Kandungan
- Diamagnetisme, Paramagnetisme dan Ferromagnetisme
- Elektron yang mengorbit Membuat Medan Magnetik
- Spin Electron Mempengaruhi Harta Magnetik
- Elektron Yang Tidak Dipasang menyerupai Hartanah Magnetik
- Semuanya adalah Diamagnetic, Termasuk Beberapa Logam
- Sesetengah Logam Adakah Paramagnetik
- Oksigen Adakah Paramagnetik, dan Anda Boleh Buktikannya
- Elemen Ferromagnetik Boleh Menjadi Tetap Magnetized
- Titik Curie: Had kepada Permanent Magnet
- Magnetit ialah Ferrimagnetic, Bukan Ferromagnetik
- Antiferromagnetisme Adalah Satu lagi Jenis Magnetisme yang diarahkan
Magnetisme dan elektrik disambung begitu rapat sehingga anda mungkin menganggap mereka dua sisi koin yang sama. Sifat-sifat magnet yang dipamerkan oleh beberapa logam adalah hasil dari keadaan medan elektrostatik dalam atom-atom yang membentuk logam.
Sebenarnya, semua elemen mempunyai sifat magnetik, tetapi kebanyakan tidak memperlihatkannya dengan cara yang jelas. Logam yang tertarik kepada magnet mempunyai satu perkara yang sama, dan itu adalah elektron yang tidak berpasangan di cangkang luar mereka. Itu hanya satu resipi elektrostatik untuk kemagnetan, dan yang paling penting.
Diamagnetisme, Paramagnetisme dan Ferromagnetisme
Logam yang anda boleh magnetkan secara kekal dikenali sebagai ferromagnetik logam, dan senarai logam-logam ini adalah kecil. Nama itu berasal dari ferum, perkataan Latin untuk besi _._
Terdapat banyak lagi bahan yang ada paramagnetic, yang bermaksud mereka menjadi magnet sementara ketika berada di hadapan medan magnet. Bahan-bahan paramagnetic tidak semua logam. Sebilangan sebatian kovalen, seperti oksigen (O2) mempamerkan paramagnetisme, seperti juga beberapa pepejal ionik.
Semua bahan yang tidak ferromagnetik atau paramagnetic adalah diamagnetic, yang bermaksud mereka menunjukkan sedikit penolakan terhadap medan magnet, dan magnet biasa tidak menarik mereka. Sebenarnya, semua elemen dan sebatian adalah diamagnetik ke tahap tertentu.
Untuk memahami perbezaan antara ketiga-tiga kelas magnet ini, anda perlu melihat apa yang berlaku di peringkat atom.
Elektron yang mengorbit Membuat Medan Magnetik
Dalam model atom yang diterima pada masa ini, nukleus terdiri daripada proton positif dan neutron neutral neutral yang dipegang bersama oleh daya kuat, salah satu daya asas alam semula jadi. Awan elektron bercas negatif menduduki tahap tenaga diskret, atau kerang, mengelilingi nukleus, dan ini adalah apa yang memberikan kualiti magnet.
Elektron yang mengorbit menghasilkan medan elektrik yang berubah-ubah, dan mengikut persamaan Maxwells, resipi untuk medan magnet. Magnitud medan adalah sama dengan kawasan di dalam orbit yang didarabkan oleh arus. Satu elektron individu menghasilkan arus kecil, dan medan magnet yang dihasilkan, yang diukur dalam unit dipanggil Magnet Bohr, juga kecil. Dalam atom yang tipikal, medan yang dihasilkan oleh semua elektron yang mengorbitnya biasanya membatalkan satu sama lain.
Spin Electron Mempengaruhi Harta Magnetik
Ia bukan hanya gerakan yang mengorbit elektron yang menghasilkan caj, tetapi juga harta lain yang dikenali sebagai berputar. Kerana ternyata, spin adalah lebih penting dalam menentukan sifat magnetik daripada gerakan orbit, kerana putaran keseluruhan dalam atom lebih cenderung tidak simetris dan mampu menghasilkan momen magnetik.
Anda boleh memikirkan spin sebagai arah putaran elektron, walaupun ini hanyalah perkiraan kasar. Spin adalah sifat intrinsik elektron, bukan keadaan gerakan. Satu elektron yang berputar mengikut arah jam mempunyai berputar positif, atau berputar, sementara yang berputar berlawanan arah lawan mempunyai putaran negatif, atau berputar.
Elektron Yang Tidak Dipasang menyerupai Hartanah Magnetik
Spin elektron adalah sifat mekanik kuantum tanpa analogi klasik, dan ia menentukan penempatan elektron di sekeliling nukleus. Elektron mengatur diri mereka dalam pasang spin-up dan spin-down dalam setiap cangkang untuk mencipta bersih sifar momen magnetik.
