Varför magneter inte påverkar vissa metaller

Innehåll

• Diamagnetism, Paramagnetism och Ferromagnetism
• Kretsar om elektroner Skapa ett magnetfält
• Elektronsnurr påverkar magnetiska egenskaper
• Oparade elektroner överför magnetiska egenskaper
• Allt är diamagnetiskt, inklusive några metaller
• Vissa metaller är paramagnetiska
• Syre är paramagnetiskt och du kan bevisa det
• Ferromagnetiska element kan bli permanent magnetiserade
• Curie Point: en begränsning till en magneter permanent
• Magnetit är ferrimagnetisk, inte ferromagnetisk
• Antiferromagnetism är en annan typ av ordnad magnetism

Magnetism och elektricitet är anslutna så intima att du till och med kan betrakta dem som två sidor av samma mynt. De magnetiska egenskaperna som visas av vissa metaller är ett resultat av elektrostatiska fältförhållanden i atomerna som komponerar metallen.

I själva verket har alla element magnetiska egenskaper, men de flesta visar dem inte på ett uppenbart sätt. Metallerna som lockas till magneter har en sak gemensamt och det är oparade elektroner i deras yttre skal. Det är bara ett elektrostatisk recept för magnetism, och det är det viktigaste.

Diamagnetism, Paramagnetism och Ferromagnetism

Metaller som du permanent kan magnetisera kallas ferromagnetiska metaller, och listan över dessa metaller är liten. Namnet kommer från ferrum, det latinska ordet för järn _._

Det finns en mycket längre lista över material som är paramagnetiska, vilket innebär att de tillfälligt magnetiseras när de är i närvaro av ett magnetfält. Paramagnetiska material är inte alla metaller. Vissa kovalenta föreningar, såsom syre (O₂) uppvisar paramagnetism, liksom vissa joniska fasta ämnen.

Alla material som inte är ferromagnetiska eller paramagnetiska är diamagnetiska, vilket innebär att de uppvisar en lätt avstötning mot magnetfält och att en vanlig magnet inte lockar dem. Egentligen är alla element och föreningar diamagnetiska till viss del.

För att förstå skillnaderna mellan dessa tre klasser av magnetism måste du titta på vad som händer på atomnivå.

Kretsar om elektroner Skapa ett magnetfält

I den för närvarande accepterade modellen av atomen består kärnan av positivt laddade protoner och elektriskt neutrala neutroner som hålls samman av den starka kraften, en av naturens grundläggande krafter. Ett moln av negativt laddade elektroner som upptar diskreta energinivåer eller skal omger kärnan, och det är dessa som förmedlar magnetiska egenskaper.

En kretsande elektron genererar ett växlande elektriskt fält, och enligt Maxwells ekvationer, det är receptet för ett magnetfält. Fältets storlek är lika med området inom banan multiplicerat med strömmen. En enskild elektron genererar en liten ström, och det resulterande magnetfältet, som mäts i anropade enheter Bohr magnetons, är också liten. I en typisk atom avbryter fälten som genereras av alla dess kretsande elektroner vanligtvis varandra ut.

Elektronsnurr påverkar magnetiska egenskaper

Det är inte bara den kretsande rörelsen av en elektron som skapar laddning, utan också en annan egenskap känd som snurra. Det visar sig att snurra är mycket viktigare för att bestämma magnetiska egenskaper än orbitalrörelse, eftersom det totala snurret i en atom är mer troligt att vara asymmetriskt och kan skapa ett magnetiskt ögonblick.

Du kan tänka på snurr som en elektronns rotationsriktning, även om detta bara är en grov tillnärmning. Spin är en inre egenskap hos elektroner, inte ett rörelsestillstånd. En elektron som snurrar medurs har positiv snurr, eller snurr upp, medan en som roterar moturs har negativ snurreller snurra ner.

Oparade elektroner överför magnetiska egenskaper

Elektronsnurr är en kvantmekanisk egenskap utan klassisk analogi och bestämmer placeringen av elektroner runt kärnan. Elektroner ordnar sig i spin-up- och spin-down-par i varje skal för att skapa nollnät magnetiskt ögonblick.

