також інша властивість, відома як віджимання. Як виявляється, спін набагато важливіший для визначення магнітних властивостей, ніж орбітальний рух, тому що загальний спін в атомі швидше асиметричний і здатний створити магнітний момент.

Ви можете думати про спін як напрямок обертання електрона, хоча це лише приблизне наближення. Спін - це властива властивість електронів, а не стан руху. Електрон, який крутиться за годинниковою стрілкою позитивний спінабо обертатися вгору, тоді як той, який обертається проти годинникової стрілки, має негативний спінабо спинатися вниз.

Непарні електрони надають магнітні властивості

Спін електронів - це квантова механічна властивість без класичної аналогії, і він визначає розміщення електронів навколо ядра. Електрони розташовуються в парних закрутках і віджимах в кожній оболонці, щоб створити нульову сітку магнітний момент.

Електрони, відповідальні за створення магнітних властивостей, - це ті, що знаходяться у самій зовнішній частині, або валентність, оболонки атома. Взагалі присутність непарного електрона у зовнішній оболонці атомів створює чистий магнітний момент і надає магнітні властивості, тоді як атоми з парними електронами у зовнішній оболонці не мають чистого заряду і є діамагнітними. Це надмірне спрощення, оскільки валентні електрони можуть займати оболонки нижчої енергії в деяких елементах, зокрема залізі (Fe).

Все діамагнітно, включаючи деякі метали

Поточні петлі, створені орбітними електронами, роблять кожен матеріал діамагнітним, тому що при застосуванні магнітного поля всі струмові петлі вирівнюються протилежно йому та протиставляють поле. Це додаток Закон Ленца, де зазначено, що індуковане магнітне поле протистоїть полі, яке його створює. Якби спін електронів не ввійшов до рівняння, це було б кінцем історії, але спін все ж входить у нього.

Загальна магнітний момент J атома - це сума його орбітальний імпульс і його крутильний імпульс. Коли J = 0, атом немагнітний, а коли J≠ 0, атом магнітний, що відбувається, коли є хоча б один непарний електрон.

Отже, будь-який атом або з'єднання з повністю заповненими орбіталями є діамагнітним. Гелій та всі благородні гази - очевидні приклади, але деякі метали також діамагнітні. Ось кілька прикладів:

Діамагнетизм - це не чистий результат того, що одні атоми речовини перетягуються в один бік магнітним полем, а інші - в іншому напрямку. Кожен атом діамагнітного матеріалу є діамагнітним і відчуває таке ж слабке відштовхування до зовнішнього магнітного поля. Це відштовхування може створити цікаві ефекти. Якщо підвісити брусок діамагнітного матеріалу, такого як золото, у сильному магнітному полі, воно буде вирівнюватися перпендикулярно до поля.

Деякі метали парамагнітні

Якщо хоча б один електрон у зовнішній оболонці атома не має пар, атом має чистий магнітний момент, і він буде вирівнювати себе із зовнішнім магнітним полем. У більшості випадків вирівнювання втрачається при видаленні поля. Це парамагнітна поведінка, і сполуки можуть проявляти це як і елементи.

Деякі з найбільш поширених парамагнітних металів:

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 приваблює.

Ви не змогли забрати метал постійним магнітом, як би ви не старалися. Однак ви могли б виміряти магнітне поле, сформоване в металі, якби у вас був досить чутливий прилад. Якщо розміститись у магнітному полі достатньої сили, брусок парамагнітного металу вирівняється паралельно полю.

Кисень парамагнітний, і ви можете це довести

Коли ви думаєте про речовину, що має магнітні характеристики, ви, як правило, думаєте про метал, але кілька неметалів, такі як кальцій і кисень, також є парамагнітними. Ви можете продемонструвати парамагнітну природу кисню для себе простим експериментом.

Налийте рідкий кисень між полюсами потужного електромагніту, і кисень буде збиратися на полюсах і випаровуватися, утворюючи хмару газу. Спробуйте той же експеримент з рідким азотом, який не парамагнітний, і нічого не станеться.

