Hvorfor magneter ikke har nogen indflydelse på nogle metaller

Indhold

• Diamagnetisme, Paramagnetisme og Ferromagnetisme
• Kredsløb om elektroner Opret et magnetfelt
• Elektronspin påvirker magnetiske egenskaber
• Uparrede elektroner overfører magnetiske egenskaber
• Alt er diamagnetisk, inklusive nogle metaller
• Nogle metaller er paramagnetiske
• Oxygen er paramagnetisk, og du kan bevise det
• Ferromagnetiske elementer kan blive permanent magnetiseret
• Curie-punktet: en grænse for en permanent varighed af magneter
• Magnetit er ferrimagnetisk, ikke ferromagnetisk
• Antiferromagnetisme er en anden type ordnet magnetisme

Magnetisme og elektricitet er forbundet så tæt, at du måske endda betragter dem som to sider af den samme mønt. De magnetiske egenskaber, der udvises af nogle metaller, er et resultat af elektrostatiske feltforhold i de atomer, der sammensætter metallet.

Faktisk har alle elementer magnetiske egenskaber, men de fleste manifesterer dem ikke på en åbenlys måde. De metaller, der tiltrækkes af magneter, har én ting til fælles, og det er uparrede elektroner i deres ydre skaller. Det er bare en elektrostatisk opskrift på magnetisme, og den er den vigtigste.

Diamagnetisme, Paramagnetisme og Ferromagnetisme

Metaller, som du permanent kan magnetisere, kaldes ferromagnetisk metaller, og listen over disse metaller er lille. Navnet kommer fra Ferrum, det latinske ord for jern _._

Der er en meget længere liste over materialer, som er paramagnetiske, hvilket betyder, at de midlertidigt magnetiseres, når de er i nærvær af et magnetfelt. Paramagnetiske materialer er ikke alle metaller. Nogle kovalente forbindelser, såsom ilt (O₂) udviser paramagnetisme, ligesom nogle ioniske faste stoffer.

Alle materialer, som ikke er ferromagnetiske eller paramagnetiske, er diamagnetisk, hvilket betyder, at de udviser en let frastødelse af magnetfelter, og en almindelig magnet tiltrækker dem ikke. Faktisk er alle elementer og forbindelser diamagnetiske til en vis grad.

For at forstå forskellene mellem disse tre klasser af magnetisme er du nødt til at se på hvad der foregår på atomniveau.

Kredsløb om elektroner Opret et magnetfelt

I den aktuelt accepterede atommodel består kernen af ​​positivt ladede protoner og elektrisk neutrale neutroner, der holdes sammen af ​​den stærke kraft, en af ​​de grundlæggende kræfter i naturen. En sky af negativt ladede elektroner, der optager diskrete energiniveau eller skaller, omgiver kernen, og det er disse, der bibringer magnetiske kvaliteter.

En kredsende elektron genererer et skiftende elektrisk felt, og ifølge Maxwells ligninger, det er opskriften på et magnetfelt. Størrelsen på marken er lig med området inden i bane ganget med strømmen. En individuel elektron genererer en lille strøm, og det resulterende magnetiske felt, der måles i kaldte enheder Bohr-magnetoner, er også lille. I et typisk atom annullerer felterne, der genereres af alle dets kredsløbende elektroner, hinanden generelt ud.

Elektronspin påvirker magnetiske egenskaber

Det er ikke kun den elektroniske bevægelse, der skaber ladning, men også en anden egenskab kendt som spin-. Som det viser sig, er spin meget vigtigere til bestemmelse af magnetiske egenskaber end orbitalbevægelse, fordi samlet spin i et atom er mere sandsynligt at være asymmetrisk og i stand til at skabe et magnetisk moment.

Du kan tænke på spin som rotationsretningen for et elektron, selvom dette kun er en grov tilnærmelse. Spin er en iboende egenskab ved elektroner, ikke en bevægelsestilstand. Et elektron, der drejer med uret, har positiv spin, eller drej op, mens en, der roterer mod uret, har negativ spin, eller drej ned.

Uparrede elektroner overfører magnetiske egenskaber

Elektronsnurr er en kvantemekanisk egenskab uden en klassisk analogi, og det bestemmer placeringen af ​​elektroner rundt om kernen. Elektroner arrangerer sig i spin-up og spin-down par i hver skal for at skabe nul net magnetisk øjeblik.

