Γιατί οι μαγνήτες δεν έχουν καμία επίδραση σε μερικά μέταλλα

Περιεχόμενο

• Διαμαγνητισμός, παραμαγνητισμός και σιδηρομαγνητισμός
• Τροχιά Ηλεκτρονίων Δημιουργία Μαγνητικού Πεδίου
• Η περιστροφή ηλεκτρονίων επηρεάζει τις μαγνητικές ιδιότητες
• Τα μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια προσδίδουν μαγνητικές ιδιότητες
• Όλα είναι διαμαγνητικά, συμπεριλαμβανομένων μερικών μέταλλα
• Ορισμένα μέταλλα είναι παραμαγνητικά
• Το οξυγόνο είναι παραμαγνητικό και μπορείτε να το αποδείξετε
• Τα σιδηρομαγνητικά στοιχεία μπορούν να γίνουν μόνιμα μαγνητισμένα
• Το σημείο Curie: ένα όριο για μια μόνιμη μαγνήτες
• Ο μαγνητίτης είναι φερριμαγνητικός, όχι σιδηρομαγνητικός
• Ο αντισφαιρομαγνητισμός είναι ένας άλλος τύπος παραγγελθέντος μαγνητισμού

Ο μαγνητισμός και ο ηλεκτρισμός συνδέονται τόσο στενά ώστε να τους θεωρήσετε ακόμη και δύο όψεις του ίδιου νομίσματος. Οι μαγνητικές ιδιότητες που επιδεικνύονται από μερικά μέταλλα είναι αποτέλεσμα καταστάσεων ηλεκτροστατικού πεδίου στα άτομα που συνθέτουν το μέταλλο.

Στην πραγματικότητα, όλα τα στοιχεία έχουν μαγνητικές ιδιότητες, αλλά οι περισσότεροι δεν τους εκδηλώνουν με προφανή τρόπο. Τα μέταλλα που έλκονται από τους μαγνήτες έχουν ένα κοινό πράγμα, και εκείνα τα μη συζευγμένα ηλεκτρόνια στο εξωτερικό τους κέλυφος. Αυτή είναι μόνο μια ηλεκτροστατική συνταγή για μαγνητισμό, και το πιο σημαντικό.

Διαμαγνητισμός, παραμαγνητισμός και σιδηρομαγνητισμός

Τα μέταλλα που μπορείτε να μαγνητίσετε μόνιμα είναι γνωστά ως σιδηρομαγνητική μέταλλα και ο κατάλογος αυτών των μετάλλων είναι μικρός. Το όνομα προέρχεται από σίδηρος, η λατινική λέξη για το σίδερο _._

Υπάρχει πολύ μακρύτερος κατάλογος των υλικών που είναι παραμαγνητικός, πράγμα που σημαίνει ότι γίνονται προσωρινά μαγνητισμένα όταν υπάρχει μαγνητικό πεδίο. Τα παραμαγνητικά υλικά δεν είναι όλα τα μέταλλα. Ορισμένες ομοιοπολικές ενώσεις, όπως το οξυγόνο (Ο₂) παρουσιάζουν παραμαγνητισμό, όπως και μερικά ιοντικά στερεά.

Όλα τα υλικά που δεν είναι σιδηρομαγνητικά ή παραμαγνητικά είναι διαμαγνητική, πράγμα που σημαίνει ότι επιδεικνύουν μια ελαφρά απωθήση στα μαγνητικά πεδία και ένας συνηθισμένος μαγνήτης δεν τις προσελκύει. Στην πραγματικότητα, όλα τα στοιχεία και οι ενώσεις είναι διαμαγνητικά σε κάποιο βαθμό.

Για να κατανοήσετε τις διαφορές μεταξύ αυτών των τριών τάξεων μαγνητισμού, πρέπει να εξετάσετε τι συμβαίνει στο ατομικό επίπεδο.

Τροχιά Ηλεκτρονίων Δημιουργία Μαγνητικού Πεδίου

Στο σήμερα αποδεκτό μοντέλο του ατόμου, ο πυρήνας αποτελείται από θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ηλεκτρικά ουδέτερα νετρόνια που συγκρατούνται από την ισχυρή δύναμη, μία από τις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης. Ένα σύννεφο αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων που καταλαμβάνουν διακεκριμένα επίπεδα ενέργειας, ή κελύφη, περιβάλλει τον πυρήνα, και αυτά προσδίδουν μαγνητικές ιδιότητες.