Феромагнітні елементи можуть стати постійно намагніченими

Деякі магнітні елементи настільки сприйнятливі до зовнішніх полів, що вони піддаються намагніченості під впливом одного, і вони зберігають свої магнітні характеристики при видаленні поля. До таких феромагнітних елементів належать:

Ці елементи є феромагнітними, оскільки окремі атоми мають більше, ніж один парний електрон у своїх орбітальних оболонках. але там щось інше теж відбувається. Атоми цих елементів утворюють групи, відомі як домени, і коли ви вводите магнітне поле, домени вирівнюють себе з полем і залишаються вирівняними навіть після видалення поля. Ця затримка реакції відома як істерис, і це може тривати роками.

Деякі найсильніші постійні магніти відомі як рідкісні магніти Землі. Два найпоширеніших є неодим магніти, які складаються з комбінації неодиму, заліза та бору та кобальт самарію магніти, які є комбінацією цих двох елементів. У кожному типі магніту феромагнітний матеріал (залізо, кобальт) укріплений парамагнітним рідкоземельним елементом.

Ферит магніти, виготовлені із заліза, і alnico магніти, що виготовляються із комбінації алюмінію, нікелю та кобальту, як правило, слабкіші, ніж рідкісні магніти Землі. Це робить їх більш безпечними у використанні та більш придатними для наукових експериментів.

Точка Кюрі: межа постійності магнітів

Кожен магнітний матеріал має характерну температуру, вище якої він починає втрачати свої магнітні характеристики. Це відомо як Точка Кюрі, названий на честь П'єра Кюрі, французького фізика, який відкрив закони, що відносять магнітну здатність до температури. Над точкою Кюрі атоми у феромагнітному матеріалі починають втрачати свою вирівнювання, і матеріал стає парамагнітним або, якщо температура досить висока, діамагнітним.

Точка Кюрі для заліза становить 1418 F (770 C), а для кобальту - 1050 F (1121 C), що є однією з найвищих точок Кюрі. Коли температура падає нижче точки Кюрі, матеріал відновлює свої феромагнітні характеристики.

Магнетит є феримагнітним, а не феромагнітним

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

Феррімагнетизм магнетиту - це не сума магнітних моментів усіх атомів у матеріалі, що було б правдою, якби мінерал був феромагнітним. Його наслідком є ​​кристалічна структура самого мінералу.

Магнетит складається з двох окремих решітних структур, восьмигранної та чотиригранної. Дві структури мають протилежні, але неоднакові полярності, і ефект полягає у створенні чистого магнітного моменту. Інші відомі ферримагнітні сполуки включають гранат заліза ітрію та пірротит.

Антиферромагнетизм - ще один тип упорядкованого магнетизму

Нижче певної температури, яка називається " Температура Nel після французького фізика Луї Нееля деякі метали, сплави та іонні тверді речовини втрачають парамагнітні якості та стають несприйнятливими до зовнішніх магнітних полів. Вони по суті стають розмагніченими. Це відбувається тому, що іони в решітчастій структурі матеріалу вирівнюються в антипаралельних композиціях по всій структурі, створюючи протилежні магнітні поля, які скасовують один одного.

Температура Nel може бути дуже низькою, порядку -150 C (-240F), що робить сполуки парамагнітними для всіх практичних цілей. Однак деякі сполуки мають температуру Неля в межах кімнатної температури або вище.

При дуже низьких температурах антиферромагнітні матеріали не проявляють магнітної поведінки. З підвищенням температури частина атомів виривається з решітчастої структури і вирівнюється з магнітним полем, і матеріал стає слабко магнітним. Коли температура досягає температури Неля, цей парамагнетизм досягає свого піку, але в міру підвищення температури за цією точкою термічне збудження заважає атомам підтримувати їх вирівнювання з полем, і магнетизм стабільно відпадає.

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