Sadržaj
- Dijamagnetizam, paramagnetizam i feromagnetizam
- Orbitujući elektroni stvaraju magnetsko polje
- Elektronski spin utječe na magnetska svojstva
- Neparni elektroni daju magnetska svojstva
- Sve je dijamagnetsko, uključujući neke metale
- Neki metali su paramagnetski
- Kisik je paramagnetni, i to možete dokazati
- Feromagnetski elementi mogu se trajno magnetizirati
- Curie točka: granica u postojanosti magneta
- Magnetit je ferrimagnetski, a ne feromagnetski
- Antiferromagnetizam je druga vrsta uređenog magnetizma
Magnetizam i električna energija povezani su toliko prisno da biste ih čak mogli smatrati dvije strane iste kovanice. Magnetska svojstva koja pokazuju neki metali rezultat su stanja elektrostatičkog polja u atomima koji čine metal.
Zapravo, svi elementi imaju magnetska svojstva, ali većina ih to ne očituje na očit način. Metali koje privlače magneti imaju jedno zajedničko, a to su neparni elektroni u njihovoj vanjskoj ljusci. To je samo jedan elektrostatički recept za magnetizam, i to najvažniji.
Dijamagnetizam, paramagnetizam i feromagnetizam
Metali koje možete trajno magnetizirati poznati su pod nazivom feromagnetski metala, a popis tih metala je mali. Ime potječe Ferrum, latinska riječ za željezo _._
Puno je duži popis materijala koji jesu paramagnetičan, što znači da se oni u prisutnosti magnetskog polja privremeno magnetiziraju. Paramagnetni materijali nisu svi metali. Neki kovalentni spojevi, kao što je kisik (O2) ispoljavaju paramagnetizam, kao i neki ionski kruti sastojci.
Svi materijali koji nisu feromagnetski ili paramagnetični su dijamagnetski, što znači da pokazuju blago odbijanje magnetskih polja, a običan magnet ih ne privlači. Zapravo su svi elementi i spojevi do neke mjere dijamagnetski.
Da biste razumjeli razlike između ove tri klase magnetizma, morate pogledati što se događa na atomskoj razini.
Orbitujući elektroni stvaraju magnetsko polje
U trenutno prihvaćenom modelu atoma, jezgro se sastoji od pozitivno nabijenih protona i električno neutralnih neutrona koje drži zajedno snažna sila, jedna od temeljnih sila prirode. Oblak negativno nabijenih elektrona koji zauzimaju diskretnu razinu energije, ili ljuske, okružuje jezgro, a to su koje daju magnetske kvalitete.
Elektroni u orbiti stvaraju promjenjivo električno polje, a prema Maxwellsovim jednadžbama to je recept za magnetsko polje. Jačina polja jednaka je površini unutar orbite pomnoženoj sa strujom. Pojedinačni elektron stvara sićušnu struju, a rezultirajuće magnetsko polje, koje se mjeri u nazivima jedinica Borove magnetone, je također sitno. U tipičnom atomu polja koja generiraju svi njeni orbitni elektroni uglavnom se otkazuju.
Elektronski spin utječe na magnetska svojstva
To nije samo kretanje orbita elektrona koje stvara naboj, već i neko drugo svojstvo poznato kao zavrtiti, Kako se ispostavilo, spin je mnogo važniji u određivanju magnetskih svojstava od orbitalnog gibanja, jer je vjerojatnost da je cjelokupno zavrtanje u atomu asimetrično i sposobno stvoriti magnetski trenutak.
Spin možete smatrati smjerom rotacije elektrona, iako je ovo samo gruba aproksimacija. Spin je svojstveno svojstvo elektrona, a ne stanje gibanja. Elektrona koji se vrti u smjeru kazaljke na satu ima pozitivan spinili zakretanje prema gore dok ima onaj koji se okreće u smjeru suprotnom od kazaljke na satu negativan spinili zakretanje prema dolje.
Neparni elektroni daju magnetska svojstva
Spin elektrona je kvantno mehaničko svojstvo bez klasične analogije, a ono određuje postavljanje elektrona oko jezgre. Elektroni se organiziraju u centrifugalne parove u svakoj ljusci kako bi stvorili nultu mrežu magnetski trenutak.
