لماذا المغناطيس لها أي آثار على بعض المعادن

المحتوى

• دياماجنيتيسم ، باراماجنيتيسم و فيرومغناطيسية
• تدور الإلكترونات في إنشاء مجال مغناطيسي
• الإلكترون سبين يؤثر على الخصائص المغناطيسية
• الإلكترونات غير الزوجية تمنح الخواص المغناطيسية
• كل شيء ثنائي المغناطيسية ، بما في ذلك بعض المعادن
• بعض المعادن غير المغناطيسية
• الأكسجين شبه مغناطيسي ، ويمكنك إثبات ذلك
• يمكن أن تصبح العناصر المغناطيسية المغناطيسية بشكل دائم
• كوري بوينت: الحد من دوام المغناطيس
• المغنتيت مغنطيسي ، لا مغنطيسي
• Antiferromagnetism هو نوع آخر من المغناطيسية المطلوبة

ترتبط المغناطيسية والكهرباء بشكل وثيق بحيث يمكنك اعتبارهما وجهين لعملة واحدة. الخواص المغناطيسية التي تظهرها بعض الفلزات هي نتيجة لظروف المجال الكهربائي في الذرات التي تشكل المعدن.

في الواقع ، كل العناصر لها خصائص مغناطيسية ، لكن معظمها لا يظهر بشكل واضح. تشترك المعادن التي تنجذب إلى المغناطيس في شيء واحد ، ألا وهو الإلكترونات غير المرسومة في قشرتها الخارجية. هذا مجرد وصفة كهرباء واحدة للمغناطيسية ، والأهم من ذلك.

دياماجنيتيسم ، باراماجنيتيسم و فيرومغناطيسية

تعرف المعادن التي يمكنك جذبها دائمًا باسم عالي الأنفاذية المعادن ، وقائمة هذه المعادن صغيرة. الاسم يأتي من FERRUM، الكلمة اللاتينية للحديد _.

هناك قائمة أطول بكثير من المواد التي هي متوازي المغنطيسيةوهو ما يعني أنها تصبح ممغنطة مؤقتًا عندما يكون ذلك في وجود مجال مغناطيسي. المواد شبه المغناطيسية تخلخل جميع المعادن. بعض المركبات التساهمية ، مثل الأكسجين (O₂) تظهر paramagnetism ، كما تفعل بعض المواد الصلبة الأيونية.

جميع المواد التي تخلخل المغناطيسية أو paramagnetic هي diamagneticمما يعني أنها تظهر تنافرًا طفيفًا للمجالات المغناطيسية ، ولا يجذبها المغناطيس العادي. في الواقع ، جميع العناصر والمركبات تكون مغناطيسية إلى حد ما.

لفهم الاختلافات بين هذه الفئات الثلاثة من المغناطيسية ، عليك أن تنظر إلى ما يجري على المستوى الذري.

تدور الإلكترونات في إنشاء مجال مغناطيسي

في النموذج المقبول حاليًا للذرة ، تتكون النواة من بروتونات موجبة الشحنة و نيوترونات محايدة كهربائياً تحتفظ بها القوة القوية ، وهي إحدى قوى الطبيعة الأساسية. تحيط سحابة من الإلكترونات سالبة الشحنة التي تحتل مستويات الطاقة المنفصلة ، أو القذائف ، النواة ، وهذه هي ما تنقل الصفات المغناطيسية.

يولد الإلكترون المداري مجالًا كهربائيًا متغيرًا ، ووفقًا لمعادلات ماكسويلز ، هذه هي الوصفة للحقل المغناطيسي. حجم الحقل يساوي المساحة داخل المدار مضروبة بالتيار. يولد الإلكترون الفردي تيارًا صغيرًا ، والحقل المغناطيسي الناتج ، الذي يتم قياسه بوحدات تسمى مغناطيسات بوهر، هي أيضا صغيرة. في ذرة نموذجية ، الحقول التي تولدها جميع الإلكترونات المدارية لها تلغي بعضها بعضًا.

