Sisu
- Diamagnetism, paramagnetism ja ferromagnetism
- Orbiidil liikuvad elektronid loovad magnetvälja
- Elektroni spinn mõjutab magnetilisi omadusi
- Paarimata elektronid annavad magnetilisi omadusi
- Kõik on diamagneetiline, sealhulgas mõned metallid
- Mõned metallid on paramagneetilised
- Hapnik on paramagnetiline ja saate seda tõestada
- Ferromagnetilised elemendid võivad muutuda püsivalt magnetiseeritud
- Curie-punkt: piir magnetite püsivusele
- Magnetiit on ferrimagnetiline, mitte ferromagnetiline
- Antiferromagnetism on veel üks tellitud magnetismi liik
Magnetism ja elekter on omavahel ühendatud nii tihedalt, et võiksite neid pidada sama mündi kaheks pooleks. Mõne metalli magnetilised omadused tulenevad metalli moodustavate aatomite elektrostaatilise välja tingimustest.
Tegelikult on kõigil elementidel magnetilised omadused, kuid enamik ei avalda neid ilmselgelt. Metallidel, mida tõmbavad magnetid, on üks ühine joon ja nende väliskestes on paarimata elektronid. See on vaid üks magnetilisuse elektrostaatiline retsept ja see on kõige olulisem.
Diamagnetism, paramagnetism ja ferromagnetism
Metalle, mida saate püsivalt magnetiseerida, nimetatakse ferromagnetiline metalle ja nende metallide loetelu on väike. Nimi pärineb ferrum, ladina sõna raud _._
Materjalide loetelu on palju pikem paramagnetiline, mis tähendab, et magnetvälja juuresolekul muutuvad need ajutiselt magnetiseeritud. Paramagneetilised materjalid pole kõik metallid. Mõned kovalentsed ühendid, näiteks hapnik (O2), nagu ka mõne ioonse tahke aine korral, on paramagnetism.
Kõik ferromagnetiliste või paramagnetiliste materjalide materjalid on diamagnetiline, mis tähendab, et need avaldavad magnetväljadele kerget tõrjumist ja tavaline magnet neid ei tõmba. Tegelikult on kõik elemendid ja ühendid teatud määral diamaatilised.
Nende kolme magnetismi klassi erinevuste mõistmiseks peate vaatama, mis toimub aatomi tasandil.
Orbiidil liikuvad elektronid loovad magnetvälja
Praegu aktsepteeritud aatomi mudelis koosneb tuum positiivselt laetud prootonitest ja elektriliselt neutraalsetest neutronitest, mida hoiab koos tugev jõud, üks looduse põhijõududest. Tuuma ümbritseb negatiivselt laetud elektronide pilv, mis hõivab diskreetset energiataset ehk kesta, ja need annavad magnetilisi omadusi.
Orbiidil liikuv elektron genereerib muutuva elektrivälja ja vastavalt Maxwellsi võrranditele on see magnetvälja retsept. Välja suurus on võrdne orbiidi sees oleva pindalaga, mis on korrutatud vooluga. Üksik elektron genereerib väikese voolu ja sellest tuleneva magnetvälja, mida mõõdetakse ühikutes, mida nimetatakse Bohri magnetoonid, on ka pisike. Tüüpilises aatomis tühistavad kõigi selle orbiidil olevate elektronide genereeritud väljad üksteise.
Elektroni spinn mõjutab magnetilisi omadusi
See pole ainult laengu tekitava elektroni tiirlev liikumine, vaid ka teine omadus, mida nimetatakse keerutama. Nagu selgub, on spinn magnetiliste omaduste määramisel palju olulisem kui orbitaalliikumine, kuna aatomi üldine spinn on tõenäolisemalt asümmeetriline ja suudab luua magnetmomendi.
Spinnist võite mõelda kui elektroni pöörlemissuunast, ehkki see on vaid ligikaudne ligikaudne väärtus. Spin on elektronide olemuslik omadus, mitte liikumise olek. Elektron, mis pöörleb päripäeva, on positiivne spinnvõi keerutage üles, samal ajal kui vastupäeva pöörlev on negatiivne spinnvõi keerutage alla.
Paarimata elektronid annavad magnetilisi omadusi
Elektroni spinn on kvantmehaaniline omadus ilma klassikalise analoogiata ja see määrab elektronide paigutuse tuuma ümber. Elektronid paigutuvad igas korpuses spin-up ja spin-down paaridesse nii, et tekiks nullvõrk magnetiline moment.
