Садржај
- Диамагнетизам, парамагнетизам и феромагнетизам
- Орбити електрона стварају магнетно поље
- Електронски окрет утиче на магнетна својства
- Непарни електрони дају магнетна својства
- Све је дијамагнетно, укључујући неке метале
- Неки метали су парамагнетни
- Кисеоник је парамагнетни и то можете доказати
- Феромагнетски елементи могу се трајно магнетизирати
- Тачка курије: граница сталности магнета
- Магнетит је ферримагнетни, а не феромагнетни
- Антиферромагнетизам је друга врста наређеног магнетизма
Магнетизам и електрична енергија повезани су тако присно да их чак можете сматрати двије стране исте кованице. Магнетна својства неких метала су резултат електростатичког поља у атомима који чине метал.
У ствари, сви елементи имају магнетна својства, али већина их не манифестује на очигледан начин. Метали које привлаче магнети имају једно заједничко, а то су непарни електрони у њиховим спољашњим љуштурама. То је само један електростатички рецепт за магнетизам, и то најважнији.
Диамагнетизам, парамагнетизам и феромагнетизам
Метали које можете трајно магнетизовати су познати феромагнетски метала, а листа ових метала је мала. Име потиче феррум, латинска реч за гвожђе _._
Постоји много дужа листа материјала који јесу парамагнетичан, што значи да се они магнетно поље привремено магнетизују. Парамагнетни материјали нису сви метали. Нека ковалентна једињења, као што је кисеоник (О)2) испољавају парамагнетизам, као и неки јонски чврсти остаци.
Сви материјали који нису феромагнетни или парамагнетни јесу дијамагнетски, што значи да показују мало одбијање магнетних поља, а обичан магнет их не привлачи. Заправо, сви елементи и једињења су до неке мере дијамагнетни.
Да бисте разумели разлике између ове три класе магнетизма, морате погледати шта се догађа на атомском нивоу.
Орбити електрона стварају магнетно поље
У тренутно прихваћеном моделу атома, језгро се састоји од позитивно наелектрисаних протона и електрично неутралних неутрона које држи заједно снажна сила, једна од основних сила природе. Облак негативно наелектрисаних електрона који заузимају дискретне енергетске нивое, или љуске, окружује језгро, а то су које дају магнетне квалитете.
Орбитујући електрон ствара променљиво електрично поље, а према Маквеллсовим једначинама, то је рецепт за магнетно поље. Јачина поља једнака је површини унутар орбите помноженој са струјом. Појединачни електрон ствара сићушну струју и резултирајуће магнетно поље које се мери у називима названим Борове магнетоне, такође је ситно. У типичном атому поља која генеришу сви њени орбитујући електрони углавном се отказују.
Електронски окрет утиче на магнетна својства
То није само кретање орбита електрона који ствара набој, већ и неко друго својство познато као завртети. Као што се испоставило, спиновање је много важније у одређивању магнетних својстава од орбиталног кретања, јер је вероватније да је спиновање атома асиметрично и способно да ствара магнетни тренутак.
О спину можете размишљати као о правцу ротације електрона, мада је то само груба апроксимација. Спин је својствено својство електрона, а не стање кретања. Електрона који се врти у смеру казаљке на сату позитивно спиновањеили завртите, док се онај који ротира у смеру супротном смеру казаљке на сату негативан спинили се окрећите доле.
Непарни електрони дају магнетна својства
Спин електрона је квантно механичко својство без класичне аналогије и оно одређује постављање електрона око језгра. Електрони се распоређују у спиновима који се врте и врте према доље у свакој љусци, тако да стварају нулту мрежу магнетни тренутак.
Електрони одговорни за стварање магнетних својстава су они који су у спољашњем делу, или валенција, љуске атома. Уопштено, присуство непарованог електрона у спољној љусци атома ствара нето магнетни момент и даје магнетна својства, док атоми са упареним електронима у спољној љусци немају нето набој и су дијамагнетни. Ово је превише поједностављење, јер валенски електрони могу да заузму љуске ниже енергије у неким елементима, посебно гвожђу (Фе).
Све је дијамагнетно, укључујући неке метале
Тренутне петље које стварају орбити електрона чине сваки материјал дијамагнетним, јер када се примењује магнетно поље, струјне петље се поравнавају у супротности са њим и супротстављају се пољу. Ово је апликација Лензс Лав, која каже да се индуковано магнетно поље супротставља пољу које га ствара. Ако спин електрона не уђе у једнаџбу, то би био крај приче, али спин у њу улази.
Укупна магнетни тренутак Ј атома је збир његовог атома орбитални угаони замах и његове спин угаоног замаха. Када Ј = 0, атом је немагнетни и када Ј= 0, атом је магнетни, што се догађа када постоји барем један парни електрон.
Сходно томе, сваки атом или једињење са потпуно испуњеним орбитама је дијамагнетно. Хелијум и сви племенити гасови су очигледни примери, али неки метали су такође дијамагнетни. Ево неколико примера:
Дијагнетизам није нето резултат неких атома у материји која се на један начин повлачи магнетним пољем, а друга се повлачи у другом правцу. Сваки атом дијамагнетног материјала је дијамагнетни и доживљава исто слабо одбијање према спољном магнетном пољу. Ово одбијање може створити занимљиве ефекте. Ако суспендујете шипку дијамагнетног материјала, попут злата, у јаком магнетном пољу, она ће се поравнати окомито на поље.
