מדוע מגנטים אינם משפיעים על מתכות מסוימות

תוֹכֶן

• Diamagnetism, Paramagnetism and Ferromagnetism
• הקפת אלקטרונים יוצרים שדה מגנטי
• ספין אלקטרונים משפיע על תכונות מגנטיות
• אלקטרונים לא צמודים מעניקים נכסים מגנטיים
• הכל diamagnetic, כולל כמה מתכות
• כמה מתכות פרמגנטיות
• חמצן הוא פרמגנטי, ואתה יכול להוכיח זאת
• אלמנטים פרומגנטיים יכולים להיות ממוגנטים לצמיתות
• נקודת הקארי: מגבלה לקביעת מגנטים
• מגנט הוא Ferrimagnetic, לא Ferromagnetic
• אנטי-פרומגנטיות היא סוג אחר של מגנטיות מסודרת

מגנטיות וחשמל מחוברים בצורה אינטימית כל כך שתוכל אפילו לשקול אותם כשני צדי אותו המטבע. המאפיינים המגנטיים המוצגים על ידי מתכות מסוימות הם תוצאה של תנאי שדה אלקטרוסטטי באטומים המרכיבים את המתכת.

למעשה, לכל האלמנטים יש תכונות מגנטיות, אך הרוב אינם מבטאים אותם בצורה מובנת מאליה. למתכות שנמשכות למגנטים יש דבר אחד במשותף, וזה אלקטרונים לא מותאמים בקליפות החיצוניות שלהם. זה רק מתכון אלקטרוסטטי אחד למגנטיות, והוא החשוב ביותר.

Diamagnetism, Paramagnetism and Ferromagnetism

מתכות שתוכלו למגנט לצמיתות מכונות פרומגנטית מתכות, והרשימה של מתכות אלה קטנה. השם בא פרום, המילה הלטינית לברזל _._

יש רשימה ארוכה הרבה יותר של חומרים שהם פרמגנטיתמה שאומר שהם ממוגנטים באופן זמני כשנוכח שדה מגנטי. חומרים פרמטריים אינם כל המתכות. יש תרכובות קוולנטיות, כמו חמצן (O₂) מפגינים פרמגנטיות, כמו גם כמה מוצקים יוניים.

כל החומרים אשר אינם פרומגנטיים או פרמגנטיים הם יהלומימה שאומר שהם מפגינים דחייה קלה לשדות מגנטיים, ומגנט רגיל לא מושך אותם. למעשה, כל האלמנטים והתרכובות הם diamagnetic במידה מסוימת.

כדי להבין את ההבדלים בין שלוש קבוצות המגנטיות הללו, צריך להסתכל על המתרחש ברמה האטומית.

הקפת אלקטרונים יוצרים שדה מגנטי

בדגם המקובל כיום של האטום, הגרעין מורכב מפרוטונים טעונים חיוביים ומניטרונים חשמליים ניטרליים המוחזקים יחד על ידי הכוח החזק, אחד מכוחות הטבע הבסיסיים. ענן של אלקטרונים טעונים באופן שלילי התופס רמות אנרגיה נפרדות, או קונכיות, מקיף את הגרעין, ואלה הם המקנים תכונות מגנטיות.

אלקטרון המקיף מייצר שדה חשמלי מתחלף, ולפי משוואות מקסוולס, זה המתכון לשדה מגנטי. גודל השדה שווה לשטח שבתוך המסלול כפול הזרם. אלקטרון בודד מייצר זרם זעיר, והשדה המגנטי המתקבל, הנמדד ביחידות הנקראות Bohr magnetons, הוא גם זעיר. באטום טיפוסי, השדות הנוצרים על ידי כל האלקטרונים המקיפים אותו בדרך כלל מבטלים זה את זה.

ספין אלקטרונים משפיע על תכונות מגנטיות

זה לא רק תנועה מקיפה של אלקטרון שיוצר מטען, אלא גם מאפיין אחר המכונה סיבוב. כפי שמתברר, סיבוב חשוב בהרבה בקביעת תכונות מגנטיות מתנועה מסלולית, מכיוון שסיבוב כללי באטום צפוי להיות א-סימטרי ומסוגל ליצור רגע מגנטי.

אתה יכול לחשוב על ספין ככיוון הסיבוב של אלקטרון, למרות שזו רק קירוב גס. ספין הוא תכונה מהותית של אלקטרונים, ולא מצב של תנועה. יש לאלקטרון שמסתובב בכיוון השעון סיבוב חיובי, או להסתובב, בעוד שיש לאחד שמסתובב נגד כיוון השעון סיבוב שלילי, או להסתובב.

אלקטרונים לא צמודים מעניקים נכסים מגנטיים

ספין אלקטרונים הוא תכונה מכנית קוונטית ללא אנלוגיה קלאסית, והוא קובע את מיקום האלקטרונים סביב הגרעין. אלקטרונים מסדרים את עצמם בזוגות ספין-אפ וספין-מטה בכל קליפה כדי ליצור אפס רשת רגע מגנטי.