Ένα ηλεκτρόνιο τροχιάς παράγει ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο, και σύμφωνα με τις εξισώσεις Maxwells, αυτή είναι η συνταγή για ένα μαγνητικό πεδίο. Το μέγεθος του πεδίου είναι ίσο με την περιοχή εντός της τροχιάς που πολλαπλασιάζεται με το ρεύμα. Ένα μεμονωμένο ηλεκτρόνιο παράγει ένα μικροσκοπικό ρεύμα και το προκύπτον μαγνητικό πεδίο, το οποίο μετράται σε μονάδες που ονομάζονται Bohr μαγνητόνια, είναι επίσης μικροσκοπικό. Σε ένα τυπικό άτομο, τα πεδία που παράγονται από όλα τα ηλεκτρονικά της τροχιάς ακυρώνονται γενικά.

Η περιστροφή ηλεκτρονίων επηρεάζει τις μαγνητικές ιδιότητες

Δεν είναι μόνο η τροχιακή κίνηση ενός ηλεκτρονίου που δημιουργεί φορτίο, αλλά και μια άλλη ιδιότητα γνωστή ως γνέθω. Όπως αποδεικνύεται, η περιστροφή είναι πολύ πιο σημαντική για τον προσδιορισμό των μαγνητικών ιδιοτήτων από την τροχιακή κίνηση, επειδή η συνολική περιστροφή σε ένα άτομο είναι πιο πιθανό να είναι ασύμμετρη και ικανή να δημιουργήσει μια μαγνητική στιγμή.

Μπορείτε να σκεφτείτε την περιστροφή ως την κατεύθυνση της περιστροφής ενός ηλεκτρονίου, αν και αυτό είναι απλώς μια πρόχειρη προσέγγιση. Η περιστροφή είναι μια εγγενής ιδιότητα των ηλεκτρονίων, όχι μια κατάσταση κίνησης. Ένα ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται δεξιόστροφα έχει θετική περιστροφή, ή περιστρέψτε το, ενώ ένα που περιστρέφεται αριστερόστροφα έχει αρνητική περιστροφή, ή σπρώξτε προς τα κάτω.

Τα μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια προσδίδουν μαγνητικές ιδιότητες

Η περιστροφή ηλεκτρονίων είναι μια κβαντική μηχανική ιδιότητα χωρίς μια κλασική αναλογία και καθορίζει την τοποθέτηση ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια οργανώνονται σε spin-up και spin-down ζευγάρια σε κάθε κέλυφος έτσι ώστε να δημιουργήσουν μηδενική καθαρή μαγνητική στιγμή.

Τα ηλεκτρόνια που είναι υπεύθυνα για τη δημιουργία μαγνητικών ιδιοτήτων είναι αυτά που βρίσκονται στο εξώτατο, ή σθένος, κοχύλια του ατόμου. Γενικά, η παρουσία ενός μη ζευγαρωμένου ηλεκτρονίου σε ένα εξωτερικό κέλυφος των ατόμων δημιουργεί μια καθαρή μαγνητική ροπή και προσδίδει μαγνητικές ιδιότητες, ενώ τα άτομα με ζεύγη ηλεκτρονίων στο εξωτερικό κέλυφος δεν έχουν καθαρό φορτίο και είναι διαμαγνητικά. Αυτή είναι μια υπεραπλούστευση, επειδή τα ηλεκτρόνια σθένους μπορούν να καταλαμβάνουν χαμηλότερα ενεργειακά κελύφη σε ορισμένα στοιχεία, ιδιαίτερα σε σίδηρο (Fe).

