Inhalt
- Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus
- Umlaufende Elektronen erzeugen ein Magnetfeld
- Elektronenspin beeinflusst die magnetischen Eigenschaften
- Nicht gepaarte Elektronen weisen magnetische Eigenschaften auf
- Alles ist diamagnetisch, einschließlich einiger Metalle
- Einige Metalle sind paramagnetisch
- Sauerstoff ist paramagnetisch und Sie können es beweisen
- Ferromagnetische Elemente können dauerhaft magnetisiert werden
- Der Curie-Punkt: eine Begrenzung auf die Dauerhaftigkeit eines Magneten
- Magnetit ist ferrimagnetisch und nicht ferromagnetisch
- Antiferromagnetismus ist eine andere Art des geordneten Magnetismus
Magnetismus und Elektrizität sind so eng miteinander verbunden, dass man sie sogar als zwei Seiten einer Medaille betrachten könnte. Die magnetischen Eigenschaften einiger Metalle sind auf die Bedingungen des elektrostatischen Feldes in den Atomen zurückzuführen, aus denen sich das Metall zusammensetzt.
Tatsächlich haben alle Elemente magnetische Eigenschaften, aber die meisten manifestieren sie nicht auf offensichtliche Weise. Die Metalle, die von Magneten angezogen werden, haben eines gemeinsam: ungepaarte Elektronen in ihren Außenschalen. Das ist nur ein elektrostatisches Rezept für Magnetismus und das wichtigste.
Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus
Metalle, die Sie permanent magnetisieren können, werden als bezeichnet ferromagnetisch Metalle, und die Liste dieser Metalle ist klein. Der Name kommt von Ferrum, das lateinische Wort für Eisen _._
Es gibt eine viel längere Liste von Materialien, die es gibt paramagnetischDies bedeutet, dass sie vorübergehend magnetisiert werden, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind. Paramagnetische Materialien sind nicht alle Metalle. Einige kovalente Verbindungen wie Sauerstoff (O2) zeigen Paramagnetismus, ebenso wie einige ionische Feststoffe.
Alle Materialien, die nicht ferromagnetisch oder paramagnetisch sind diamagnetischDies bedeutet, dass sie eine leichte Abstoßung gegen Magnetfelder aufweisen und ein gewöhnlicher Magnet sie nicht anzieht. Tatsächlich sind alle Elemente und Verbindungen bis zu einem gewissen Grad diamagnetisch.
Um die Unterschiede zwischen diesen drei Magnetismusklassen zu verstehen, muss man sich ansehen, was auf atomarer Ebene vor sich geht.
Umlaufende Elektronen erzeugen ein Magnetfeld
In dem gegenwärtig akzeptierten Modell des Atoms besteht der Kern aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen, die von der starken Kraft, einer der fundamentalen Kräfte der Natur, zusammengehalten werden. Eine Wolke negativ geladener Elektronen, die diskrete Energieniveaus oder Schalen einnehmen, umgibt den Kern und diese verleihen magnetische Eigenschaften.
Ein umkreistes Elektron erzeugt ein sich änderndes elektrisches Feld, und nach Maxwells Gleichungen ist dies das Rezept für ein magnetisches Feld. Die Größe des Feldes entspricht der Fläche innerhalb der Umlaufbahn multipliziert mit dem Strom. Ein einzelnes Elektron erzeugt einen winzigen Strom und das daraus resultierende Magnetfeld, das in Einheiten gemessen wird Bohr Magnetonenist auch winzig. In einem typischen Atom heben sich die von allen umlaufenden Elektronen erzeugten Felder im Allgemeinen auf.
Elektronenspin beeinflusst die magnetischen Eigenschaften
Es ist nicht nur die Umlaufbewegung eines Elektrons, die Ladung erzeugt, sondern auch eine andere Eigenschaft, die als bekannt ist Dreh. Wie sich herausstellt, ist der Spin für die Bestimmung der magnetischen Eigenschaften viel wichtiger als die Orbitalbewegung, da der Gesamtspin in einem Atom eher asymmetrisch ist und ein magnetisches Moment erzeugen kann.
Sie können sich Spin als Drehrichtung eines Elektrons vorstellen, obwohl dies nur eine grobe Annäherung ist. Spin ist eine intrinsische Eigenschaft von Elektronen, kein Bewegungszustand. Ein Elektron, das sich im Uhrzeigersinn dreht, hat positive Drehung, oder drehen, während einer, der sich gegen den Uhrzeigersinn dreht, hat negativer Spinoder drehen Sie nach unten.
Nicht gepaarte Elektronen weisen magnetische Eigenschaften auf
Elektronenspin ist eine quantenmechanische Eigenschaft ohne klassische Analogie und bestimmt die Anordnung von Elektronen um den Kern. Elektronen ordnen sich in jeder Schale in Spin-up- und Spin-down-Paaren an, um ein Null-Netz zu erzeugen magnetisches Moment.