Неки метали су парамагнетни
Ако је бар један електрон у спољној љусци атома непопаран, атом има нето магнетни момент и он ће се поравнати са спољним магнетним пољем. У већини случајева поравнање се губи када се поље уклони. Ово је парамагнетно понашање и једињења га могу испољити као и елементе.
Неки од најчешћих парамагнетних метала су:
Неки метали су толико слабо парамагнетни да је њихов одговор на магнетно поље тешко приметљив. Атоми се поравнавају са магнетним пољем, али поравнање је толико слабо да га обичан магнет не привлачи.
Ниси могао покупити метал трајним магнетом, без обзира колико се трудио. Међутим, могли бисте измерити магнетно поље генерисано у металу ако имате довољно осетљив инструмент. Када се постави у магнетно поље довољне чврстоће, шипка парамагнетног метала ће се поравнати паралелно са пољем.
Кисеоник је парамагнетни и то можете доказати
Када мислите на супстанцу која има магнетне карактеристике, обично мислите на метал, али неколико неметала, као што су калцијум и кисеоник, такође су парамагнетни. Једноставним експериментом можете демонстрирати парамагнетну природу кисеоника за себе.
Сипајте течни кисеоник између полова снажног електромагнета и кисеоник ће се сакупљати на половима и испаравати, стварајући облак гаса. Покушајте исти експеримент са течним азотом, који није парамагнетни, и ништа се неће догодити.
Феромагнетски елементи могу се трајно магнетизирати
Неки магнетни елементи су толико подложни спољним пољима да се магнетизирају када су изложени једном, и задржавају своје магнетне карактеристике када се поље уклони. Ови феромагнетски елементи укључују:
Ови елементи су феромагнетски јер појединачни атоми имају више непарних електрона у својим орбиталним шкољкама. али тамо се дешава и нешто друго. Атоми ових елемената формирају групе познате као домени, а када уведете магнетно поље, домени се поравнавају са пољем и остају поравнати, чак и након што уклоните поље. Овај одгођени одговор познат је као хистериза, и може трајати годинама.
Неки од најјачих трајних магнета су познати као ретки земни магнети. Два најчешћа су неодим магнети који се састоје од комбинације неодимијума, гвожђа и бора и самаријум кобалт магнети, који су комбинација та два елемента. У свакој врсти магнета феромагнетни материјал (гвожђе, кобалт) учвршћен је парамагнетним реткоземним елементом.
Ферит магнети који су направљени од гвожђа и алницо магнети, који се праве од комбинације алуминијума, никла и кобалта, углавном су слабији од магнета ретке земље. То их чини сигурнијима за употребу и погоднијима за научне експерименте.
Тачка курије: граница сталности магнета
Сваки магнетни материјал има карактеристичну температуру изнад које почиње да губи магнетне карактеристике. То је познато као Цурие поента, названа по Пиерре Цуриеу, француском физичару који је открио законе који везују магнетну способност на температуру. Изнад Цурие-ове тачке атоми у феромагнетском материјалу почињу да губе поравнање, а материјал постаје парамагнетни или, ако је температура довољно висока, дијамагнетни.
Цурие тачка за гвожђе је 1418 Ф (770 Ц), а за кобалт 2.050 Ф (1,121 Ц), што је једно од највиших тачака Цурие. Када температура падне испод своје тачке Цурие, материјал враћа своје феромагнетне карактеристике.
Магнетит је ферримагнетни, а не феромагнетни
Магнетит, такође познат као гвожђа руда или гвожђе оксид, је сиво-црни минерал са хемијском формулом Фе3О4 то је сировина за челик. Понаша се попут феромагнетног материјала, постајући трајно магнетизован када је изложен спољном магнетном пољу. Све до средине двадесетог века, сви су претпостављали да је феромагнетна, али у ствари је ферримагнетици постоји значајна разлика.
Ферримагнетизам магнетита није збир магнетних момената свих атома у материји, што би било тачно када би минерал био феромагнетни. Последица је кристалне структуре самог минерала.
Магнетит се састоји од две одвојене решеткасте структуре, осмерокутне и тетраедарске. Две структуре имају супротне, али неједнаке поларитете, а ефекат је стварање нето магнетног момента. Остала позната ферримагнетна једињења укључују итријум гвожђе гранат и пиротидит.
Антиферромагнетизам је друга врста наређеног магнетизма
Испод одређене температуре која се назива и Неел температуре након француског физичара Лоуис Нелла, неки метали, легуре и јонске чврсте материје губе своје парамагнетне особине и постају неодговарајуће на спољна магнетна поља. У суштини постају демагнетизирани. То се дешава зато што се јони у решетканој структури материјала поравнавају у паралелним распоредима по целој структури, стварајући супротна магнетна поља која се поништавају.
Температуре Нел-а могу бити веома ниске, реда од -150 ° Ц (-240Ф), чинећи једињења парамагнетнима за све практичне сврхе. Међутим, нека једињења имају температуру Нел у опсегу собне температуре или више.
На врло ниским температурама, антиферромагнетни материјали не показују магнетно понашање. Како температура расте, неки се атоми ослобађају решеткасте структуре и поравнавају се са магнетним пољем, а материјал постаје магнетно слаб. Кад температура достигне температуру Нел-а, овај парамагнетизам достиже свој врхунац, али како температура расте изнад ове тачке, топлотна агитација спречава атоме да се ускладе са пољем, а магнетизам непрестано одустаје.
Није много елемената антиферромагнетско - само хром и манган. Антиферромагнетска једињења укључују манганов оксид (МнО), неке облике гвожђе-оксида (Фе2О3) и бизмут ферит (БиФеО)3).