Innhold
- Diamagnetisme, Paramagnetisme og Ferromagnetisme
- Kretser rundt elektronene Lag et magnetfelt
- Elektronsnurr påvirker magnetiske egenskaper
- Uparede elektroner overfører magnetiske egenskaper
- Alt er diamagnetisk, inkludert noen metaller
- Noen metaller er paramagnetiske
- Oksygen er paramagnetisk, og du kan bevise det
- Ferromagnetiske elementer kan bli permanent magnetisert
- Curie Point: en grense for en permanent varighet
- Magnetitt er ferrimagnetisk, ikke ferromagnetisk
- Antiferromagnetisme er en annen type ordnet magnetisme
Magnetisme og elektrisitet er koblet så nært at du til og med kan betrakte dem som to sider av den samme mynten. De magnetiske egenskapene som vises av noen metaller, er et resultat av elektrostatiske feltforhold i atomene som komponerer metallet.
Faktisk har alle elementer magnetiske egenskaper, men de fleste manifesterer dem ikke på en åpenbar måte. Metallene som tiltrekkes av magneter har en ting til felles, og det er uparede elektroner i deres ytre skall. Det er bare en elektrostatisk oppskrift på magnetisme, og den er den viktigste.
Diamagnetisme, Paramagnetisme og Ferromagnetisme
Metaller som du kan magnetisere permanent, er kjent som ferromagnetisk metaller, og listen over disse metaller er liten. Navnet kommer fra Ferrum, det latinske ordet for jern _._
Det er en mye lengre liste over materialer som er paramagnetisk, noe som betyr at de midlertidig blir magnetisert når de er i nærvær av et magnetfelt. Paramagnetiske materialer er ikke alle metaller. Noen kovalente forbindelser, for eksempel oksygen (O2) utviser paramagnetisme, i likhet med noen ioniske faste stoffer.
Alle materialer som ikke er ferromagnetiske eller paramagnetiske diamagnetic, noe som betyr at de viser en liten frastøtning mot magnetfelt, og at en vanlig magnet ikke tiltrekker dem. Egentlig er alle elementer og forbindelser diamagnetiske til en viss grad.
For å forstå forskjellene mellom disse tre klassene av magnetisme, må du se på hva som skjer på atomnivå.
Kretser rundt elektronene Lag et magnetfelt
I den for tiden aksepterte atomenmodellen består kjernen av positivt ladede protoner og elektrisk nøytrale neutroner holdt sammen av den sterke kraften, en av de grunnleggende kreftene i naturen. En sky av negativt ladede elektroner som opptar separate energinivåer eller skjell, omgir kjernen, og det er disse som gir magnetiske kvaliteter.
Et kretsende elektron genererer et skiftende elektrisk felt, og i følge Maxwells ligninger, er det oppskriften på et magnetfelt. Størrelsen på feltet er lik området innenfor bane multiplisert med strømmen. Et individuelt elektron genererer en liten strøm, og det resulterende magnetfeltet, som måles i enheter som kalles Bohr magnetons, er også liten. I et typisk atom kansellerer felt som genereres av alle omløpselektronikkene hverandre generelt.
Elektronsnurr påvirker magnetiske egenskaper
Det er ikke bare den omløpende bevegelsen til et elektron som skaper ladning, men også en annen egenskap kjent som snurre rundt. Det viser seg at spinn er mye viktigere når det gjelder å bestemme magnetiske egenskaper enn orbital bevegelse, fordi generell spinn i et atom er mer sannsynlig å være asymmetrisk og i stand til å skape et magnetisk moment.
Du kan tenke på spinn som rotasjonsretningen til et elektron, selv om dette bare er en grov tilnærming. Spin er en iboende egenskap til elektroner, ikke en bevegelsestilstand. Et elektron som snurrer med klokken har positivt spinn, eller spinn opp, mens en som roterer mot klokken har negativ spinneller snurr ned.
Uparede elektroner overfører magnetiske egenskaper
Elektronsnurr er en kvantemekanisk egenskap uten en klassisk analogi, og den bestemmer plasseringen av elektroner rundt kjernen. Elektroner ordner seg i spin-up og spin-down par i hvert skall for å skape null nett magnetisk øyeblikk.
