Sisältö
- Diamagnetismi, paramagnetismi ja ferromagnetizmi
- Kiertävät elektronit luovat magneettikentän
- Elektronisuuntaus vaikuttaa magneettisiin ominaisuuksiin
- Parittomat elektronit antavat magneettisia ominaisuuksia
- Kaikki on diamagneettista, mukaan lukien jotkut metallit
- Jotkut metallit ovat paramagneettisia
- Happi on paramagneettinen, ja voit todistaa sen
- Ferromagneettisista elementeistä voi tulla pysyvästi magnetoituneita
- Curie-piste: Rajoitus magneettien pysyvyydelle
- Magnetiitti on ferrimagneettinen, ei ferromagneettinen
- Antiferromagneettisuus on toinen tilatun magneettin tyyppi
Magnetismi ja sähkö ovat yhteydessä toisiinsa niin läheisesti, että saatat jopa pitää niitä saman kolikon molemmin puolin. Joidenkin metallien osoittamat magneettiset ominaisuudet ovat seurausta metallin muodostavien atomien sähköstaattisista kenttäolosuhteista.
Itse asiassa kaikilla elementeillä on magneettisia ominaisuuksia, mutta useimmat eivät ilmennä niitä ilmeisellä tavalla. Metalleilla, jotka vetävät magneetteja, on yksi yhteinen asia, ja niiden ulkokuoressa on parittomat elektronit. Se on vain yksi sähköstaattinen resepti magnetismille, ja se on tärkein.
Diamagnetismi, paramagnetismi ja ferromagnetizmi
Metallit, joita voit pysyvästi magnetoida, tunnetaan nimellä ferromagneettisia metalleja, ja näiden metallien luettelo on pieni. Nimi tulee Ferrum, latinan kielen rauta _._
Materiaaleja, jotka ovat, on paljon pidempi luettelo paramagneettinen, mikä tarkoittaa, että ne muuttuvat väliaikaisesti magnetoituneiksi magneettikentän ollessa läsnä. Paramagneettisissa materiaaleissa ei ole kaikkia metalleja. Jotkut kovalenttiset yhdisteet, kuten happi (O2) osoittavat paramagnetismia, kuten jotkut ioniset kiinteät aineet.
Kaikki materiaalit, jotka eivät ole ferromagneettisia tai paramagneettisia, ovat diamagneettisesta, mikä tarkoittaa, että ne osoittavat lievää heijastumista magneettikenttiin, ja tavallinen magneetti ei houkuttele niitä. Itse asiassa kaikki elementit ja yhdisteet ovat jossain määrin diamagneettisia.
Ymmärtääksesi eroja näiden kolmen magnetismiluokan välillä sinun on tarkasteltava mitä tapahtuu atomitasolla.
Kiertävät elektronit luovat magneettikentän
Atomin tällä hetkellä hyväksytyssä mallissa ydin koostuu positiivisesti varautuneista protoneista ja sähköisesti neutraaleista neutroneista, joita pitää yhdessä voimakas voima, yksi luonnon perustavoimista. Negatiivisesti varautuneiden elektronien pilvi, joka miehittää erilliset energiatasot, tai kuoret, ympäröivät ytimen, ja nämä antavat magneettisia ominaisuuksia.
Kiertävä elektroni tuottaa muuttuvan sähkökentän, ja Maxwellin yhtälöiden mukaan tämä on resepti magneettikentälle. Kentän suuruus on yhtä suuri kuin kiertoradan sisäinen pinta kerrottuna virralla. Yksittäinen elektroni generoi pienen virran ja tuloksena olevan magneettikentän, joka mitataan yksiköissä, joita kutsutaan Bohr-magnetonit, on myös pieni. Tyypillisessä atomissa kaikkien sen kiertävien elektronien muodostamat kentät yleensä kumoavat toisensa.
Elektronisuuntaus vaikuttaa magneettisiin ominaisuuksiin
Se ei ole vain elektronin kiertävä liike, joka luo varauksen, vaan myös toinen ominaisuus, joka tunnetaan nimellä pyöräyttää. Kuten osoittautuu, spinillä on paljon tärkeämpi merkitys magneettisten ominaisuuksien määrittämisessä kuin kiertoradan liikkeellä, koska atomin kokonais spin on todennäköisemmin epäsymmetrinen ja pystyy luomaan magneettisen momentin.
Voit ajatella spinää kuin elektronin pyörimissuuntaa, vaikka tämä on vain karkea arvio. Spin on elektronien luontainen ominaisuus, ei liiketila. Elektroni, joka pyörii myötäpäivään, on positiivinen spintai pyöritä ylöspäin, kun taas vastapäivään kiertävällä on negatiivinen spin, tai spin alas.
Parittomat elektronit antavat magneettisia ominaisuuksia
Elektroni spin on kvanttimekaaninen ominaisuus ilman klassista analogiaa, ja se määrää elektronien sijoittumisen ytimen ympärille. Elektronit järjestäytyvät spin-up- ja spin-down-pareihin jokaisessa kuoressa nollaverkon luomiseksi magneettinen momentti.
