Tartalom
- Diamagnetizmus, paramagnetizmus és ferromagnetizmus
- Az elektronok keringése mágneses mezőt hoz létre
- Az elektron spin befolyásolja a mágneses tulajdonságokat
- Párosítatlan elektronok biztosítják a mágneses tulajdonságokat
- Minden diamagnetikus, beleértve a fémeket is
- Egyes fémek paramágnesesek
- Az oxigén paramágneses és bizonyítható
- A ferromágneses elemek maradandóvá válhatnak
- A Curie-pont: a mágnesek állandóképességének határa
- A magnetit ferromágneses, nem feromágneses
- Az antiferromagnetizmus egy másikfajta rendezett mágnesesség
A mágnesesség és az elektromosság annyira szorosan kapcsolódnak egymáshoz, hogy akár ugyanazon érme két oldalát is tekinthetik egymásnak. Egyes fémek mágneses tulajdonságai az fém alkotó atomjai elektrosztatikus tere körülményeinek eredményei.
Valójában az összes elemnek mágneses tulajdonságai vannak, de a legtöbb nem nyilvánvaló módon jeleníti meg őket. A fémek, amelyeket a mágnesek vonzanak, egy közös vonással bírnak, és ezek páratlan elektronok a külső héjukban. Ez csak egy mágnesesség elektrosztatikus receptje, és ez a legfontosabb.
Diamagnetizmus, paramagnetizmus és ferromagnetizmus
A folyamatosan mágnesezhető fémeket nevezik ferromágneses fémek, és ezeknek a fémeknek a listája kicsi. A név származik ferrum, a vas latin szó _._
Sokkal hosszabb az anyagok listája paramágneses, ami azt jelenti, hogy mágneses mező jelenlétében ideiglenesen mágnesesedik. A paramágneses anyagok nem tartalmaznak minden fémet. Néhány kovalens vegyület, például az oxigén (O2) paramagnetizmust mutat, mint néhány ionos szilárd anyag esetében.
Valamennyi olyan anyag, amely feromágneses vagy paramágneses diamágnesesek, ami azt jelenti, hogy enyhén taszítják a mágneses tereket, és egy közönséges mágnes nem vonzza őket. Valójában az összes elem és vegyület bizonyos mértékben diamagnetikus.
Ahhoz, hogy megértsük a mágnesesség e három osztálya közötti különbségeket, meg kell vizsgálnunk, mi történik atomi szinten.
Az elektronok keringése mágneses mezőt hoz létre
Az atom jelenleg elfogadott modelljében a mag pozitív töltésű protonokból és elektromosan semleges neutronokból áll, amelyeket az erős erő tart fenn, amely a természet egyik alapvető erője. A negatív töltésű elektronok felhője, amely diszkrét energiaszinteket vagy héjakat foglal el, körülveszi a magot, és ezek adják a mágneses tulajdonságokat.
A keringő elektron változó elektromos mezőt generál, és Maxwells egyenletei szerint a mágneses mező receptje. A mező nagysága megegyezik a pályán belüli területtel, szorozva az árammal. Az egyes elektronok kis áramot generálnak, és a kapott mágneses teret, amelyet úgynevezett egységekben mérnek Bohr-magnetonok, szintén apró. Egy tipikus atomban az összes keringő elektronja által generált mezők általában kiiktatják egymást.
Az elektron spin befolyásolja a mágneses tulajdonságokat
Ez nem csak egy töltőanyagot létrehozó elektron keringő mozgása, hanem egy másik tulajdonság, az úgynevezett pörgés. Mint kiderült, a centrifugálás sokkal fontosabb a mágneses tulajdonságok meghatározásában, mint az orbitális mozgás, mivel az atomban az összes centrifugálás valószínűleg aszimmetrikusabb és képes mágneses momentumot létrehozni.
A spinre mint az elektron forgásirányára gondolhat, bár ez csak durva közelítés. A spin az elektronok belső tulajdonsága, nem a mozgás állapota. Az óramutató járásával megegyező irányban forgó elektronnak van pozitív spin, vagy forgasd fel, míg az ellenkező irányba forog negatív spin, vagy forgasd le.
Párosítatlan elektronok biztosítják a mágneses tulajdonságokat
Az elektron spin egy kvantummechanikai tulajdonság, klasszikus analógia nélkül, és meghatározza az elektronok elhelyezkedését a mag körül. Az elektronok spin-up és spin-down párokban helyezkednek el minden héjban úgy, hogy nulla nettót képezzenek mágneses pillanat.