Όλα είναι διαμαγνητικά, συμπεριλαμβανομένων μερικών μέταλλα

Οι σημερινοί βρόχοι που δημιουργούνται από τα ηλεκτρόνια σε τροχιά κάνουν κάθε υλικό διαμαγνητικό, διότι όταν εφαρμόζεται ένα μαγνητικό πεδίο, οι τρέχοντες βρόχοι ευθυγραμμίζονται σε αντιδιαστολή προς αυτό και αντιτίθενται στο πεδίο. Αυτή είναι μια εφαρμογή του Νόμος Lenzs, το οποίο δηλώνει ότι ένα επαγόμενο μαγνητικό πεδίο αντιτίθεται στο πεδίο που το δημιουργεί. Εάν η περιστροφή ηλεκτρονίων δεν εισέλθει στην εξίσωση, αυτό θα ήταν το τέλος της ιστορίας, αλλά το στύψιμο εισέρχεται σε αυτήν.

Η συνολική μαγνητική στιγμή J του ενός ατόμου είναι το άθροισμα του τροχιακή γωνιακή ορμή και είναι στροφορμή γωνιακή στροφή. Πότε J = 0, το άτομο είναι μη μαγνητικό, και πότε J≠ 0, το άτομο είναι μαγνητικό, το οποίο συμβαίνει όταν υπάρχει τουλάχιστον ένα μη ζευγαρωμένο ηλεκτρόνιο.

Συνεπώς, οποιοδήποτε άτομο ή ένωση με πλήρως γεμάτα τροχιακά είναι διαμαγνητικά. Το έλαιο και όλα τα ευγενή αέρια είναι προφανή παραδείγματα, αλλά μερικά μέταλλα είναι επίσης διαμαγνητικά. Ακολουθούν μερικά παραδείγματα:

Ο διαμαγνητισμός δεν είναι το καθαρό αποτέλεσμα ορισμένων ατόμων σε μια ουσία που τραβιέται με έναν τρόπο από ένα μαγνητικό πεδίο και άλλα τραβιούνται προς άλλη κατεύθυνση. Κάθε άτομο σε ένα διαμαγνητικό υλικό είναι διαμαγνητικό και βιώνει την ίδια αδύναμη απόρριψη σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Αυτή η απέχθεια μπορεί να δημιουργήσει ενδιαφέροντα αποτελέσματα. Αν αναστείλετε μια ράβδο από ένα διαμαγνητικό υλικό, όπως ο χρυσός, σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, θα ευθυγραμμιστεί κάθετα προς το πεδίο.

Ορισμένα μέταλλα είναι παραμαγνητικά

Αν τουλάχιστον ένα ηλεκτρόνιο στο εξωτερικό κέλυφος των ατόμων δεν έχει ζεύγη, το άτομο έχει μια καθαρή μαγνητική ροπή και θα ευθυγραμμιστεί με ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η ευθυγράμμιση χάνονται όταν αφαιρεθεί το πεδίο. Αυτή είναι η παραμαγνητική συμπεριφορά και οι ενώσεις μπορούν να το επιδείξουν καθώς και στοιχεία.

Μερικά από τα πιο κοινά παραμαγνητικά μέταλλα είναι:

Ορισμένα μέταλλα είναι τόσο αδύναμα παραμαγνητικά ώστε η ανταπόκρισή τους σε ένα μαγνητικό πεδίο είναι ελάχιστα αισθητή. Τα άτομα ευθυγραμμίζονται με ένα μαγνητικό πεδίο, αλλά η ευθυγράμμιση είναι τόσο αδύναμη που ένας συνηθισμένος μαγνήτης δεν την προσελκύει.

Δεν θα μπορούσατε να σηκώσετε το μέταλλο με ένα μόνιμο μαγνήτη, ανεξάρτητα από το πόσο σκληρά προσπαθήσατε. Ωστόσο, θα μπορούσατε να μετρήσετε το μαγνητικό πεδίο που δημιουργήθηκε στο μέταλλο εάν είχατε ένα αρκετά ευαίσθητο όργανο. Όταν τοποθετείται σε μαγνητικό πεδίο επαρκούς αντοχής, μια ράβδος ενός παραμαγνητικού μετάλλου θα ευθυγραμμιστεί παράλληλα με το πεδίο.

Το οξυγόνο είναι παραμαγνητικό και μπορείτε να το αποδείξετε

Όταν σκέφτεστε μια ουσία που έχει μαγνητικά χαρακτηριστικά, σκεφτείτε γενικά ένα μέταλλο, αλλά μερικά μη μέταλλα, όπως το ασβέστιο και το οξυγόνο, είναι επίσης παραμαγνητικά. Μπορείτε να επιδείξετε παραμαγνητική φύση οξυγόνου για τον εαυτό σας με ένα απλό πείραμα.