Elektroni odgovorni za stvaranje magnetskih svojstava su oni koji su u najudaljenijim dijelovima, ili valencija, ljuske atoma. Općenito, prisutnost nesparenog elektrona u vanjskoj ljusci atoma stvara neto magnetski trenutak i daje magnetska svojstva, dok atomi s uparenim elektronima u vanjskoj ljusci nemaju neto naboj i diamagnetski su. Ovo je previše pojednostavljenje, jer valencijski elektroni mogu zauzeti ljuske nižih energija u nekim elementima, posebno željezu (Fe).
Sve je dijamagnetsko, uključujući neke metale
Trenutne petlje koje stvaraju orbiti elektrona čine svaki materijal dijamagnetskim, jer kada se primijeni magnetsko polje, sve struje petlje poravnavaju se u suprotnosti s njim i suprotstavljaju se polju. Ovo je aplikacija od Lenzsov zakon, koja kaže da se inducirano magnetsko polje suprotstavlja polju koje ga stvara. Da spin elektrona nije ušao u jednadžbu, to bi bio kraj priče, ali spin u nju ulazi.
Ukupno magnetski trenutak J od atoma je zbroj njegovih atoma orbitalni kutni zamah I je centrifugalni zamah, Kada J = 0, atom je nemagnetni, a kada J≠ 0, atom je magnetski, što se događa kada postoji barem jedan neparni elektron.
Prema tome, svaki atom ili spoj s potpuno ispunjenim orbitama je dijamagnetski. Helij i svi plemeniti plinovi očigledni su primjeri, ali neki su metali također dijamagnetski. Evo nekoliko primjera:
Dijamagnetizam nije neto rezultat nekih atoma u jednoj tvari koja se magnetskim poljem povlači u jednom smjeru, a drugih se povlači u drugom smjeru. Svaki atom dijamagnetskog materijala je dijamagnetski i doživljava isto slabu odbojnost prema vanjskom magnetskom polju. To odbijanje može stvoriti zanimljive efekte. Ako suspendujete šipku dijamagnetskog materijala, poput zlata, u jakom magnetskom polju, ona će se poravnati okomito na polje.
Neki metali su paramagnetski
Ako je barem jedan elektron u vanjskoj ljusci atoma nespojen, atom ima neto magnetski trenutak i on će se uskladiti s vanjskim magnetskim poljem. U većini slučajeva poravnavanje se gubi kad se polje ukloni. To je paramagnetsko ponašanje, a spojevi ga mogu pokazati kao i elementi.
Neki od najčešćih paramagnetnih metala su:
Neki metali su toliko slabo paramagnetični da je njihov odgovor na magnetsko polje jedva primjetljiv. Atomi se poravnavaju s magnetskim poljem, ali poravnanje je toliko slabo da ga običan magnet ne privlači.
Nisi mogao pokupiti metal s trajnim magnetom, ma koliko se trudili. Međutim, mogli biste izmjeriti magnetsko polje generirano u metalu ako imate dovoljno osjetljiv instrument. Kad se postavi u magnetsko polje dovoljne čvrstoće, šipka paramagnetnog metala poravnat će se paralelno s poljem.
Kisik je paramagnetni, i to možete dokazati
Kad mislite na tvar koja ima magnetske karakteristike, obično mislite na metal, ali nekoliko nemetala, poput kalcija i kisika, također su paramagnetski. Jednostavnim eksperimentom možete demonstrirati paramagnetsku prirodu kisika za sebe.
Izlijte tekući kisik između polova snažnog elektromagneta, a kisik će se sakupljati na polovima i isparavati, stvarajući oblak plina. Pokušajte s istim eksperimentom s tekućim dušikom, koji nije paramagnetni, i ništa se neće dogoditi.
Feromagnetski elementi mogu se trajno magnetizirati
Neki su magnetski elementi toliko osjetljivi na vanjska polja da se kada se izlože jednom magnetiziraju, a magnetske karakteristike zadržavaju i nakon uklanjanja polja. Ti feromagnetski elementi uključuju:
Ti su elementi feromagnetski jer pojedinačni atomi imaju više neparnih elektrona u svojim orbitalnim školjkama. ali i tamo se događa nešto drugo. Atomi ovih elemenata tvore grupe poznate kao domena, i kada uvedete magnetsko polje, domene se poravnavaju s poljem i ostaju poravnate, čak i nakon što uklonite polje. Taj odgođeni odgovor poznat je kao histereza, a može trajati godinama.