A mágneses tulajdonságok létrehozásáért felelős elektronok a legkülső elektronok, vagy vegyérték, az atom héja. Általában a páratlan elektron jelenléte az atomok külső héjában nettó mágneses nyomatékot hoz létre és mágneses tulajdonságokat biztosít, míg a külső héjban párosított elektronokkal rendelkező atomoknak nincs nettó töltése és diamagnetikusak. Ez egy egyszerűsítés, mivel a valencia elektronok alacsonyabb energiahéjakat foglalhatnak el egyes elemekben, különösen a vasban (Fe).
Minden diamagnetikus, beleértve a fémeket is
Az elektronok körül keringő áramkörök minden anyagot diamagnetikássá tesznek, mivel egy mágneses mező alkalmazásakor az áramhurkok mind szemben állnak, és szemben vannak a mezővel. Ez egy alkalmazás Lenzs törvény, amely kimondja, hogy egy indukált mágneses mező szemben áll a létrehozó mezővel. Ha az elektron spin nem lépne be az egyenletbe, akkor ez lesz a történet vége, de a spin bemegy.
A végösszeg mágneses pillanat J atom atomjának az összege orbitális szögmozgás és annak forog szögletes lendület. Mikor J = 0, az atom nem mágneses, és ha J≠ 0, az atom mágneses, ami akkor fordul elő, ha legalább egy páratlan elektron van.
Következésképpen bármely atom vagy vegyület, amely teljes mértékben kitöltött orbitállal rendelkezik, diamagnetikus. A hélium és az összes nemesgáz nyilvánvaló példák, de egyes fémek diamagnetikusak is. Íme néhány példa:
A diamagnetizmus nem az a tény, hogy az anyag egyes atomjai mágneses mezővel egy irányba húzódnak, mások pedig egy másik irányba húzódnak. A diamagnetikus anyagban lévő összes atom diamagnetikus és ugyanolyan gyenge visszatükröződik egy külső mágneses mezőre. Ez a visszatérés érdekes hatásokat eredményezhet. Ha felfüggeszti egy diamágneses anyagból készült rudat, például aranyat, egy erős mágneses mezőben, akkor merőlegesen igazodik a mezőhöz.
Egyes fémek paramágnesesek
Ha az atomok külső héjában legalább egy elektron pár nélkül van, akkor az atomnak nettó mágneses momentuma van, és egy külső mágneses mezőhöz igazodik. A mező eltávolításakor a legtöbb esetben az igazítás elveszik. Ez paramagnetikus viselkedés, és a vegyületek ezt, valamint az elemeket is mutathatják.
Néhány a leggyakoribb paramágneses fémek közül:
Egyes fémek annyira gyengén paramágnesesek, hogy a mágneses mezőre adott válaszuk alig észlelhető. Az atomok igazodnak a mágneses mezőhöz, de az igazítás olyan gyenge, hogy egy közönséges mágnes nem vonzza azt.
Nem tudta felvenni a fém tartós mágnessel, bármennyire is próbálta. Ha azonban elég érzékeny műszerrel rendelkezne, akkor meg tudja mérni a fém által generált mágneses teret. Megfelelő erősségű mágneses mezőbe helyezve a paramágneses fém rudat a mezővel párhuzamosan igazítja.
Az oxigén paramágneses és bizonyítható
Amikor mágneses tulajdonságokkal rendelkező anyagokra gondol, általában fémre gondol, de néhány nemfémet, például a kalciumot és az oxigént is paramágnesesnek tekintik. Egy egyszerű kísérlettel bebizonyíthatja magának az oxigének paramágneses természetét.
Öntsön folyékony oxigént egy erős elektromágnes pólusai közé, és az oxigén összegyűlik a pólusokon, és elpárolog, és így gázfelhő keletkezik. Próbáld ki ugyanazt a kísérletet folyékony nitrogénnel, amely nem paramágneses, és semmi sem történik.
A ferromágneses elemek maradandóvá válhatnak
Egyes mágneses elemek annyira érzékenyek a külső mezőkre, hogy mágnesebbé válnak, amikor azoknak kitéve vannak, és megtartják mágneses tulajdonságaikat, amikor a mezőt eltávolítják. Ezek a ferromágneses elemek a következők:
Ezek az elemek feromágnesesek, mivel az egyes atomoknál egynél több páratlan elektron van a keringő héjában. de ott valami más is zajlik. Ezen elemek atomjai csoportokat alkotnak domainek, és amikor mágneses mezőt vezet be, a domének igazodnak a mezőhöz, és igazodnak maradnak, még a mező eltávolítása után is. Ez a késleltetett válasz neve: hiszterézis, és évekig is tarthat.