Ρίξτε υγρό οξυγόνο ανάμεσα στους πόλους ενός ισχυρού ηλεκτρομαγνήτη και το οξυγόνο θα συγκεντρωθεί στους πόλους και θα εξατμιστεί, δημιουργώντας ένα νέφος αερίου. Δοκιμάστε το ίδιο πείραμα με υγρό άζωτο, το οποίο δεν είναι παραμαγνητικό και τίποτα δεν θα συμβεί.

Τα σιδηρομαγνητικά στοιχεία μπορούν να γίνουν μόνιμα μαγνητισμένα

Ορισμένα μαγνητικά στοιχεία είναι τόσο ευαίσθητα σε εξωτερικά πεδία που μαγνητίζονται όταν εκτίθενται σε ένα και διατηρούν τα μαγνητικά χαρακτηριστικά τους όταν αφαιρείται το πεδίο. Αυτά τα σιδηρομαγνητικά στοιχεία περιλαμβάνουν:

Αυτά τα στοιχεία είναι σιδηρομαγνητικά επειδή τα μεμονωμένα άτομα έχουν περισσότερα από ένα μη συζευγμένα ηλεκτρόνια στα τροχιακά τους κοχύλια. αλλά υπάρχει και κάτι άλλο. Τα άτομα αυτών των στοιχείων σχηματίζουν ομάδες γνωστές ως τομείς, και όταν εισάγετε ένα μαγνητικό πεδίο, οι τομείς ευθυγραμμίζονται με το πεδίο και παραμένουν ευθυγραμμισμένοι, ακόμα και μετά την αφαίρεση του πεδίου. Αυτή η καθυστερημένη απάντηση είναι γνωστή ως υστερία, και μπορεί να διαρκέσει για χρόνια.

Μερικοί από τους ισχυρότερους μόνιμους μαγνήτες είναι γνωστοί ως μαγνήτες σπάνιων γαιών. Δύο από τα πιο κοινά είναι νεοδύμιο μαγνήτες, που αποτελούνται από συνδυασμό νεοδυμίου, σιδήρου και βορίου, και κοβάλτιο σαμαρίου μαγνήτες, οι οποίοι είναι ένας συνδυασμός αυτών των δύο στοιχείων. Σε κάθε τύπο μαγνήτη, ένα σιδηρομαγνητικό υλικό (σίδηρος, κοβάλτιο) εμπλουτίζεται από ένα παραμαγνητικό στοιχείο σπάνιας γης.

Φερρίτη μαγνήτες, οι οποίοι είναι κατασκευασμένοι από σίδηρο, και alnico οι μαγνήτες, οι οποίοι κατασκευάζονται από συνδυασμό αλουμινίου, νικελίου και κοβαλτίου, είναι γενικά ασθενέστεροι από τους μαγνήτες σπάνιων γαιών. Αυτό τους καθιστά ασφαλέστερους και πιο κατάλληλο για επιστημονικά πειράματα.

Το σημείο Curie: ένα όριο για μια μόνιμη μαγνήτες

Κάθε μαγνητικό υλικό έχει μια χαρακτηριστική θερμοκρασία πάνω από την οποία αρχίζει να χάνει τα μαγνητικά του χαρακτηριστικά. Αυτό είναι γνωστό ως Σημείο Curie, το όνομά του από τον Pierre Curie, τον Γάλλο φυσικό που ανακάλυψε τους νόμους που σχετίζονται με τη μαγνητική ικανότητα στη θερμοκρασία. Πάνω από το σημείο Curie, τα άτομα σε ένα σιδηρομαγνητικό υλικό αρχίζουν να χάνουν την ευθυγράμμισή τους και το υλικό γίνεται παραμαγνητικό ή, εάν η θερμοκρασία είναι αρκετά υψηλή, διαμαγνητική.

Το σημείο Curie για το σίδερο είναι 1418 F (770 C), και για το κοβάλτιο είναι 2.050 F (1.121 C), το οποίο είναι ένα από τα υψηλότερα σημεία του Curie. Όταν η θερμοκρασία πέσει κάτω από το σημείο Curie, το υλικό ανακτά τα σιδηρομαγνητικά χαρακτηριστικά του.