Elektronerne, der er ansvarlige for at skabe magnetiske egenskaber, er dem yderste, eller valens, skal af atomet. Generelt skaber tilstedeværelsen af ​​et parret elektron i et atoms yderskal et netmagnetisk moment og giver magnetiske egenskaber, medens atomer med parrede elektroner i den ydre skal ikke har nogen nettoladning og er diamagnetiske. Dette er en forenkling, fordi valenselektroner kan optage skaller med lavere energi i nogle elementer, især jern (Fe).

Alt er diamagnetisk, inklusive nogle metaller

De nuværende løkker, der er skabt af kredsløb af elektroner, gør ethvert materiale diamagnetisk, fordi når et magnetfelt påføres, justeres de nuværende løkker i modsætning til det og modsætter sig feltet. Dette er en anvendelse af Lenzs lov, der siger, at et induceret magnetfelt modsætter sig det felt, der skaber det. Hvis elektronspind ikke kom ind i ligningen, ville det være slutningen på historien, men spin kommer ind i den.

Det samlede magnetisk øjeblik J af et atom er summen af ​​det vinkelmoment i kredsløbet ogdet er spin vinkelmoment. Hvornår J = 0, atomet er ikke-magnetisk, og hvornår J≠ 0, atomet er magnetisk, hvilket sker, når der er mindst et uparret elektron.

Følgelig er ethvert atom eller forbindelse med fuldt udfyldte orbitaler diamagnetisk. Helium og alle ædelgasser er indlysende eksempler, men nogle metaller er også diamagnetiske. Her er et par eksempler:

Diamagnetisme er ikke nettoresultatet af, at nogle atomer i et stof trækkes en måde af et magnetfelt, og andre trækkes i en anden retning. Hvert atom i et diamagnetisk materiale er diamagnetisk og oplever den samme svage frastødning til et eksternt magnetfelt. Denne frastødning kan skabe interessante effekter. Hvis du hænger en stang af et diamagnetisk materiale, såsom guld, i et stærkt magnetfelt, justerer det sig vinkelret på feltet.

Nogle metaller er paramagnetiske

Hvis mindst en elektron i et atoms yderskal ikke er parret, har atomet et netto magnetisk moment, og det vil justere sig selv med et eksternt magnetfelt. I de fleste tilfælde går justeringen tabt, når feltet fjernes. Dette er paramagnetisk opførsel, og forbindelser kan udvise det såvel som elementer.

Nogle af de mere almindelige paramagnetiske metaller er:

Nogle metaller er så svagt paramagnetiske, at deres reaktion på et magnetfelt næppe er mærkbar. Atomerne er på linje med et magnetfelt, men justeringen er så svag, at en almindelig magnet ikke tiltrækker den.

Du kunne ikke hente metallet med en permanent magnet, uanset hvor hårdt du prøvede. Du ville dog være i stand til at måle det magnetiske felt, der genereres i metallet, hvis du havde et følsomt instrument nok. Når det placeres i et magnetfelt med tilstrækkelig styrke, vil en stang af et paramagnetisk metal rette sig parallelt med feltet.

Oxygen er paramagnetisk, og du kan bevise det

Når du tænker på et stof, der har magnetiske egenskaber, tænker du generelt på et metal, men nogle få ikke-metaller, såsom calcium og ilt, er også paramagnetiske. Du kan demonstrere oxygenser paramagnetisk natur for dig selv med et simpelt eksperiment.

Hell flydende ilt mellem polerne i en kraftig elektromagnet, og ilt opsamles på polerne og fordampes, hvilket producerer en sky af gas. Prøv det samme eksperiment med flydende nitrogen, som ikke er paramagnetisk, og intet vil ske.

Ferromagnetiske elementer kan blive permanent magnetiseret

Nogle magnetiske elementer er så modtagelige for eksterne felter, at de bliver magnetiserede, når de udsættes for et, og de opretholder deres magnetiske egenskaber, når feltet fjernes. Disse ferromagnetiske elementer inkluderer:

Disse elementer er ferromagnetiske, fordi individuelle atomer har mere end ét parret elektron i deres orbitalskaller. men der er også noget andet, der foregår. Atomerne i disse elementer danner grupper kendt som domæner, og når du introducerer et magnetfelt, justerer domænerne sig med feltet og forbliver på linje, også efter at du har fjernet feltet. Denne forsinkede reaktion kaldes hysterese, og det kan vare i årevis.