الإلكترون سبين يؤثر على الخصائص المغناطيسية

انها ليست مجرد الحركة المدارية للإلكترون الذي يخلق الشحن ، ولكن أيضا خاصية أخرى معروفة باسم غزل. كما اتضح ، فإن الدوران أكثر أهمية بكثير في تحديد الخواص المغناطيسية من الحركة المدارية ، لأن الدوران الشامل في الذرة من المرجح أن يكون غير متماثل وقادر على خلق لحظة مغناطيسية.

يمكنك التفكير في الدوران باعتباره اتجاه دوران الإلكترون ، على الرغم من أن هذا مجرد تقريب تقريبي. تدور هي خاصية جوهرية للإلكترونات ، وليست حالة حركة. الإلكترون الذي يدور في اتجاه عقارب الساعة لديه الايجابية، أو تدور ، في حين أن واحدة تدور عكس عقارب الساعة لديها تدور سلبي، أو تدور باستمرار.

الإلكترونات غير الزوجية تمنح الخواص المغناطيسية

تدور الإلكترون خاصية ميكانيكية كمومية دون تشبيه كلاسيكي ، وهي تحدد موضع الإلكترونات حول النواة. تقوم الإلكترونات بترتيب نفسها في أزواج تدور إلى أسفل وتدور في كل غلاف حتى تتمكن من إنشاء شبكة صفرية لحظة جاذبة.

الإلكترونات المسؤولة عن إنشاء الخواص المغناطيسية هي تلك الموجودة في الأبعد ، أو تكافؤقذائف الذرة. بشكل عام ، فإن وجود إلكترون غير زوجي في ذرة خارجية يخلق لحظة مغناطيسية صافية ويمنح خصائص مغناطيسية ، في حين أن الذرات مع الإلكترونات المقترنة في الغلاف الخارجي ليس لها شحنة صافية وتكون مغناطيسية. هذا تبسيط مفرط ، لأن إلكترونات التكافؤ يمكنها أن تحتل أصداف طاقة أقل في بعض العناصر ، خاصة الحديد (Fe).

كل شيء ثنائي المغناطيسية ، بما في ذلك بعض المعادن

تجعل الحلقات الحالية التي يتم إنشاؤها بواسطة الإلكترونات المدارية كل مادة مغناطيسية ، لأنه عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي ، فإن الحلقات الحالية جميعها تتعارض مع ذلك وتعارض الحقل. هذا هو تطبيق قانون لينز، التي تنص على أن المجال المغناطيسي المستحث يعارض الحقل الذي ينشئه. إذا لم يدخل الإلكترون في الدوران في المعادلة ، فستكون هذه هي نهاية القصة ، لكن الدوران يدخل فيها.

المجموع لحظة جاذبة J من ذرة هو مجموع لها الزخم الزاوي المداري و تدور الزخم الزاوي. متى J = 0 ، الذرة غير مغناطيسية ، ومتى J≠ 0 ، الذرة مغناطيسية ، والتي تحدث عندما يكون هناك إلكترون واحد على الأقل غير متزاوج.

وبالتالي ، فإن أي ذرة أو مركب يحتوي على مدارات ممتلئة تمامًا يكون مغناطيسيًا. الهليوم وجميع الغازات النبيلة هي أمثلة واضحة ، ولكن بعض المعادن أيضا المغناطيسية. وفيما يلي بعض الأمثلة على ذلك:

ليست المغناطيسية الثنائية هي النتيجة الصافية لبعض الذرات في مادة يتم سحبها بطريقة ما بواسطة مجال مغناطيسي بينما يتم سحب بعضها الآخر في اتجاه آخر. كل ذرة في مادة مغنطيسية تكون مغنطيسية وتواجه نفس التنافر الضعيف في مجال مغناطيسي خارجي. هذا التنافر يمكن أن يخلق تأثيرات مثيرة للاهتمام. إذا قمت بتعليق قضيب من مادة مغناطيسية ، مثل الذهب ، في مجال مغناطيسي قوي ، فسوف يقوم بمحاذاة نفسه بشكل عمودي مع الحقل.