Elektronerna som ansvarar för att skapa magnetiska egenskaper är de yttersta, eller valens, skal av atomen. I allmänhet skapar närvaron av en oparad elektron i ett atoms yttre skal ett nätmagnetiskt moment och ger magnetiska egenskaper, medan atomer med parade elektroner i det yttre skalet har ingen nettoladdning och är diamagnetiska. Detta är en överförenkling, eftersom valenselektroner kan uppta lager av mindre energi i vissa element, särskilt järn (Fe).

Allt är diamagnetiskt, inklusive några metaller

De nuvarande öglorna som skapas av kretsande elektroner gör alla material diamagnetiska, eftersom när ett magnetfält appliceras, strömmar strömslingorna i motsats till det och motsätter sig fältet. Detta är en applikation av Lenzs lag, som säger att ett inducerat magnetfält motsätter sig fältet som skapar det. Om elektronspinn inte gick in i ekvationen, skulle det vara slutet på historien, men snurret kommer in i den.

Det totala magnetiskt ögonblick J av en atom är summan av dess vinkelriktad kretslopp och dess snurra vinkelmoment. När J = 0, atomen är icke-magnetisk och när J≠ 0, atomen är magnetisk, vilket händer när det finns minst en oparad elektron.

Följaktligen är varje atom eller förening med helt fyllda orbital diamagnetisk. Helium och alla ädla gaser är uppenbara exempel, men vissa metaller är också diamagnetiska. Här är några exempel:

Diamagnetism är inte nettoresultatet av att vissa atomer i ett ämne dras på ett sätt av ett magnetfält och andra dras i en annan riktning. Varje atom i ett diamagnetiskt material är diamagnetiskt och upplever samma svaga avstötning mot ett yttre magnetfält. Denna avstötning kan skapa intressanta effekter. Om du hängs en stång av ett diamagnetiskt material, som guld, i ett starkt magnetfält, kommer det att anpassa sig vinkelrätt mot fältet.

Vissa metaller är paramagnetiska

Om åtminstone en elektron i ett yttre skal av paret är i par, har atomen ett magnetiskt nettomoment och den kommer att anpassa sig till ett yttre magnetfält. I de flesta fall förloras justeringen när fältet tas bort. Detta är paramagnetiskt beteende, och föreningar kan visa det såväl som element.

Några av de vanligare paramagnetiska metallerna är:

Vissa metaller är så svagt paramagnetiska att deras svar på ett magnetfält knappast märks. Atomerna står i linje med ett magnetfält, men inriktningen är så svag att en vanlig magnet inte lockar den.

Du kunde inte plocka upp metallen med en permanent magnet, oavsett hur hårt du försökte. Men du skulle kunna mäta magnetfältet som genererats i metallen om du hade ett tillräckligt känsligt instrument. När den placeras i ett magnetfält med tillräcklig styrka kommer en stång av en paramagnetisk metall att anpassa sig parallellt med fältet.

Syre är paramagnetiskt och du kan bevisa det

När du tänker på ett ämne som har magnetiska egenskaper, tänker du i allmänhet på en metall, men några få icke-metaller, som kalcium och syre, är också paramagnetiska. Du kan demonstrera oxygens paramagnetiska natur för dig själv med ett enkelt experiment.

Häll flytande syre mellan polerna i en kraftfull elektromagnet, och syret samlas på polerna och förångas, vilket ger ett gasmoln. Prova samma experiment med flytande kväve, vilket inte är paramagnetiskt, och ingenting kommer att hända.

Ferromagnetiska element kan bli permanent magnetiserade

Vissa magnetiska element är så mottagliga för yttre fält att de blir magnetiserade när de utsätts för ett, och de behåller sina magnetiska egenskaper när fältet tas bort. Dessa ferromagnetiska element inkluderar:

Dessa element är ferromagnetiska eftersom enskilda atomer har mer än en oparad elektron i sina orbitalskal. men det finns också något annat på gång. Atomerna i dessa element bildar grupper som kallas domäner, och när du introducerar ett magnetfält anpassar domänerna sig till fältet och förblir inriktade, även efter att du har tagit bort fältet. Detta försenade svar kallas hysteres, och det kan pågå i åratal.