Die Elektronen, die für die Erzeugung magnetischer Eigenschaften verantwortlich sind, befinden sich im äußersten Bereich oder Wertigkeit, Schalen des Atoms. Im Allgemeinen erzeugt das Vorhandensein eines ungepaarten Elektrons in einer äußeren Atomhülle ein magnetisches Nettomoment und verleiht magnetische Eigenschaften, wohingegen Atome mit gepaarten Elektronen in der äußeren Hülle keine Nettoladung aufweisen und diamagnetisch sind. Dies ist eine übermäßige Vereinfachung, da Valenzelektronen in einigen Elementen, insbesondere Eisen (Fe), Schalen mit niedrigerer Energie einnehmen können.
Alles ist diamagnetisch, einschließlich einiger Metalle
Die Stromschleifen, die durch umlaufende Elektronen erzeugt werden, machen jedes Material diamagnetisch, denn wenn ein Magnetfeld angelegt wird, richten sich alle Stromschleifen entgegengesetzt dazu aus und sind dem Feld entgegengesetzt. Dies ist eine Anwendung von Lenzs Gesetz, der besagt, dass ein induziertes Magnetfeld dem Feld, das es erzeugt, entgegengesetzt ist. Wenn der Elektronenspin nicht in die Gleichung eingehen würde, wäre das das Ende der Geschichte, aber der Spin tritt in sie ein.
Die Summe magnetisches Moment J eines Atoms ist die Summe seiner Bahndrehimpuls und sein Drehimpuls. Wann J = 0 ist das Atom nicht magnetisch und wann J≥ 0 ist das Atom magnetisch, was passiert, wenn mindestens ein ungepaartes Elektron vorhanden ist.
Folglich ist jedes Atom oder jede Verbindung mit vollständig gefüllten Orbitalen diamagnetisch. Helium und alle Edelgase sind offensichtliche Beispiele, aber einige Metalle sind auch diamagnetisch. Hier einige Beispiele:
Diamagnetismus ist nicht das Nettoergebnis davon, dass einige Atome in einer Substanz durch ein Magnetfeld in eine Richtung und andere in eine andere Richtung gezogen werden. Jedes Atom in einem diamagnetischen Material ist diamagnetisch und erfährt die gleiche schwache Abstoßung gegen ein äußeres Magnetfeld. Diese Abstoßung kann interessante Effekte erzeugen. Wenn Sie einen Stab aus einem diamagnetischen Material wie Gold in einem starken Magnetfeld aufhängen, richtet er sich senkrecht zum Feld aus.
Einige Metalle sind paramagnetisch
Wenn mindestens ein Elektron in der äußeren Hülle eines Atoms ungepaart ist, hat das Atom ein magnetisches Nettomoment und richtet sich mit einem externen Magnetfeld aus. In den meisten Fällen geht die Ausrichtung verloren, wenn das Feld entfernt wird. Dies ist paramagnetisches Verhalten, und Verbindungen können es ebenso wie Elemente aufweisen.
Einige der häufigsten paramagnetischen Metalle sind:
Einige Metalle sind so schwach paramagnetisch, dass ihre Reaktion auf ein Magnetfeld kaum spürbar ist. Die Atome richten sich mit einem Magnetfeld aus, aber die Ausrichtung ist so schwach, dass ein gewöhnlicher Magnet sie nicht anzieht.
Mit einem Permanentmagneten konnte man das Metall nicht aufheben, egal wie sehr man es versuchte. Sie könnten jedoch das im Metall erzeugte Magnetfeld messen, wenn Sie ein ausreichend empfindliches Instrument hätten. Wenn ein Stab aus einem paramagnetischen Metall in ein Magnetfeld mit ausreichender Stärke gebracht wird, richtet er sich parallel zum Feld aus.
Sauerstoff ist paramagnetisch und Sie können es beweisen
Wenn Sie an einen Stoff mit magnetischen Eigenschaften denken, denken Sie im Allgemeinen an ein Metall, aber einige Nichtmetalle wie Calcium und Sauerstoff sind auch paramagnetisch. Sie können die paramagnetische Natur von Sauerstoff anhand eines einfachen Experiments selbst nachweisen.
Gießen Sie flüssigen Sauerstoff zwischen die Pole eines starken Elektromagneten, und der Sauerstoff sammelt sich an den Polen und verdampft, wodurch eine Gaswolke entsteht. Versuchen Sie das gleiche Experiment mit flüssigem Stickstoff, der nicht paramagnetisch ist, und nichts wird passieren.
Ferromagnetische Elemente können dauerhaft magnetisiert werden
Einige magnetische Elemente sind so anfällig für äußere Felder, dass sie magnetisiert werden, wenn sie einem ausgesetzt werden, und sie behalten ihre magnetischen Eigenschaften bei, wenn das Feld entfernt wird. Diese ferromagnetischen Elemente umfassen:
Diese Elemente sind ferromagnetisch, weil einzelne Atome mehr als ein ungepaartes Elektron in ihrer Umlaufbahn haben. aber da ist noch etwas anderes los. Die Atome dieser Elemente bilden Gruppen, bekannt als DomainsWenn Sie ein Magnetfeld einführen, richten sich die Domänen am Feld aus und bleiben ausgerichtet, auch nachdem Sie das Feld entfernt haben. Diese verzögerte Antwort ist bekannt als Hysterese, und es kann Jahre dauern.