Ο μαγνητίτης είναι φερριμαγνητικός, όχι σιδηρομαγνητικός

Ο μαγνητίτης, επίσης γνωστός ως σιδηρομετάλλευμα ή οξείδιο του σιδήρου, είναι το γκρι-μαύρο μετάλλευμα με χημικό τύπο Fe₃Ο₄ που είναι η πρώτη ύλη για τον χάλυβα. Συμπεριφέρεται σαν ένα σιδηρομαγνητικό υλικό, που μαγνητίζεται μόνιμα όταν εκτίθεται σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Μέχρι τα μέσα του εικοστού αιώνα, όλοι θεωρούσαν ότι ήταν σιδηρομαγνητική, αλλά στην πραγματικότητα φερριμαγνητική, και υπάρχει μια σημαντική διαφορά.

Ο φερριμαγνητισμός του μαγνητίτη δεν είναι το άθροισμα των μαγνητικών στιγμών όλων των ατόμων του υλικού, πράγμα που θα ήταν αληθές αν το ορυκτό ήταν σιδηρομαγνητικό. Η συνέπεια της κρυσταλλικής δομής του ίδιου του ορυκτού.

Ο μαγνητίτης αποτελείται από δύο χωριστές δομές πλέγματος, οκταεδρικό και τετραεδρικό. Οι δύο δομές έχουν αντίθετες αλλά άνισες πολικότητες, και το αποτέλεσμα είναι να παράγει μια καθαρή μαγνητική ροπή. Άλλες γνωστές φερριμαγνητικές ενώσεις περιλαμβάνουν γρανάτη σιδήρου υττρίου και πυρροτίτη.

Ο αντισφαιρομαγνητισμός είναι ένας άλλος τύπος παραγγελθέντος μαγνητισμού

Κάτω από μια ορισμένη θερμοκρασία, η οποία ονομάζεται Θερμοκρασία Néel μετά το γαλλικό φυσικό Louis Néel, μερικά μέταλλα, κράματα και ιονικά στερεά χάνουν τις παραμαγνητικές τους ιδιότητες και δεν ανταποκρίνονται στα εξωτερικά μαγνητικά πεδία. Απομαγνητίζονται ουσιαστικά. Αυτό συμβαίνει επειδή τα ιόντα στη δομή πλέγματος του υλικού ευθυγραμμίζονται σε αντιπαράλληλες διατάξεις σε όλη τη δομή, δημιουργώντας αντίθετα μαγνητικά πεδία που αλληλοαναιρούνται.

Οι θερμοκρασίες Néel μπορούν να είναι πολύ χαμηλές, της τάξης των -150 C (-240F), καθιστώντας τις ενώσεις παραμαγνητικές για όλους τους πρακτικούς σκοπούς. Ωστόσο, μερικές ενώσεις έχουν θερμοκρασίες Néel στο εύρος της θερμοκρασίας δωματίου ή παραπάνω.

Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, τα αντισφαιρομαγνητικά υλικά δεν εμφανίζουν μαγνητική συμπεριφορά. Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, μερικά από τα άτομα σπάνε από τη δομή του πλέγματος και ευθυγραμμίζονται με το μαγνητικό πεδίο και το υλικό γίνεται ασθενώς μαγνητικό. Όταν η θερμοκρασία φτάσει στη θερμοκρασία του Néel, ο παραμαγνητισμός φθάνει στο ανώτατο σημείο του, αλλά καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται πέρα ​​από αυτό το σημείο, η θερμική ανάδευση εμποδίζει τα άτομα να διατηρήσουν την ευθυγράμμισή τους με το πεδίο και ο μαγνητισμός πέφτει σταθερά.

Πολλά στοιχεία δεν είναι αντισφαιρομαγνητικά - μόνο χρώμιο και μαγγάνιο. Οι αντισφαιρομαγνητικές ενώσεις περιλαμβάνουν το οξείδιο του μαγγανίου (MnO), ορισμένες μορφές οξειδίου του σιδήρου (Fe₂Ο₃) και φερρίτη βισμούθιου (BiFeO₃).