Magnetomaduste loomise eest vastutavad elektronid on äärepoolseimad või valents, aatomi kestad. Üldiselt loob paaristamata elektroni olemasolu aatomite väliskestas netomagnetimomendi ja annab magnetilisi omadusi, samas kui välimise kesta paaris elektronidega aatomitel puudub netlaeng ja need on diamagnetilised. See on lihtsustamine, kuna valentselektronid võivad hõivata mõne elemendi, eriti raua (Fe) madalama energia kestad.
Kõik on diamagneetiline, sealhulgas mõned metallid
Elektrone tiirlevad vooluahelad muudavad kõik materjalid diamaatilisteks, sest kui magnetväli rakendatakse, joonduvad kõik vooluahelad sellega ja on välja vastu. See on rakenduse Lenzsi seadus, mis väidab, et indutseeritud magnetväli vastandub seda loovale väljale. Kui elektronide spinn ei siseneks võrrandisse, oleks see loo lõpp, kuid spinn siseneb sellesse.
Summa magnetiline moment J aatomi summa on selle summa orbiidi nurkkiirus ja selle spin nurkne impulss. Millal J = 0, aatom on mittemagnetiline ja millal J≠ 0, aatom on magnetiline, mis juhtub siis, kui on vähemalt üks paarimata elektron.
Järelikult on iga täielikult täidetud orbitaalidega aatom või ühend diamagnetiline. Heelium ja kõik väärisgaasid on ilmsed näited, kuid mõned metallid on ka diamagnetilised. Siin on mõned näited:
Diamagnetism ei ole mõne aine aatomite neto tulemus, mille tõmbab magnetväli ühte suunda ja teised teises suunas. Iga aatom diamagnetilises materjalis on diamagnetiline ja kogeb sama nõrka tagasilööki välisele magnetväljale. See tõrjumine võib tekitada huvitavaid efekte. Kui peatate diamagnetilisest materjalist (nt kuld) tulpa tugevas magnetväljas, joondub see väljaga risti.
Mõned metallid on paramagneetilised
Kui vähemalt üks elektron aatomi väliskestast on paarimata, siis on aatomil netomagnetmoment ja see joondub välise magnetväljaga. Enamikul juhtudel kaob joondus välja eemaldamisel. See on paramagnetiline käitumine ja ühendid võivad seda eksponeerida, nagu ka elemente.
Mõned enamlevinud paramagneetilised metallid on:
Mõned metallid on nii nõrgalt paramagneetilised, et nende reageerimine magnetväljale on vaevalt märgatav. Aatomid joonduvad magnetväljaga, kuid joondamine on nii nõrk, et tavaline magnet seda ei tõmba.
Püsimagneti abil ei saanud metalli kätte, ükskõik kui kõvasti proovisite. Kui teil oleks piisavalt tundlik instrument, saaksite aga metallis tekkivat magnetvälja mõõta. Kui see on asetatud piisava tugevusega magnetvälja, joondub paramagnetilise metalli riba väljaga paralleelselt.
Hapnik on paramagnetiline ja saate seda tõestada
Kui mõtlete magnetiliste omadustega ainele, mõtlete üldiselt metalli, kuid ka mõned mittemetallid, näiteks kaltsium ja hapnik, on paramagnetilised. Lihtsa eksperimendi abil saate enda jaoks näidata hapniku paramagneetilist olemust.
Vala vedel hapnik võimsa elektromagneti pooluste vahele. Hapnik koguneb poolustel ja aurustub, moodustades gaasipilve. Proovige sama katset vedela lämmastikuga, mis pole paramagnetiline, ja midagi ei juhtu.
Ferromagnetilised elemendid võivad muutuda püsivalt magnetiseeritud
Mõned magnetilised elemendid on väliste väljade suhtes nii tundlikud, et muutuvad ühega kokkupuutel magnetiseeritud ja välja eemaldamisel säilitavad nad oma magnetilised omadused. Nende ferromagnetiliste elementide hulka kuuluvad:
Need elemendid on ferromagnetilised, kuna üksikute aatomite orbitaalkestades on rohkem kui üks paarimata elektron. aga ka seal toimub midagi muud. Nende elementide aatomid moodustavad rühmad, mida nimetatakse domeenidja kui sisestate magnetvälja, joonduvad domeenid väljaga ja jäävad joondatud ka pärast välja eemaldamist. Seda viivitatud vastust nimetatakse hüsteeria, ja see võib kesta aastaid.