Elektronene som er ansvarlige for å skape magnetiske egenskaper er de ytterst, eller valens, skjell av atomet. Generelt skaper tilstedeværelsen av et uparret elektron i et atoms ytre skall et nettomagnetisk moment og gir magnetiske egenskaper, mens atomer med sammenkoblede elektroner i det ytre skallet ikke har noen nettladning og er diamagnetiske. Dette er en forenkling, fordi valenselektroner kan oppta skjell med lavere energi i noen elementer, spesielt jern (Fe).
Alt er diamagnetisk, inkludert noen metaller
De nåværende løkkene som er opprettet ved å gå i bane rundt elektronene, gjør hvert materiale diamagnetisk, fordi når et magnetfelt påføres, stemmer strømstrømmen i motsetning til det og motsetter seg feltet. Dette er en applikasjon av Lenzs lov, som sier at et indusert magnetfelt motsetter seg feltet som skaper det. Hvis elektronspinn ikke kom inn i ligningen, ville det være slutten på historien, men spinn inn i den.
Totalen magnetisk øyeblikk J av et atom er summen av det vinkelmoment i bane og dets spin vinkelmoment. Når J = 0, atomet er ikke-magnetisk, og når J≠ 0, atomet er magnetisk, noe som skjer når det er minst ett uparmet elektron.
Følgelig er ethvert atom eller forbindelse med fullstendig fylte orbital diamagnetisk. Helium og alle edle gasser er åpenbare eksempler, men noen metaller er også diamagnetiske. Her er noen eksempler:
Diamagnetisme er ikke nettoresultatet av atomer i et stoff trekkes en vei av et magnetfelt og andre blir trukket i en annen retning. Hvert atom i et diamagnetisk materiale er diamagnetisk og opplever den samme svake frastøtningen til et eksternt magnetfelt. Denne frastøtningen kan skape interessante effekter. Hvis du henger en stang av et diamagnetisk materiale, for eksempel gull, i et sterkt magnetfelt, vil det rette seg vinkelrett på feltet.
Noen metaller er paramagnetiske
Hvis minst ett elektron i et atoms ytre skall er uparret, har atomet et magnetisk nettomagnet, og det vil samkjøre seg med et eksternt magnetfelt. I de fleste tilfeller går justeringen tapt når feltet fjernes. Dette er paramagnetisk oppførsel, og forbindelser kan utvise det så vel som elementer.
Noen av de mer vanlige paramagnetiske metaller er:
Noen metaller er så svakt paramagnetiske at deres respons på et magnetfelt knapt merkes. Atomene stemmer overens med et magnetfelt, men justeringen er så svak at en vanlig magnet ikke tiltrekker seg den.
Du kunne ikke hente metallet med en permanent magnet, uansett hvor hardt du prøvde. Imidlertid ville du være i stand til å måle magnetfeltet som ble generert i metallet hvis du hadde et følsomt nok instrument. Når den er plassert i et magnetfelt med tilstrekkelig styrke, vil en stang av et paramagnetisk metall rette seg parallelt med feltet.
Oksygen er paramagnetisk, og du kan bevise det
Når du tenker på et stoff som har magnetiske egenskaper, tenker du generelt på et metall, men noen få ikke-metaller, som kalsium og oksygen, er også paramagnetiske. Du kan demonstrere oksygener som er paramagnetisk for deg selv med et enkelt eksperiment.
Hell flytende oksygen mellom polene i en kraftig elektromagnet, og oksygenet vil samle seg på polene og fordampe, og produsere en sky av gass. Prøv det samme eksperimentet med flytende nitrogen, som ikke er paramagnetisk, og ingenting vil skje.
Ferromagnetiske elementer kan bli permanent magnetisert
Noen magnetiske elementer er så mottagelige for ytre felt at de blir magnetisert når de blir utsatt for et, og de opprettholder sine magnetiske egenskaper når feltet fjernes. Disse ferromagnetiske elementene inkluderer:
Disse elementene er ferromagnetiske fordi individuelle atomer har mer enn ett uparmet elektron i orbitalskjellene sine. men det er noe annet som skjer, også. Atomene til disse elementene danner grupper kjent som domener, og når du introduserer et magnetfelt, justerer domenene seg med feltet og forblir på linje, selv etter at du har fjernet feltet. Denne forsinkede responsen er kjent som hysteresekurve, og det kan vare i flere år.