Elektron yang bertanggungjawab untuk menghasilkan sifat magnetik adalah yang berada di bahagian paling luar, atau valence, cangkang atom. Secara umumnya, kehadiran elektron yang tidak berpasangan di dalam shell luar atom menghasilkan momen magnetik bersih dan memberikan sifat magnetik, sedangkan atom dengan elektron berpasangan dalam cangkang luar tidak mempunyai pertuduhan bersih dan diamagnetik. Ini adalah penyederhanaan, kerana elektron valensi dapat menempuh kerang tenaga yang lebih rendah dalam beberapa unsur, terutamanya besi (Fe).
Semuanya adalah Diamagnetic, Termasuk Beberapa Logam
Gelung semasa yang dicipta oleh elektron yang mengorbit membuat setiap bahan diamagnetik, kerana apabila medan magnet digunakan, gelung semasa semua menjajarkan dalam pembangkang dan menentang medan. Ini adalah aplikasi untuk Undang-undang Lenzs, yang menyatakan bahawa medan magnet yang ditimbulkan menentang bidang yang menciptanya. Jika spin elektron tidak masuk ke dalam persamaan, itu akan menjadi akhir cerita, tetapi putaran masuk ke dalamnya.
Jumlah momen magnetik J daripada atom adalah jumlahnya momentum sudut orbit dan yang momentum sudut berputar. Bila J = 0, atom tidak magnetik, dan kapan J≠ 0, atom adalah magnet, yang berlaku apabila terdapat sekurang-kurangnya satu elektron yang tidak berpasangan.
Oleh itu, mana-mana atom atau kompaun dengan orbital yang terisi sepenuhnya adalah diamagnetik. Helium dan semua gas mulia adalah contoh jelas, tetapi beberapa logam juga diamagnetic. Berikut adalah beberapa contoh:
Diamagnetisme bukanlah hasil bersih beberapa atom dalam bahan yang ditarik satu arah oleh medan magnet dan yang lain ditarik ke arah lain. Setiap atom dalam bahan diamagnet adalah diamagnetik dan mengalami penolakan yang lemah terhadap medan magnet luar. Penolakan ini boleh mencipta kesan menarik. Jika anda menggantung bar bahan diamagnetik, seperti emas, dalam medan magnet yang kuat, ia akan menyelaraskan dirinya secara serentak ke medan.
Sesetengah Logam Adakah Paramagnetik
Jika sekurang-kurangnya satu elektron dalam cangkang luar atom tidak berpasangan, atom mempunyai momen magnetik bersih, dan ia akan menyelaraskan dirinya dengan medan magnet luar. Dalam kebanyakan kes, penyelarasan hilang apabila medan dikeluarkan. Ini adalah tingkah laku paramagnetik, dan sebatian boleh mempamerkannya serta unsur-unsur.
Sebahagian daripada logam paramagnet yang lebih biasa adalah:
Sesetengah logam sangat lemah paramagnetik bahawa tindak balas mereka terhadap medan magnet tidak begitu ketara. Atom sejajar dengan medan magnet, tetapi penjajaran sangat lemah sehingga magnet biasa tidak menariknya.
Anda tidak boleh mengambil logam dengan magnet kekal, tidak kira betapa kerasnya anda cuba. Walau bagaimanapun, anda akan dapat mengukur medan magnet yang dijana di dalam logam jika anda mempunyai instrumen yang cukup sensitif. Apabila diletakkan di dalam medan magnet kekuatan yang mencukupi, sebuah bar logam paramagnetik akan menyelaraskan dirinya selari dengan medan.
Oksigen Adakah Paramagnetik, dan Anda Boleh Buktikannya
Apabila anda memikirkan bahan yang mempunyai ciri-ciri magnet, anda biasanya memikirkan logam, tetapi beberapa logam bukan logam, seperti kalsium dan oksigen, juga paramagnetik. Anda boleh menunjukkan sifat-sifat paramagnetic untuk diri anda dengan percubaan mudah.
Tuangkan oksigen cecair di antara tiang elektromagnet yang kuat, dan oksigen akan mengumpul di kutub dan menguap, menghasilkan awan gas. Cuba percubaan yang sama dengan nitrogen cair, yang tidak paramagnetic, dan tiada apa yang akan berlaku.
Elemen Ferromagnetik Boleh Menjadi Tetap Magnetized
Sesetengah elemen magnet sangat terdedah kepada bidang luaran yang menjadi magnet apabila terdedah kepada satu, dan mereka mengekalkan ciri-ciri magnetnya apabila bidang itu dikeluarkan. Unsur-unsur feromagnetik ini termasuk:
Unsur-unsur ini adalah ferromagnet kerana atom individu mempunyai lebih daripada satu elektron yang tidak berpasangan dalam cangkang orbitnya. tetapi ada juga yang berlaku. Atom unsur-unsur ini membentuk kumpulan yang dikenali sebagai domain, dan apabila anda memperkenalkan medan magnet, domain menyelaraskan diri dengan medan dan tetap sejajar, walaupun selepas anda mengalihkan medan. Sambutan yang ditangguhkan ini dikenali sebagai histerisis, dan ia boleh bertahan selama bertahun-tahun.