Mõned tugevaimad püsimagnetid on tuntud kui haruldaste muldmetallide magnetid. Kaks levinumat on neodüüm - magnetid, mis koosnevad neodüümi, raua ja boori segust, ja - samariumi koobalt magnetid, mis on nende kahe elemendi kombinatsioon. Igas tüüpi magnetides on ferromagnetilist materjali (raud, koobalt) rikastatud paramagnetilise haruldaste muldmetallidega.
Ferriit rauast valmistatud magnetid ja alnico magnetid, mis on valmistatud alumiiniumi, nikli ja koobalti kombinatsioonist, on tavaliselt nõrgemad kui haruldaste muldmetallide magnetid. See muudab nende kasutamise ohutumaks ja teaduskatseteks sobivamaks.
Curie-punkt: piir magnetite püsivusele
Igal magnetilisel materjalil on iseloomulik temperatuur, millest kõrgemal ta hakkab oma magnetomadusi kaotama. Seda nimetatakse Curie punkt, mis sai nime Prantsuse füüsiku Pierre Curie järgi, kes avastas seadused, mis seostavad magnetilist võimekust temperatuuriga. Curie punkti kohal hakkavad ferromagnetiliste materjalide aatomid oma joondumist kaotama ja materjal muutub paramagneetiliseks või kui temperatuur on piisavalt kõrge, diamagneetiline.
Raua Curie-punkt on 1418 F (770 ° C) ja koobalti puhul 2,050 F (1,121 C), mis on üks kõrgeim Curie-punkt. Kui temperatuur langeb alla selle Curie-punkti, taastub materjal oma ferromagnetiliste omadustega.
Magnetiit on ferrimagnetiline, mitte ferromagnetiline
Magnetiit, mida tuntakse ka rauamaagi või raudoksiidina, on hall-must mineraal, mille keemiline valem on Fe3O4 see on terase tooraine. See käitub nagu ferromagnetiline materjal, muutudes välise magnetväljaga kokkupuutel püsivalt magnetiseeritud. Kuni kahekümnenda sajandi keskpaigani arvasid kõik, et see on ferromagnetiline, kuid tegelikult on see nii ferrimagneetiline, ja seal on oluline erinevus.
Magnetiidi ferromimagnetism ei ole materjali kõigi aatomite magnetiliste momentide summa, mis oleks tõsi, kui mineraal oleks ferromagnetiline. Selle tagajärg on mineraali enda kristallstruktuur.
Magnetiit koosneb kahest eraldi võrestruktuurist, oktaeedrist ja tetraeedrilisest. Neil kahel struktuuril on vastandlikud, kuid ebavõrdsed polaarsused ja selle tulemuseks on netomagnetmoment. Teiste teadaolevate ferrimagnetiliste ühendite hulka kuuluvad ütrium-rauagranaat ja pürrotiit.
Antiferromagnetism on veel üks tellitud magnetismi liik
Teatud temperatuurist madalamal temperatuuril, mida nimetatakse temperatuuriks Néeli temperatuur Pärast prantsuse füüsiku Louis Néeli kaotab osa metallidest, sulamitest ja ioonsetest tahketest ainetest oma parameetrid ja reageerib välistele magnetväljadele. Need muutuvad sisuliselt demagnetiseerituks. See juhtub seetõttu, et ioonid materjali võrestruktuuris joonduvad kogu konstruktsioonis paralleelselt, luues vastandlikud magnetväljad, mis üksteise välja tõrjuvad.
Néeli temperatuurid võivad olla väga madalad, vahemikus -150 C (-240F), muutes ühendid kõigil praktilistel eesmärkidel paramagneetiliseks. Mõnede ühendite temperatuurid Néel'is on aga toatemperatuurist kõrgemad või kõrgemad.
Väga madalatel temperatuuridel ei avalda antiferromagnetilised materjalid magnetilist käitumist. Temperatuuri tõustes vabanevad mõned aatomid võre struktuurist ja joonduvad vastavalt magnetväljale ning materjal muutub nõrgalt magnetiliseks. Kui temperatuur jõuab Néeli temperatuurini, saavutab see paramagneetika haripunkti, kuid temperatuuri tõustes sellest punktist kõrgemale takistab termiline segamine aatomeid säilitamast oma joont väljaga ja magnetilisus langeb pidevalt.
Mitte paljud elemendid pole antiferromagnetilised - ainult kroom ja mangaan. Antiferromagnetiliste ühendite hulka kuuluvad mangaanoksiid (MnO), mõned raudoksiidi vormid (Fe2O3) ja vismutferriit (BiFeO3).