Noen av de sterkeste permanente magnetene er kjent som sjeldne jordmagneter. To av de vanligste er neodym magneter, som består av en kombinasjon av neodym, jern og bor, og samarium kobolt magneter, som er en kombinasjon av disse to elementene. I hver type magnet er et ferromagnetisk materiale (jern, kobolt) befestet av et paramagnetisk sjeldent jordelement.
ferrite magneter, som er laget av jern, og alnico magneter, som er laget av en kombinasjon av aluminium, nikkel og kobolt, er generelt svakere enn sjeldne jordartsmagneter. Dette gjør dem tryggere å bruke og mer egnet for vitenskapelige eksperimenter.
Curie Point: en grense for en permanent varighet
Hvert magnetisk materiale har en karakteristisk temperatur over hvilken det begynner å miste sine magnetiske egenskaper. Dette er kjent som Curie poeng, oppkalt etter Pierre Curie, den franske fysikeren som oppdaget lovene som relaterer magnetisk evne til temperatur. Over Curie-punktet begynner atomene i et ferromagnetisk materiale å miste sin innretning, og materialet blir paramagnetisk eller, hvis temperaturen er høy nok, diamagnetisk.
Curie-punktet for jern er 1470 F (770 C), og for kobolt er det 1150 F (1,121 C), som er et av de høyeste Curie-punktene. Når temperaturen faller under Curie-punktet, gjenvinner materialet sine ferromagnetiske egenskaper.
Magnetitt er ferrimagnetisk, ikke ferromagnetisk
Magnetitt, også kjent som jernmalm eller jernoksid, er det grå-svarte mineralet med den kjemiske formelen Fe3O4 det er råstoffet for stål. Det oppfører seg som et ferromagnetisk materiale og blir permanent magnetisert når det utsettes for et eksternt magnetfelt. Fram til midten av det tjuende århundre antok alle at den var ferromagnetisk, men faktisk ferrimagnetisk, og det er en betydelig forskjell.
Ferrimagnetisme av magnetitt er ikke summen av magnetiske momenter av alle atomene i materialet, noe som ville være sant hvis mineralet var ferromagnetisk. Det er en konsekvens av krystallstrukturen i selve mineralet.
Magnetitt består av to separate gitterstrukturer, en oktaedrisk en og en tetraedrisk. De to strukturene har motsatte, men ulik polaritet, og effekten er å produsere et nettomagnetisk moment. Andre kjente ferrimagnetiske forbindelser inkluderer yttrium jerngranat og pyrrhotitt.
Antiferromagnetisme er en annen type ordnet magnetisme
Under en viss temperatur, som kalles Néeltemperatur etter den franske fysikeren Louis Néel, mister noen metaller, legeringer og joniske faste stoffer sine paramagnetiske egenskaper og blir ikke reagerer på eksterne magnetfelt. De blir i hovedsak demagnetisert. Dette skjer fordi ioner i gitterstrukturen i materialet samkjører seg i antiparallelle arrangementer i hele strukturen, og skaper motsatte magnetiske felt som avbryter hverandre.
Néeltemperaturene kan være veldig lave i størrelsesorden -150 C (-240F), noe som gjør forbindelsene paramagnetiske for alle praktiske formål. Noen forbindelser har imidlertid Nel-temperaturer i området romtemperatur eller over.
Ved meget lave temperaturer utviser antiferromagnetiske materialer ingen magnetisk oppførsel. Når temperaturen stiger, bryter noen av atomene fri fra gitterstrukturen og justerer seg med magnetfeltet, og materialet blir svakt magnetisk. Når temperaturen når Néel-temperaturen, når denne paramagnetismen sitt høydepunkt, men når temperaturen stiger utover dette punktet, forhindrer termisk omrøring atomene i å opprettholde sin justering med feltet, og magnetismen synker jevnt av.
Ikke mange elementer er antiferromagnetisk - bare krom og mangan. Antiferromagnetiske forbindelser inkluderer manganoksid (MnO), noen former for jernoksid (Fe2O3) og vismutferrit (BiFeO3).