האלקטרונים האחראיים ליצירת תכונות מגנטיות הם אלה שבחוץ ביותר, או ערכיות, קליפות האטום. באופן כללי, נוכחותו של אלקטרון לא מותאם במעטפת חיצונית של האטומים יוצרת רגע מגנטי נטו ומקנה תכונות מגנטיות, ואילו לאטומים עם אלקטרונים מזווגים במעטפת החיצונית אין מטען נטו והם diamagnetic. זהו פישוט יתר, מכיוון שאלקטרונים ערכיים יכולים לתפוס מעטפת אנרגיה נמוכה בכמה אלמנטים, במיוחד ברזל (Fe).

הכל diamagnetic, כולל כמה מתכות

הלולאות הנוכחיות שנוצרו על ידי אלקטרונים המסתובבים הופכות את כל החומר לדיגמנטי, מכיוון שכאשר מוחל שדה מגנטי, לולאות הזרם כולם מתיישרים בניגוד אליו ומתנגדים לשדה. זהו יישום של חוק לנז, הקובע כי שדה מגנטי המושרה מתנגד לשדה שיוצר אותו. אם ספין אלקטרונים לא היה נכנס למשוואה, זה היה סוף הסיפור, אבל ספין כן נכנס לתוכו.

סך הכל רגע מגנטי ג של אטום הוא סכום שלו תנופה זוויתית מסלולית וזה תנופה זוויתית. מתי ג = 0, האטום אינו מגנטי, ומתי ג≠ 0, האטום הוא מגנטי, וזה קורה כשיש לפחות אלקטרון אחד ללא זיווג.

כתוצאה מכך, כל אטום או תרכובת עם אורביטלים מלאים לחלוטין הם diamagnetic. הליום וכל הגזים האצילים הם דוגמאות ברורות, אך מתכות מסוימות הן גם יהלומניות. להלן מספר דוגמאות:

דיאמגנטיות אינה תוצאה נטו של כמה אטומים בחומר שנמשכים לכיוון אחד בשדה מגנטי ואחרים נמשכים לכיוון אחר. כל אטום בחומר diamagnetic הוא diamagnetic וחווה אותה דחיה חלשה לשדה מגנטי חיצוני. הדחה זו יכולה ליצור אפקטים מעניינים. אם תלה סרגל מחומר יהלומי, כמו זהב, בשדה מגנטי חזק, הוא יתיישר בניצב לשדה.

כמה מתכות פרמגנטיות

אם לפחות אלקטרון אחד במעטפת החיצונית של האטומים אינו מותאם, לאטום יש רגע מגנטי נטו, והוא יתיישר עם שדה מגנטי חיצוני. ברוב המקרים, היישור הולך לאיבוד כשמוסרים את השדה. זו התנהגות פרמגנטית, ותרכובות יכולות להציג אותה כמו גם אלמנטים.

כמה מתכות פרמגנטיות נפוצות יותר הן:

יש מתכות פרמגנטיות חלשות כל כך עד שתגובתן לשדה מגנטי כמעט ולא מורגשת. האטומים מיישרים קו עם שדה מגנטי, אך היישור כה חלש עד שמגנט רגיל אינו מושך אותו.

אתה לא יכול להרים את המתכת עם מגנט קבוע, לא משנה כמה ניסית. עם זאת, תוכלו למדוד את השדה המגנטי שנוצר במתכת אם היה ברשותכם מכשיר מספיק רגיש. כאשר הוא ממוקם בשדה מגנטי בעל חוזק מספיק, מוט של מתכת פרמגנטית יישר את עצמו במקביל לשדה.

חמצן הוא פרמגנטי, ואתה יכול להוכיח זאת

כשחושבים על חומר בעל מאפיינים מגנטיים, בדרך כלל אתה חושב על מתכת, אך מעטים שאינם מתכות, כמו סידן וחמצן, הם גם פרמגנטיים. אתה יכול להדגים לעצמך אופי פרגמנטי של חמצן עם ניסוי פשוט.

שופכים חמצן נוזלי בין הקטבים של אלקטרומגנט חזק, והחמצן יתאסף על הקטבים ויאדה, ויוצר ענן גז. נסה את אותו ניסוי עם חנקן נוזלי, שאינו פרמגנטי, ושום דבר לא יקרה.

אלמנטים פרומגנטיים יכולים להיות ממוגנטים לצמיתות

חלק מהאלמנטים המגנטיים רגישים כל כך לשדות חיצוניים, עד שהם הופכים לממגנטים כאשר הם נחשפים לאחד מהם, והם שומרים על המאפיינים המגנטיים שלהם בעת הוצאת השדה. אלמנטים פרומגנטיים אלה כוללים:

אלמנטים אלה הם פרומגנטיים מכיוון שלאטומים בודדים יש יותר מאלקטרון אחד ללא זיווג בקליפות המסלול שלהם. אבל יש גם משהו אחר שקורה. האטומים של אלמנטים אלה יוצרים קבוצות המכונות דומייניםוכשמציגים שדה מגנטי, הדומיינים מיישרים קו עם השדה ונשארים מיושרים, גם לאחר הסרת השדה. תגובה מעוכבת זו מכונה היסטריה, וזה יכול להימשך שנים.

