Съдържание
- Диамагнетизъм, парамагнетизъм и феромагнетизъм
- Орбитите на електроните създават магнитно поле
- Електронният спин влияе върху магнитните свойства
- Неспарените електрони препоръчват магнитни свойства
- Всичко е диамагнитно, включително някои метали
- Някои метали са парамагнитни
- Кислородът е парамагнитен и можете да го докажете
- Феромагнитните елементи могат да станат постоянно намагнетизирани
- Точката Кюри: граница до постоянство на магнитите
- Магнетитът е феримагнетичен, а не феромагнетичен
- Антиферромагнетизмът е друг вид подреден магнетизъм
Магнетизмът и електричеството са свързани толкова интимно, че дори може да ги считате за две страни на една и съща монета. Магнитните свойства, проявени от някои метали, са резултат от условията на електростатично поле в атомите, които съставят метала.
Всъщност всички елементи имат магнитни свойства, но повечето не ги проявяват по очевиден начин. Металите, които са привлечени от магнити, имат едно общо нещо, а това са несдвоени електрони във външните им обвивки. Това е само една електростатична рецепта за магнетизъм и най-важната.
Диамагнетизъм, парамагнетизъм и феромагнетизъм
Метали, които можете постоянно да намагнетизирате, са известни като феромагнитен метали, а списъкът на тези метали е малък. Името идва от желязото, латинската дума за желязо _._
Има много по-дълъг списък от материали, които са парамагнитен, което означава, че те стават временно намагнетизирани, когато в присъствието на магнитно поле. Парамагнитните материали не са всички метали. Някои ковалентни съединения, като кислород (О2) проявяват парамагнетизъм, както правят някои йонни твърди вещества.
Всички материали, които не са феромагнитни или парамагнитни са диамагнитно, което означава, че проявяват леко отблъскване към магнитните полета, а обикновен магнит не ги привлича. Всъщност всички елементи и съединения в известна степен са диамагнитни.
За да разберете разликите между тези три класа магнетизъм, трябва да погледнете какво се случва на атомно ниво.
Орбитите на електроните създават магнитно поле
В приетия понастоящем модел на атома ядрото се състои от положително заредени протони и електрически неутрални неутрони, държани заедно от силната сила, една от основните сили на природата. Облак от отрицателно заредени електрони, заемащи дискретни енергийни нива или обвивки, заобикаля ядрото и това са тези, които придават магнитни качества.
Орбитиращият електрон генерира променящо се електрическо поле и според уравненията на Максвелс това е рецептата за магнитно поле. Величината на полето е равна на площта вътре в орбитата, умножена по тока. Отделен електрон генерира малък ток и полученото магнитно поле, което се измерва в наречени единици Бор магнитони, също е мъничко. В типичен атом полетата, генерирани от всичките му орбитни електрони, обикновено се отменят.
Електронният спин влияе върху магнитните свойства
Това не е само орбиталното движение на електрон, който създава заряд, но и друго свойство, известно като въртене, Както се оказва, спинът е много по-важен за определяне на магнитните свойства, отколкото орбиталното движение, тъй като цялостното завъртане в атом е по-вероятно да бъде асиметрично и способно да създава магнитен момент.
Можете да мислите за спина като посока на въртене на електрон, въпреки че това е само грубо приближение. Спинът е присъщо свойство на електроните, а не състояние на движение. Електрон, който се върти по часовниковата стрелка има положително завъртанеили се върти нагоре, докато има такава, която се върти обратно на часовниковата стрелка отрицателно въртенеили да се върти надолу.
Неспарените електрони препоръчват магнитни свойства
Спинът на електроните е квантово механично свойство без класическа аналогия и то определя поставянето на електрони около ядрото. Електроните се подреждат във въртящи се и въртящи се двойки във всяка обвивка, така че да се създаде нулева мрежа магнитен момент.
Електроните, отговорни за създаването на магнитни свойства, са тези в най-външната част, или валентност, черупки на атома. По принцип наличието на несдвоен електрон във външната обвивка на атома създава нетен магнитен момент и придава магнитни свойства, докато атомите с сдвоени електрони във външната обвивка нямат нетен заряд и са диамагнитни. Това е свръхпрост, тъй като валентните електрони могат да заемат обвивки с по-ниска енергия в някои елементи, особено в желязото (Fe).
Всичко е диамагнитно, включително някои метали
Сегашните бримки, създадени от орбитни електрони, правят всеки материал диамагнитен, защото когато се прилага магнитно поле, всички токови контури се подравняват в противоположност на него и се противопоставят на полето. Това е приложение на Закон на Ленц, която заявява, че индуцирано магнитно поле се противопоставя на полето, което го създава. Ако спинът на електроните не влезе в уравнението, това ще бъде края на историята, но спинът влиза в него.
Общият магнитен момент J на атом е сумата от него орбитален ъглов импулс и е въртене на ъгъл инерция, Кога J = 0, атомът е немагнитен и кога J≠ 0, атомът е магнитен, което се случва, когато има поне един неспарен електрон.
Следователно всеки атом или съединение с напълно запълнени орбитали е диамагнитно. Хелий и всички благородни газове са очевидни примери, но някои метали също са диамагнитни. Ето няколко примера:
Диамагнетизмът не е нетният резултат от това, че някои атоми в веществото се изтеглят по един път чрез магнитно поле, а други се изтеглят в друга посока. Всеки атом в диамагнетичен материал е диамагнетичен и изпитва същото слабо отблъскване към външно магнитно поле. Това отблъскване може да създаде интересни ефекти. Ако окачите лента от диамагнетичен материал, като например злато, в силно магнитно поле, тя ще се приведе перпендикулярно на полето.