Sebahagian daripada magnet tetap kuat dikenali sebagai magnet bumi nadir. Dua daripada yang paling biasa adalah neodymium magnet, yang terdiri daripada gabungan neodymium, besi dan boron, dan samarium kobalt magnet, yang merupakan gabungan kedua-dua elemen tersebut. Dalam setiap jenis magnet, bahan feromagnetik (besi, kobalt) dikuatkan oleh unsur jarang bumi paramagnetik.
Ferrite magnet, yang diperbuat daripada besi, dan alnico magnet, yang diperbuat daripada gabungan aluminium, nikel dan kobalt, umumnya lebih lemah daripada magnet nadir bumi. Ini menjadikan mereka lebih selamat untuk digunakan dan lebih sesuai untuk eksperimen sains.
Titik Curie: Had kepada Permanent Magnet
Setiap bahan magnet mempunyai suhu ciri di atas yang mana ia mula kehilangan ciri magnetnya. Ini dikenali sebagai Titik Curie, dinamakan selepas Pierre Curie, ahli fizik Perancis yang menemui undang-undang yang berkaitan dengan keupayaan magnet ke suhu. Di atas titik Curie, atom-atom dalam bahan ferromagnetik mula kehilangan penjajaran mereka, dan bahan menjadi paramagnetik atau, jika suhu cukup tinggi, diamagnetik.
Titik Curie untuk besi ialah 1418 F (770 C), dan untuk kobalt 2,050 F (1,121 C), yang merupakan salah satu titik Curie tertinggi. Apabila suhu jatuh di bawah titik Curie, bahan itu menaikkan semula ciri ferromagnetanya.
Magnetit ialah Ferrimagnetic, Bukan Ferromagnetik
Magnetit, juga dikenali sebagai bijih besi atau besi oksida, adalah mineral hitam kelabu dengan formula kimia Fe3O4 itu bahan mentah untuk keluli. Ia berfungsi seperti bahan ferromagnetik, menjadi magnet tetap apabila terdedah kepada medan magnet luar. Hingga pertengahan abad ke-20, semua orang menganggapnya sebagai ferromagnetik, tetapi sebenarnya ferrimagnetic, dan ada perbezaan yang signifikan.
Ferrimagnetism magnetit bukanlah jumlah momen magnetik semua atom dalam bahan, yang akan benar jika mineral adalah ferromagnetik. Its akibat struktur kristal mineral itu sendiri.
Magnetit terdiri daripada dua struktur kekisi yang berasingan, satu octahedral dan satu tetrahedral. Kedua-dua struktur ini menentang tetapi polariti tidak sama, dan kesannya adalah untuk menghasilkan momen magnetik bersih. Sebatian ferrimagnetic yang lain termasuk garnet besi yttrium dan pyrrhotite.
Antiferromagnetisme Adalah Satu lagi Jenis Magnetisme yang diarahkan
Di bawah suhu tertentu, yang dipanggil Suhu Néel selepas fizik Perancis Louis Néel, beberapa logam, aloi dan pepejal ionik kehilangan kualiti paramagnetic mereka dan menjadi tidak responsif kepada medan magnet luar. Mereka pada dasarnya menjadi demagnetized. Ini berlaku kerana ion dalam struktur kisi bahan menyelaraskan diri mereka dalam susunan antiparallel sepanjang struktur, mewujudkan medan magnet yang menentang yang membatalkan satu sama lain.
Suhu néel boleh sangat rendah, mengikut urutan -150 C (-240F), menjadikan sebatian paramagnetic untuk semua tujuan praktikal. Walau bagaimanapun, sesetengah sebatian mempunyai suhu Néel dalam julat suhu bilik atau di atas.
Pada suhu yang sangat rendah, bahan-bahan antiferromagnetik tidak menunjukkan tingkah laku magnetik. Apabila suhu meningkat, beberapa atom melepaskan struktur kisi dan menyelaraskan diri dengan medan magnet, dan bahan menjadi lemah magnet. Apabila suhu mencapai suhu Néel, paramagnetisme ini mencapai kemuncaknya, tetapi apabila suhu meningkat di luar titik ini, agitasi haba menghalang atom daripada mengekalkan penjajarannya dengan medan, dan daya tarikannya terus turun.
Tidak banyak unsur antiferromagnetik - hanya kromium dan mangan. Sebatian antiferromagnetik termasuk oksida mangan (MnO), beberapa bentuk besi oksida (Fe2O3) dan bismuth ferrite (BiFeO3).