Neki od najjačih trajnih magneta su poznati kao rijetki magneti zemlje, Dva su najčešća neodimij magneti, koji se sastoje od kombinacije neodima, željeza i bora i samarij kobalt magneti koji su kombinacija ta dva elementa. U svakoj vrsti magneta feromagnetski materijal (željezo, kobalt) ojačan je paramagnetskim elementom rijetke zemlje.
Ferit magneti, izrađeni od željeza i alnico legura magneti, koji se izrađuju iz kombinacije aluminija, nikla i kobalta, obično su slabiji od magneta s rijetkom zemljom. To ih čini sigurnijima za upotrebu i pogodnijima za znanstvene eksperimente.
Curie točka: granica u postojanosti magneta
Svaki magnetski materijal ima karakterističnu temperaturu iznad koje počinje gubiti magnetske karakteristike. To je poznato kao Curie točka, nazvana po Pierreu Curieu, francuskom fizičaru koji je otkrio zakone koji odnose magnetsku sposobnost na temperaturu. Iznad Curieove točke, atomi u feromagnetskom materijalu počinju gubiti poravnanje, a materijal postaje paramagnetni ili, ako je temperatura dovoljno visoka, dijamagnetski.
Curiejeva točka za željezo je 1418 F (770 C), a za kobalt 2050 F (1,121 C), što je jedno od najviših Curie bodova. Kad temperatura padne ispod točke Curie, materijal vraća svoja feromagnetska svojstva.
Magnetit je ferrimagnetski, a ne feromagnetski
Magnetit, također poznat kao željezna ruda ili željezov oksid, je sivo-crni mineral s kemijskom formulom Fe3O4 to je sirovina za čelik. Ponaša se poput feromagnetskog materijala i postaje trajno magnetiziran kada je izložen vanjskom magnetskom polju. Sve do sredine dvadesetog stoljeća svi su pretpostavljali da je feromagnetska, ali zapravo je ferimagnetski, i postoji značajna razlika.
Ferrimagnetizam magnetita nije zbroj magnetskih momenata svih atoma u materijalu, što bi bilo točno kada bi mineral bio feromagnetski. To je posljedica kristalne strukture samog minerala.
Magnetit se sastoji od dvije odvojene rešetkaste strukture, osmerokutne i tetraedarske. Dvije strukture imaju suprotne, ali nejednake polarnosti, a učinak je stvaranje neto magnetskog trenutka. Ostali poznati ferrimagnetni spojevi uključuju itrijum željezo i granat željeza.
Antiferromagnetizam je druga vrsta uređenog magnetizma
Ispod određene temperature koja se naziva i Nellova temperatura nakon francuskog fizičara Louisa Néela, neki metali, legure i ionske krute tvari gube svoje paramagnetske osobine i postaju neodgovarajuće na vanjska magnetska polja. Oni u osnovi postaju demagnetizirani. To se događa zato što se ioni u rešetkanoj strukturi materijala poravnavaju u paralelnim rasporedima po cijeloj strukturi, stvarajući suprotna magnetska polja koja se međusobno poništavaju.
Temperatura Nel-a može biti vrlo niska, u redoslijedu od -150 C (-240F), što čini spojeve paramagnetskim za sve praktične svrhe. Međutim, neki spojevi imaju temperaturu Neela u rasponu sobne temperature ili više.
Pri vrlo niskim temperaturama, antiferromagnetski materijali nemaju magnetsko ponašanje. Kako temperatura raste, neki se atomi oslobađaju rešetkaste strukture i poravnavaju se s magnetskim poljem, a materijal postaje magnetski slabo. Kad temperatura dosegne Néelovu temperaturu, ovaj paramagnetizam doseže svoj vrhunac, ali kako temperatura raste iznad ove točke, toplinsko miješanje sprečava atome da se usklade s poljem, a magnetizam neprestano odustaje.
Nije mnogo elemenata antiferromagnetsko - samo krom i mangan. Antiferromagnetski spojevi uključuju manganov oksid (MnO), neke oblike željezovog oksida (Fe2O3) i bizmut ferit (BiFeO3).