כמה מגנטים קבועים חזקים ידועים כ מגנטים אדירים נדירים. שניים מהנפוצים ביותר הם ניאודימיום מגנטים, המורכבים משילוב של ניאודימיום, ברזל ובורון, ו קובריום סמריום מגנטים, שהם שילוב של שני האלמנטים הללו. בכל סוג של מגנט, חומר פרומגנטי (ברזל, קובלט) מבוצר על ידי אלמנט אדיר נדיר.

פריט מגנטים, העשויים מברזל, ו אלניקו מגנטים, המיוצרים משילוב של אלומיניום, ניקל וקובלט, הם בדרך כלל חלשים יותר ממגנטים לאדירים נדירים. זה הופך אותם לבטוחים יותר לשימוש ומתאימים יותר לניסויים במדע.

נקודת הקארי: מגבלה לקביעת מגנטים

לכל חומר מגנטי יש טמפרטורה אופיינית שמעליה הוא מתחיל לאבד את המאפיינים המגנטיים שלו. זה ידוע בשם נקודת קארי, על שם פייר קירי, הפיזיקאי הצרפתי שגילה את החוקים שקשורים ביכולת מגנטית לטמפרטורה. מעל נקודת הקארי, האטומים בחומר פרומגנטי מתחילים לאבד את יישורם, והחומר הופך לפרמגנטי או, אם הטמפרטורה גבוהה מספיק, דיאמנטית.

נקודת הקארי עבור הברזל היא 1418 F (770 צלזיוס), ועבור קובלט היא 2,050 F (1,121 צלזיוס), שהיא אחת מנקודות הקארי הגבוהות ביותר. כאשר הטמפרטורה יורדת מתחת לנקודת הקארי שלה, החומר מקבל את המאפיינים הפרומגנטיים שלו.

מגנט הוא Ferrimagnetic, לא Ferromagnetic

מגנטיט, המכונה גם עפרות ברזל או תחמוצת ברזל, הוא המינרל השחור-אפור עם הנוסחה הכימית Fe₃הו₄ זהו חומר הגלם לפלדה. זה מתנהג כמו חומר פרומגנטי, וממגנט לצמיתות כשנחשף לשדה מגנטי חיצוני. עד אמצע המאה העשרים, כולם הניחו שהוא פרומגנטי, אך למעשה פרומגנטיויש הבדל משמעותי.

התסיסה של המגנטיט אינה סכום הרגעים המגנטיים של כל האטומים בחומר, מה שהיה נכון אם המינרל היה פרומגנטי. זה תוצאה של מבנה הגביש של המינרל עצמו.

המגנטיט מורכב משני מבני סריג נפרדים, אחד האוקטאהדרלי ואחד הטטרהדרלי. לשני המבנים יש קוטביות מנוגדות אך לא שוויוניות, והאפקט הוא לייצר רגע מגנטי נטו. תרכובות ferrimagnetic ידועות אחרות כוללות גרניט ברזל Yttrium ו Pyrrhotite.

אנטי-פרומגנטיות היא סוג אחר של מגנטיות מסודרת

מתחת לטמפרטורה מסוימת, הנקראת טמפרטורת Nel אחרי הפיזיקאי הצרפתי לואי ניל, כמה מתכות, סגסוגות ומוצקים יוניים מאבדים את תכונותיהם הפרמגנטיות ונעשים לא מגיבים לשדות מגנטיים חיצוניים. הם למעשה הופכים לדיאגנטציה. זה קורה מכיוון שיונים במבנה הסריג של החומר מיישרים עצמם בסדרים אנטי-פראלליים בכל המבנה ויוצרים שדות מגנטיים מנוגדים המבטלים זה את זה.

הטמפרטורות של Néel יכולות להיות נמוכות מאוד, בסדר גודל של -150 C (-240F), מה שהופך את התרכובות לפרמגנטיות לכל דבר ועניין. עם זאת, בחלק מהתרכובות יש טמפרטורות Nel בטווח טמפרטורת החדר ומעלה.

בטמפרטורות נמוכות מאוד, חומרים אנטי-פרומגנטיים אינם מראים התנהגות מגנטית. עם עליית הטמפרטורה, חלק מהאטומים משתחררים ממבנה הסריג ומתיישרים עם השדה המגנטי והחומר הופך להיות מגנטי חלש. כאשר הטמפרטורה מגיעה לטמפרטורת Nel, פרמגנטיות זו מגיעה לשיאה, אך ככל שהטמפרטורה עולה מעבר לנקודה זו, התסיסה התרמית מונעת מהאטומים לשמור על יישורם עם השדה והמגנטיות יורדת בהתמדה.

לא הרבה אלמנטים הם אנטי-פרומגנטיים - רק כרום ומנגן. תרכובות אנטי-פרומגנטיות כוללות תחמוצת מנגן (MnO), כמה צורות של תחמוצת ברזל (Fe₂הו₃) ופרימיט ביסמוט (BiFeO₃).