بعض المعادن غير المغناطيسية

إذا كان هناك إلكترون واحد على الأقل في الغلاف الخارجي للذرات غير مقيد ، فإن الذرة لديها لحظة مغناطيسية صافية ، وسوف تتماشى مع مجال مغناطيسي خارجي. في معظم الحالات ، يتم فقد المحاذاة عند إزالة الحقل. هذا هو السلوك المغنطيسي ، ويمكن للمركبات أن تظهر عليه وكذلك العناصر.

بعض الفلزات المغنطيسية الأكثر شيوعًا هي:

بعض المعادن تكون مغناطيسية ضعيفة لدرجة أن استجابتها للحقل المغناطيسي بالكاد ملحوظة. تتوافق الذرات مع مجال مغناطيسي ، لكن المحاذاة ضعيفة جدًا بحيث لا يجذبها المغناطيس العادي.

لا يمكن أن تلتقط المعدن بمغناطيس دائم ، بغض النظر عن مدى جربتك. ومع ذلك ، ستكون قادرًا على قياس المجال المغناطيسي المتولد في المعدن إذا كان لديك جهاز حساس بدرجة كافية. عند وضعها في مجال مغناطيسي ذي قوة كافية ، فإن قضيبًا من المعدن المغنطيسي سيحاذي موازيته مع الحقل.

الأكسجين شبه مغناطيسي ، ويمكنك إثبات ذلك

عندما تفكر في مادة لها خواص مغناطيسية ، فإنك تفكر عمومًا في المعدن ، ولكن بعض العناصر غير المعدنية ، مثل الكالسيوم والأكسجين ، هي أيضًا مغنطيسية. يمكنك إثبات طبيعة الأوكسيجين شبه المغناطيسية لنفسك من خلال تجربة بسيطة.

صب الأكسجين السائل بين أقطاب المغناطيس الكهربائي القوي ، وسوف يجمع الأكسجين على القطبين ويبخر ، مما ينتج سحابة من الغاز. جرب نفس التجربة مع النيتروجين السائل ، وهو أمر غير مغنطيسي ، ولن يحدث شيء.

يمكن أن تصبح العناصر المغناطيسية المغناطيسية بشكل دائم

بعض العناصر المغناطيسية تكون عرضة للحقول الخارجية بحيث تصبح ممغنطة عندما تتعرض لأحدها ، وتحافظ على خصائصها المغناطيسية عند إزالة الحقل. تشمل هذه العناصر المغناطيسية ما يلي:

هذه العناصر مغنطيسية مغناطيسية لأن الذرات المفردة بها أكثر من إلكترون واحد غير متزاوج في غلافها المداري. لكن هناك شيء آخر يحدث أيضًا. تشكل ذرات هذه العناصر مجموعات معروفة باسم المجالاتوعندما تقوم بتقديم مجال مغناطيسي ، فإن المجالات تتماشى مع الحقل وتبقى محاذاة ، حتى بعد إزالة الحقل. يعرف هذا الرد المتأخر باسم تلاكؤ، ويمكن أن تستمر لسنوات.

بعض أقوى مغناطيس دائم معروفة مغناطيس الأرضية النادرة. اثنان من الاكثر شيوعا هي النيوديميوم المغناطيس ، والتي تتكون من مزيج من النيوديميوم والحديد والبورون ، و ساماريوم الكوبالت المغناطيس ، والتي هي مزيج من هذين العنصرين. في كل نوع من المغناطيس ، يتم تحصين مادة مغنطيسية حديدية (الحديد والكوبالت) بواسطة عنصر أرضي نادر مغنطيسي.

الفريت مركب حديدي المغناطيس ، والتي هي مصنوعة من الحديد ، و النيكو المغناطيس ، المصنوع من مزيج من الألمنيوم والنيكل والكوبالت ، أضعف بشكل عام من المغناطيسات الأرضية النادرة. هذا يجعلها أكثر أمانًا للاستخدام وأكثر ملاءمة للتجارب العلمية.