A legerősebb állandó mágnesek néven ismertek ritkaföldfém mágnesek. A kettő a leggyakoribb neodímium - mágnesek, amelyek neodímium, vas és bór keverékéből állnak, és - szamárium-kobalt mágnesek, amelyek a két elem kombinációját alkotják. Valamennyi mágnestípusban egy ferromágneses anyagot (vas, kobalt) dúsítanak egy paramágneses ritkaföldfém elem.
Ferrit vasból készült mágnesek, és alnicoötvözetek az alumínium, a nikkel és a kobalt kombinációjából készült mágnesek általában gyengébbek, mint a ritkaföldfém mágnesek. Ez biztonságosabbá teszi őket a tudományos kísérletekhez.
A Curie-pont: a mágnesek állandóképességének határa
Minden mágneses anyagnak olyan jellegzetes hőmérséklete van, amely felett elveszíti mágneses tulajdonságait. Ezt nevezik Curie-pont, amelyet Pierre Curie, a francia fizikus elnevezésével fedeztek fel, aki felfedezte a mágneses képességgel és a hőmérséklettel kapcsolatos törvényeket. A Curie-pont fölött a ferromágneses anyag atomjai elveszítik egymáshoz rendeződését, és az anyag paramágnesesvé válik, vagy ha elég magas a hőmérséklet, akkor diamagnetikássá válik.
A vas Curie-pontja 1418 F (770 C), a kobalt esetében pedig a 2,050 F (1,121 C), amely az egyik legmagasabb Curie-pont. Amikor a hőmérséklet a Curie-pont alá csökken, az anyag visszanyeri ferromágneses tulajdonságait.
A magnetit ferromágneses, nem feromágneses
A vasérc vagy vas-oxid néven is ismert magnetit a Fe kémiai képletű szürke-fekete ásvány3O4 ez az acél alapanyaga. Úgy viselkedik, mint egy feromágneses anyag, és folyamatosan mágnesesedik, amikor egy külső mágneses mezőnek van kitéve. A huszadik század közepéig mindenki feltételezte, hogy ez feromágneses, de valójában valódi ferrimágneses, és jelentős különbség van.
A magnetit ferrimagnetizmusa nem az anyagban levő összes atom mágneses momentumainak összege, ami igaz lenne, ha az ásvány ferromágneses lenne. Ennek következménye a maga ásványi anyag kristályszerkezete.
A magnetit két különálló rácsszerkezetből áll: egy oktaéderes és egy tetraéderes. A két szerkezetnek ellentétes, de egyenlőtlen polaritásai vannak, és ennek eredményeként nettó mágneses nyomatékot eredményeznek. Egyéb ismert ferromágneses vegyületek közé tartozik az ittrium vas-gránát és a pirrhotit.
Az antiferromagnetizmus egy másikfajta rendezett mágnesesség
Egy bizonyos hőmérséklet alatt, amelyet úgy hívnak, hogy Néel hőmérséklete Louis Néel francia fizikus után néhány fém, ötvözet és ionos szilárd anyag elveszíti paramágneses tulajdonságait, és nem reagál a külső mágneses mezőkre. Lényegében lemagnetizálódnak. Ez azért történik, mert az anyag rácsos szerkezetében az ionok párhuzamosan helyezkednek el az egész szerkezetben, ellentétes mágneses mezőket hozva létre, amelyek kiküszöbölik egymást.
A Néel hőmérséklete nagyon alacsony lehet, -150 C (-240F) nagyságrendben, ami a vegyületeket paramágnesesvé teszi minden gyakorlati alkalmazáshoz. Néhány vegyület Néel hőmérséklete a szobahőmérsékleti tartományban vagy annál magasabb.
Nagyon alacsony hőmérsékleten az anti-mágneses anyagok nem mutatnak mágneses viselkedést. A hőmérséklet emelkedésével egyes atomok megszabadulnak a rács szerkezetétől, és igazodnak a mágneses mezőhöz, és az anyag gyengén mágnesesvé válik. Amikor a hőmérséklet eléri a Néel hőmérsékletet, ez a paramagnetizmus eléri a csúcspontját, de amikor a hőmérséklet ezen a ponton túllép, a hőkeverés megakadályozza az atomokat, hogy fenntartsák a mezőhöz való igazodást, és a mágnesesség folyamatosan csökken.
Nem sok elem van antiferromágneses - csak a króm és a mangán. Az antiferromágneses vegyületek közé tartozik a mangán-oxid (MnO), a vas-oxid egyes formái (Fe2O3) és bizmut-ferrit (BiFeO3).