Nogle af de stærkeste permanente magneter er kendt som sjældne jord magneter. To af de mest almindelige er neodym magneter, der består af en kombination af neodym, jern og bor og samarium kobolt magneter, som er en kombination af disse to elementer. I hver type magnet er et ferromagnetisk materiale (jern, kobolt) befæstet af et paramagnetisk sjældent jordelement.

Ferrit magneter, der er lavet af jern, og alnico magneter, der er fremstillet af en kombination af aluminium, nikkel og kobolt, er generelt svagere end sjældne jordartsmagneter. Dette gør dem mere sikre at bruge og mere egnede til videnskabseksperimenter.

Curie-punktet: en grænse for en permanent varighed af magneter

Hvert magnetisk materiale har en karakteristisk temperatur, over hvilken det begynder at miste sine magnetiske egenskaber. Dette er kendt som Curie point, opkaldt efter Pierre Curie, den franske fysiker, der opdagede de love, der relaterer magnetisk evne til temperatur. Over Curie-punktet begynder atomerne i et ferromagnetisk materiale at miste deres justering, og materialet bliver paramagnetisk eller, hvis temperaturen er høj nok, diamagnetisk.

Curie-punktet for jern er 1418 F (770 C), og for kobolt er det 2.050 F (1.121 C), som er et af de højeste Curie-punkter. Når temperaturen falder under Curie-punktet, genvinder materialet dets ferromagnetiske egenskaber.

Magnetit er ferrimagnetisk, ikke ferromagnetisk

Magnetit, også kendt som jernmalm eller jernoxid, er det grå-sorte mineral med den kemiske formel Fe₃O₄ det er råmaterialet til stål. Det opfører sig som et ferromagnetisk materiale og bliver permanent magnetiseret, når det udsættes for et eksternt magnetfelt. Indtil midten af ​​det tyvende århundrede antog alle, at det var ferromagnetisk, men det er faktisk ferrimagnetiske, og der er en betydelig forskel.

Ferritagnetisme af magnetit er ikke summen af ​​magnetiske øjeblikke af alle atomer i materialet, hvilket ville være sandt, hvis mineralet var ferromagnetisk. Det er en konsekvens af krystallstrukturen af ​​selve mineralet.

Magnetit består af to separate gitterstrukturer, en oktaedral en og en tetraedrisk. De to strukturer har modsatte, men ulige polariteter, og virkningen er at frembringe et netto magnetisk moment. Andre kendte ferrimagnetiske forbindelser inkluderer yttrium-jerngarnat og pyrrhotit.

Antiferromagnetisme er en anden type ordnet magnetisme

Under en bestemt temperatur, der kaldes Néel temperatur efter den franske fysiker Louis Néel mister nogle metaller, legeringer og ioniske faste stoffer deres paramagnetiske egenskaber og bliver ikke reagerende på eksterne magnetfelter. De bliver i det væsentlige demagnetiserede. Dette sker, fordi ioner i gitterets struktur af materialet justeres i antiparallelle arrangementer i hele strukturen, hvilket skaber modsatte magnetiske felter, der annullerer hinanden.

Néeltemperaturer kan være meget lave i størrelsesordenen -150 C (-240F), hvilket gør forbindelserne paramagnetiske til alle praktiske formål. Nogle forbindelser har imidlertid Néel-temperaturer i området for stuetemperatur eller derover.

Ved meget lave temperaturer udviser antiferromagnetiske materialer ingen magnetisk opførsel. Når temperaturen stiger, bryder nogle af atomerne fri af gitterstrukturen og justerer sig med magnetfeltet, og materialet bliver svagt magnetisk. Når temperaturen når Néel-temperaturen, når denne paramagnetisme sit højdepunkt, men når temperaturen stiger ud over dette punkt, forhindrer termisk omrøring atomerne i at opretholde deres justering med marken, og magnetismen falder støt af.

Ikke mange elementer er antiferromagnetiske - kun krom og mangan. Antiferromagnetiske forbindelser inkluderer manganoxid (MnO), nogle former for jernoxid (Fe₂O₃) og vismutferrit (BiFeO₃).