Några av de starkaste permanentmagneterna är kända som sällsynta jordartsmagneter. Två av de vanligaste är neodym magneter, som består av en kombination av neodym, järn och bor, och samarium kobolt magneter, som är en kombination av dessa två element. I varje typ av magnet befästs ett ferromagnetiskt material (järn, kobolt) av ett paramagnetiskt sällsynt jordelement.

Ferrit magneter, som är gjorda av järn, och alnico magneter, som är tillverkade av en kombination av aluminium, nickel och kobolt, är i allmänhet svagare än sällsynta jordartsmagneter. Detta gör dem säkrare att använda och lämpligare för vetenskapliga experiment.

Curie Point: en begränsning till en magneter permanent

Varje magnetiskt material har en karakteristisk temperatur över vilken det börjar förlora sina magnetiska egenskaper. Detta är känt som Curie punkt, uppkallad efter Pierre Curie, den franska fysikern som upptäckte lagarna som relaterar magnetisk förmåga till temperatur. Ovanför Curie-punkten börjar atomerna i ett ferromagnetiskt material att förlora sin inriktning, och materialet blir paramagnetiskt eller, om temperaturen är tillräckligt hög, diamagnetisk.

Curie-punkten för järn är 1418 F (770 C) och för kobolt dess 2.050 F (1.121 C), som är en av de högsta Curie-punkterna. När temperaturen faller under Curie-punkten, återfår materialet sina ferromagnetiska egenskaper.

Magnetit är ferrimagnetisk, inte ferromagnetisk

Magnetit, även känd som järnmalm eller järnoxid, är det gråsvart mineral med den kemiska formeln Fe₃O₄ det är råmaterialet för stål. Det uppför sig som ett ferromagnetiskt material och blir permanent magnetiserat när det utsätts för ett yttre magnetfält. Fram till mitten av det tjugonde århundradet antog alla att den var ferromagnetisk, men dess faktiskt ferrimagnetisktoch det finns en betydande skillnad.

Ferritagnetism av magnetit är inte summan av magnetiska moment för alla atomer i materialet, vilket skulle vara sant om mineralet var ferromagnetiskt. Det är en konsekvens av kristallstrukturen i själva mineralet.

Magnetiten består av två separata gallerstrukturer, en oktaedrisk en och en tetraedrisk. De två strukturerna har motsatta men ojämlika polariteter, och effekten är att producera ett netto magnetiskt ögonblick. Andra kända ferrimagnetiska föreningar inkluderar yttriumjärngranat och pyrrhotit.

Antiferromagnetism är en annan typ av ordnad magnetism

Under en viss temperatur, som kallas Néeltemperatur efter den franska fysikern Louis Néel förlorar vissa metaller, legeringar och joniska fasta ämnen sina paramagnetiska egenskaper och blir inte svarande på yttre magnetfält. De blir i princip demagnetiserade. Detta händer på grund av att joner i gitterstrukturen i materialet anpassar sig i antiparallella arrangemang i hela strukturen, vilket skapar motsatta magnetfält som avbryter varandra.

Néeltemperaturerna kan vara mycket låga i storleksordningen -150 C (-240F), vilket gör föreningarna paramagnetiska för alla praktiska ändamål. Vissa föreningar har emellertid Néeltemperaturer i området rumstemperatur eller högre.

Vid mycket låga temperaturer uppvisar antiferromagnetiska material inget magnetiskt beteende. När temperaturen stiger bryter en del av atomerna från gitterstrukturen och anpassar sig till magnetfältet och materialet blir svagt magnetiskt. När temperaturen når Néeltemperaturen når denna paramagnetism sin topp, men när temperaturen stiger utöver denna punkt förhindrar termisk omröring atomerna från att bibehålla sin anpassning till fältet och magnetismen sjunker stadigt av.

Inte många element är antiferromagnetiska - bara krom och mangan. Antiferromagnetiska föreningar inkluderar manganoxid (MnO), vissa former av järnoxid (Fe₂O₃) och vismutferrit (BiFeO₃).