Magneettisten ominaisuuksien luomisesta vastaavat elektronit ovat syrjäisimpiä tai valenssi, atomin kuoret. Yleensä parittoman elektronin läsnäolo atomien ulkokuoressa luo nettomagneettisen momentin ja antaa magneettisia ominaisuuksia, kun taas ulkokuoressa, jossa on parilliset elektronit, atomilla ei ole nettovarausta ja ne ovat diamagneettisia. Tämä on yksinkertaistamista, koska valenssielektronit voivat miehittää joidenkin elementtien, etenkin raudan (Fe), alhaisemmat energiakuoret.
Kaikki on diamagneettista, mukaan lukien jotkut metallit
Kiertävien elektronien luomat nykyiset silmukat tekevät jokaisesta materiaalista diamagneettisen, koska magneettikentän ollessa käytössä virtapiirit kohdistuvat kaikki sitä vastoin ja vastustavat kenttää. Tämä on sovellus Lenzs-laki, joka ilmoittaa, että indusoitu magneettikenttä vastustaa sitä luovan kentän. Jos elektronin spin ei päässyt yhtälöön, se olisi tarinan loppu, mutta spin tulee siihen.
Yhteensä magneettinen momentti J atomin määrä on sen summa kiertoradan kulmaliike ja se on spin kulmaliike. Kun J = 0, atomi ei ole magneettinen, ja kun J≠ 0, atomi on magneettinen, mikä tapahtuu, kun on ainakin yksi pariton elektroni.
Niinpä mikä tahansa atomi tai yhdiste, jolla on täysin täytetyt orbitaalit, on diamagneettinen. Helium ja kaikki jalokaasut ovat ilmeisiä esimerkkejä, mutta myös jotkut metallit ovat diamagneettisia. Tässä on muutama esimerkki:
Diamagnetismi ei ole nettotulosta, että jotkut aineen atomit vetävät magneettikentän toisinpäin ja toiset vedetään toiseen suuntaan. Jokainen diamagneettisen materiaalin atomi on diamagneettinen ja kokee saman heikon vasteen ulkoiselle magneettikentälle. Tämä torjunta voi luoda mielenkiintoisia vaikutuksia. Jos ripustat diamagneettisen materiaalin, kuten kullan, palkin voimakkaaseen magneettikenttään, se kohdistuu kohtisuoraan kenttään nähden.
Jotkut metallit ovat paramagneettisia
Jos ainakin yksi elektroni atomin ulkokuoressa on pariton, atomilla on nettomagneettinen momentti, ja se kohdistuu ulkoisen magneettikentän kanssa. Useimmissa tapauksissa kohdistus häviää, kun kenttä poistetaan. Tämä on paramagneettinen käyttäytyminen, ja yhdisteet voivat osoittaa sen samoin kuin elementtejä.
Jotkut yleisimmistä paramagneettisista metalleista ovat:
Jotkut metallit ovat niin heikosti paramagneettisia, että niiden vaste magneettikentään on tuskin havaittavissa. Atomit kohdistuvat magneettikentän kanssa, mutta kohdistus on niin heikko, että tavallinen magneetti ei houkuttele sitä.
Et voinut poimia metallia kestomagnetilla riippumatta siitä, kuinka kovaa yritit. Voit kuitenkin mitata metallin muodostetun magneettikentän, jos sinulla on riittävän herkkä instrumentti. Kun asetetaan riittävän voimakkaaseen magneettikenttään, paramagneettisen metallin tanko kohdistuu kentän suuntaisesti.
Happi on paramagneettinen, ja voit todistaa sen
Kun ajattelet ainetta, jolla on magneettiset ominaisuudet, ajattelet yleensä metallia, mutta myös muutama ei-metalli, kuten kalsium ja happi, ovat paramagneettisia. Voit osoittaa happea paramagneettisen luonteen itsellesi yksinkertaisella kokeilulla.
Kaada nestemäistä happea voimakkaan sähkömagneetin napojen väliin. Happi kerääntyy napoille ja höyrystyy, jolloin muodostuu kaasupilvi. Kokeile samaa testiä nestemäisen typen kanssa, joka ei ole paramagneettinen, eikä mitään tapahdu.
Ferromagneettisista elementeistä voi tulla pysyvästi magnetoituneita
Jotkut magneettielementit ovat niin herkkiä ulkoisille kentille, että ne magnetoituvat, kun ne altistetaan yhdelle, ja ne säilyttävät magneettiset ominaisuutensa, kun kenttä poistetaan. Nämä ferromagneettiset elementit sisältävät:
Nämä elementit ovat ferromagneettisia, koska yksittäisten atomien kiertoradalla on enemmän kuin yksi pariton elektroni. mutta siellä tapahtuu myös jotain muuta. Näiden elementtien atomit muodostavat ryhmät, jotka tunnetaan nimellä verkkotunnukset, ja kun lisäät magneettikentän, verkkotunnukset kohdistuvat kentän kanssa ja pysyvät kohdissa, jopa kentän poistamisen jälkeen. Tämä viivästynyt vastaus tunnetaan nimellä hystereesiä, ja se voi kestää vuosia.