Някои метали са парамагнитни
Ако поне един електрон в външната обвивка на атома не е сдвоен, атомът има нетен магнитен момент и той ще се приведе в съответствие с външно магнитно поле. В повечето случаи подравняването се губи, когато полето бъде премахнато. Това е парамагнитно поведение и съединенията могат да го проявяват, както и елементи.
Някои от по-често срещаните парамагнитни метали са:
Някои метали са толкова слабо парамагнитни, че реакцията им към магнитно поле почти не се забелязва. Атомите се подравняват с магнитно поле, но подравняването е толкова слабо, че обикновен магнит не го привлича.
Не можахте да вземете метала с постоянен магнит, колкото и да сте се старали. Въпреки това бихте могли да измерите магнитното поле, генерирано в метала, ако разполагате с достатъчно чувствителен инструмент. Когато се постави в магнитно поле с достатъчна якост, лента от парамагнитен метал ще се приведе в паралел с полето.
Кислородът е парамагнитен и можете да го докажете
Когато мислите за вещество с магнитни характеристики, обикновено мислите за метал, но няколко неметала, като калций и кислород, също са парамагнитни. Можете да демонстрирате кислород парамагнитна природа за себе си с обикновен експеримент.
Изсипете течен кислород между полюсите на мощен електромагнит и кислородът ще се събере по полюсите и ще се изпари, създавайки облак газ. Опитайте същия експеримент с течен азот, който не е парамагнетичен и нищо няма да се случи.
Феромагнитните елементи могат да станат постоянно намагнетизирани
Някои магнитни елементи са толкова податливи на външни полета, че се магнетизират, когато са изложени на едно, и поддържат своите магнитни характеристики, когато полето се отстрани. Тези феромагнитни елементи включват:
Тези елементи са феромагнитни, тъй като отделните атоми имат повече от един несдвоен електрон в своите орбитални обвивки. но там се случва и нещо друго. Атомите на тези елементи образуват групи, известни като домейнии когато въведете магнитно поле, домейните се подравняват с полето и остават подравнени, дори след като премахнете полето. Този забавен отговор е известен като хистерезис, и може да продължи с години.
Някои от най-силните постоянни магнити са известни като редки земни магнити, Две от най-разпространените са неодим магнити, които се състоят от комбинация от неодим, желязо и бор и самариев кобалт магнити, които са комбинация от тези два елемента. Във всеки тип магнит феромагнитен материал (желязо, кобалт) се подсилва от парамагнитен редкоземен елемент.
ферит магнити, които са изработени от желязо, и AlNiCo магнитите, които са произведени от комбинация от алуминий, никел и кобалт, като цяло са по-слаби от редки земни магнити. Това ги прави по-безопасни за използване и по-подходящи за научни експерименти.
Точката Кюри: граница до постоянство на магнитите
Всеки магнитен материал има характерна температура, над която започва да губи своите магнитни характеристики. Това е известно като Кюри точка, кръстен на Пиер Кюри, френския физик, който откри законите, които свързват магнитната способност с температурата. Над точката на Кюри атомите във феромагнетичен материал започват да губят подравняването си и материалът става парамагнитен или, ако температурата е достатъчно висока, диамагнитна.
Точката на Кюри за желязото е 1418 F (770 C), а за кобалт - 1050 F (1121 C), което е една от най-високите точки на Curie. Когато температурата падне под точката си Кюри, материалът възвръща своите феромагнитни характеристики.
Магнетитът е феримагнетичен, а не феромагнетичен
Магнетитът, известен още като желязна руда или железен оксид, е сиво-черният минерал с химическата формула Fe3О4 това е суровината за стоманата. Той се държи като феромагнетичен материал, ставайки постоянно намагнетизиран, когато е изложен на външно магнитно поле. До средата на ХХ век всички приемат, че е феромагнитна, но всъщност е нейната феромагнетичнатаи има значителна разлика.
Феримагнетизмът на магнетит не е сумата от магнитните моменти на всички атоми в материала, което би било вярно, ако минералът беше феромагнетичен. Неговата последица от кристалната структура на самия минерал.
Магнетитът се състои от две отделни решетъчни структури, октаедрична и тетраедрална. Двете структури имат противоположни, но неравномерни полярности и ефектът е да се получи нетен магнитен момент. Други известни феримагнитни съединения включват итриев железен гранат и пиротит.
Антиферромагнетизмът е друг вид подреден магнетизъм
Под определена температура, която се нарича Температура на Nel след френския физик Луи Неел някои метали, сплави и йонни твърди частици губят парамагнитните си качества и стават неотговорни на външните магнитни полета. Те по същество стават демагнетизирани. Това се случва, защото йони в решетъчната структура на материала се подравняват в антипаралелни разположения по цялата структура, създавайки противоположни магнитни полета, които се отменят взаимно.
Температурите на Nel могат да бъдат много ниски от порядъка на -150 С (-240F), което прави съединенията парамагнитни за всички практически цели. Някои съединения обаче имат температура на Nel в диапазона на стайната температура или по-висока.
При много ниски температури антиферромагнитните материали не проявяват магнитно поведение. С повишаването на температурата някои от атомите се освобождават от решетъчната структура и се приравняват към магнитното поле, а материалът става слабо магнитен. Когато температурата достигне температурата на Нел, този парамагнетизъм достига своя връх, но тъй като температурата се повишава отвъд тази точка, топлинното разбъркване пречи на атомите да поддържат подравняването си с полето и магнетизмът стабилно отпада.
Не много елементи са антиферромагнитни - само хром и манган. Антиферромагнитните съединения включват манганов оксид (MnO), някои форми на железен оксид (Fe2О3) и бисмутов ферит (BiFeO3).