Einige der stärksten Permanentmagnete sind als bekannt Seltenerdmagnete. Zwei der häufigsten sind Neodym Magnete, die aus einer Kombination von Neodym, Eisen und Bor bestehen, und Samarium-Kobalt Magnete, die eine Kombination dieser beiden Elemente sind. Bei jeder Art von Magneten wird ein ferromagnetisches Material (Eisen, Kobalt) durch ein paramagnetisches Seltenerdelement verstärkt.
Ferrit Magnete, die aus Eisen bestehen, und Alnico Magnete, die aus einer Kombination von Aluminium, Nickel und Kobalt bestehen, sind im Allgemeinen schwächer als Seltenerdmagnete. Dies macht sie sicherer und besser für wissenschaftliche Experimente geeignet.
Der Curie-Punkt: eine Begrenzung auf die Dauerhaftigkeit eines Magneten
Jedes magnetische Material hat eine charakteristische Temperatur, über der es beginnt, seine magnetischen Eigenschaften zu verlieren. Dies ist als das bekannt Curie-Punkt, benannt nach Pierre Curie, dem französischen Physiker, der die Gesetze entdeckte, die die magnetische Fähigkeit zur Temperatur in Beziehung setzen. Oberhalb des Curie-Punktes beginnen die Atome in einem ferromagnetischen Material ihre Ausrichtung zu verlieren und das Material wird paramagnetisch oder, wenn die Temperatur hoch genug ist, diamagnetisch.
Der Curie-Punkt für Eisen beträgt 770 ° C (1418 ° F) und für Kobalt 1.121 ° C (2.050 ° F). Dies ist einer der höchsten Curie-Punkte. Wenn die Temperatur unter den Curie-Punkt fällt, erhält das Material seine ferromagnetischen Eigenschaften zurück.
Magnetit ist ferrimagnetisch und nicht ferromagnetisch
Magnetit, auch Eisenerz oder Eisenoxid genannt, ist das grau-schwarze Mineral mit der chemischen Formel Fe3O4 das ist der Rohstoff für Stahl. Es verhält sich wie ein ferromagnetisches Material und wird permanent magnetisiert, wenn es einem externen Magnetfeld ausgesetzt wird. Bis zur Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts nahmen alle an, dass es ferromagnetisch ist, aber es ist tatsächlich so ferrimagnetischund es gibt einen signifikanten Unterschied.
Der Ferrimagnetismus von Magnetit ist nicht die Summe der magnetischen Momente aller Atome im Material, was wahr wäre, wenn das Mineral ferromagnetisch wäre. Es ist eine Folge der Kristallstruktur des Minerals.
Magnetit besteht aus zwei getrennten Gitterstrukturen, einer oktaedrischen und einer tetraedrischen. Die beiden Strukturen weisen entgegengesetzte, aber ungleiche Polaritäten auf, und der Effekt besteht darin, ein magnetisches Nettomoment zu erzeugen. Andere bekannte ferrimagnetische Verbindungen schließen Yttriumeisengranat und Pyrrhotit ein.
Antiferromagnetismus ist eine andere Art des geordneten Magnetismus
Unterhalb einer bestimmten Temperatur, die als Néel Temperatur Nach dem französischen Physiker Louis Néel verlieren einige Metalle, Legierungen und ionische Feststoffe ihre paramagnetischen Eigenschaften und reagieren nicht mehr auf äußere Magnetfelder. Sie werden im Wesentlichen entmagnetisiert. Dies geschieht, weil sich Ionen in der Gitterstruktur des Materials in antiparallelen Anordnungen in der gesamten Struktur ausrichten und entgegengesetzte Magnetfelder erzeugen, die sich gegenseitig aufheben.
Die Néel-Temperaturen können in der Größenordnung von -150 ° C (-240 ° F) sehr niedrig sein, so dass die Verbindungen für alle praktischen Zwecke paramagnetisch sind. Einige Verbindungen haben jedoch Néel-Temperaturen im Bereich von Raumtemperatur oder darüber.
Antiferromagnetische Materialien zeigen bei sehr niedrigen Temperaturen kein magnetisches Verhalten. Bei steigender Temperatur lösen sich einige Atome aus der Gitterstruktur und richten sich mit dem Magnetfeld aus, und das Material wird schwach magnetisch. Wenn die Temperatur die Néel-Temperatur erreicht, erreicht dieser Paramagnetismus seinen Höhepunkt, aber wenn die Temperatur über diesen Punkt ansteigt, hindert die thermische Bewegung die Atome daran, ihre Ausrichtung mit dem Feld aufrechtzuerhalten, und der Magnetismus fällt stetig ab.
Nicht viele Elemente sind antiferromagnetisch - nur Chrom und Mangan. Antiferromagnetische Verbindungen umfassen Manganoxid (MnO), einige Formen von Eisenoxid (Fe2O3) und Wismutferrit (BiFeO3).