Jotkut vahvimmista kestomagneeteista tunnetaan nimellä harvinaisten maametallien magneetit. Kaksi yleisintä ovat neodyymi - magneetit, jotka koostuvat neodyymin, raudan ja boorin yhdistelmästä, ja - samariumkoboltti magneetit, jotka ovat näiden kahden elementin yhdistelmä. Jokaisessa magneettityypissä ferromagneettinen materiaali (rauta, koboltti) on vahvistettu paramagneettisella harvinaisen maametallielementillä.
ferriittiä - raudasta valmistetut magneetit, ja - Alnico Magneetit, jotka on valmistettu alumiinin, nikkelin ja koboltin yhdistelmästä, ovat yleensä heikompia kuin harvinaiset maametallimagneetit. Tämä tekee niistä turvallisemman käytön ja sopivampia tieteellisiin kokeisiin.
Curie-piste: Rajoitus magneettien pysyvyydelle
Jokaisella magneettisella materiaalilla on ominainen lämpötila, jonka yläpuolella se alkaa menettää magneettiset ominaisuutensa. Tätä kutsutaan Curie-piste, joka on nimetty ranskalaisen fyysikon Pierre Curien mukaan, joka löysi lait, jotka liittyvät magneettiseen kykyyn lämpötilaan. Curie-pisteen yläpuolella ferromagneettisen materiaalin atomit alkavat menettää kohdistustaan ja materiaalista tulee paramagneettinen tai, jos lämpötila on riittävän korkea, diamagneettinen.
Raudan Curie-piste on 1418 F (770 C) ja koboltin 2,050 F (1,121 C), joka on yksi korkeimmista Curie-pisteistä. Kun lämpötila laskee alle Curie-pisteen, materiaali saavuttaa ferromagneettiset ominaisuutensa.
Magnetiitti on ferrimagneettinen, ei ferromagneettinen
Magnetiitti, joka tunnetaan myös nimellä rautamalmi tai rautaoksidi, on harmaanmusta mineraali, jonka kemiallinen kaava on Fe3O4 se on teräksen raaka-aine. Se käyttäytyy kuin ferromagneettinen materiaali, muuttuessaan pysyvästi magnetoituneena, kun se altistetaan ulkoiselle magneettikentälle. 1900-luvun puoliväliin saakka kaikki pitivät sitä ferromagneettisena, mutta todellakin ferrimagneettinen, ja siellä on merkittävä ero.
Magnetiitin ferrimagnetismi ei ole kaikkien materiaalin atomien magneettimomenttien summa, mikä olisi totta, jos mineraali olisi ferromagneettinen. Se on seuraus mineraalin kiderakenteesta.
Magnetiitti koostuu kahdesta erillisestä hilarakenteesta, oktaaedrinen ja tetraedrinen. Molemmilla rakenteilla on vastakkaiset, mutta epätasaiset napaisuudet, ja tuloksena on tuottaa magneettinen nettovoima. Muita tunnettuja ferrimagneettisia yhdisteitä ovat yttriumrautagranaatti ja pyrrhotite.
Antiferromagneettisuus on toinen tilatun magneettin tyyppi
Tietyn lämpötilan alapuolella, jota kutsutaan Néel lämpötila Ranskan fyysikon Louis Néelin jälkeen jotkut metallit, seokset ja ioniset kiinteät aineet menettävät paramagneettiset ominaisuutensa eivätkä reagoi ulkoisiin magneettikenttiin. Ne muuttuvat oleellisesti magnetoituneiksi. Tämä tapahtuu, koska materiaalin hilarakenteessa olevat ionit kohdistuvat vastakkaisina järjestelyinä koko rakenteessa, muodostaen vastakkaiset magneettikentät, jotka poistavat toisiaan.
Néel-lämpötilat voivat olla hyvin alhaiset, luokkaa -150 C (-240F), mikä tekee yhdisteistä paramagneettisia kaikkiin käytännön tarkoituksiin. Joidenkin yhdisteiden Néel-lämpötilat ovat kuitenkin huoneenlämpötilan tai korkeampia.
Hyvin alhaisissa lämpötiloissa antiferromagneettisilla materiaaleilla ei ole mitään magneettista käyttäytymistä. Lämpötilan noustessa jotkut atomeista irtoavat hilarakenteesta ja kohdistuvat magneettikentään, ja materiaalista tulee heikosti magneettinen. Kun lämpötila saavuttaa Néelin lämpötilan, tämä paramagneettisuus saavuttaa huippunsa, mutta kun lämpötila nousee tämän pisteen ulkopuolelle, terminen sekoitus estää atomia pitämästä linjaa kentän kanssa ja magneettisuus putoaa tasaisesti.
Vain monet elementit ovat antiferromagneettisia - vain kromi ja mangaani. Antiferromagneettisiin yhdisteisiin kuuluvat mangaanioksidi (MnO), eräät rautaoksidin muodot (Fe2O3) ja vismuttiferriittiä (BiFeO3).