كوري بوينت: الحد من دوام المغناطيس

كل المواد المغناطيسية لها درجة حرارة مميزة فوقها تبدأ في فقدان خصائصها المغناطيسية. هذا هو المعروف باسم نقطة كوري، سمي على اسم بيير كوري ، عالم الفيزياء الفرنسي الذي اكتشف القوانين التي تربط القدرة المغناطيسية بدرجات الحرارة. فوق نقطة كوري ، تبدأ ذرات المادة المغناطيسية في فقد محاذاة ، وتصبح المادة مغنطيسية ، أو إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة بدرجة كافية ، تكون مغناطيسية.

تبلغ نقطة كوري للحديد 1418 فهرنهايت (770 درجة مئوية) ، وبالنسبة للكوبالت تبلغ مساحتها 2050 فهرنهايت (1112 مئوية) ، وهي واحدة من أعلى نقاط كوري. عندما تنخفض درجة الحرارة عن نقطة كوري ، تستعيد المادة خصائصها المغناطيسية.

المغنتيت مغنطيسي ، لا مغنطيسي

المغنتيت ، المعروف أيضا باسم خام الحديد أو أكسيد الحديد ، هو المعدن الرمادي والأسود مع الصيغة الكيميائية الحديد₃O₄ هذه هي المادة الخام للصلب. يتصرف مثل المواد المغناطيسية المغناطيسية ، ويصبح ممغنطًا دائمًا عند تعرضه لحقل مغناطيسي خارجي. حتى منتصف القرن العشرين ، افترض الجميع أن يكون المغناطيسية الحديدية ، ولكن في الواقع ferrimagnetic، وهناك فرق كبير.

لا تعد المغناطيسية المغناطيسية للمغنتيت هي مجموع اللحظات المغناطيسية لجميع الذرات الموجودة في المادة ، وهو ما سيكون صحيحًا إذا كان المعدن مغنطيسياً. لها نتيجة للتركيب البلوري للمعادن نفسها.

يتكون المغنتيت من هيكلين شبكيين منفصلين ، أحدهما ثماني السطوح وواحد رباعي السطوح. لهذين الهيكلين أقطاب متعارضة لكن غير متساوية ، والأثر هو إنتاج لحظة مغناطيسية صافية. تشمل المركبات الحديدية الأخرى المعروفة العقيق والحديد الإيتريوم.

Antiferromagnetism هو نوع آخر من المغناطيسية المطلوبة

تحت درجة حرارة معينة ، والتي تسمى درجة حرارة نيل بعد الفيزيائي الفرنسي لويس نيل ، تفقد بعض المعادن والسبائك والمواد الصلبة الأيونية صفاتها المغناطيسية وتصبح غير مستجيبة للحقول المغناطيسية الخارجية. أنها تصبح أساسا إزالة المغناطيسية. يحدث هذا لأن الأيونات الموجودة في بنية الشبكة شعرية المواد محاذاة أنفسهم في ترتيبات عكسية في جميع أنحاء الهيكل ، وخلق حقول مغناطيسية معارضة التي تلغي بعضها البعض.

يمكن أن تكون درجات حرارة نيل منخفضة للغاية ، في حدود -150 درجة مئوية (-240 فهرنهايت) ، مما يجعل المركبات شبه مغناطيسية لجميع الأغراض العملية. ومع ذلك ، فإن بعض المركبات لديها درجات حرارة نيل في نطاق درجة حرارة الغرفة أو أعلى.

في درجات حرارة منخفضة للغاية ، لا تظهر المواد المضادة للالمغناطيسية أي سلوك مغناطيسي. مع ارتفاع درجة الحرارة ، تتحرر بعض الذرات من هيكل الشبكة وتتماشى مع المجال المغناطيسي ، وتصبح المادة مغناطيسية ضعيفة. عندما تصل درجة الحرارة إلى درجة حرارة نيل ، تصل هذه المغنطيسية إلى ذروتها ، ولكن مع ارتفاع درجة الحرارة إلى ما بعد هذه النقطة ، يمنع التحريض الحراري الذرات من الحفاظ على توافقها مع الحقل ، وينخفض ​​المغناطيسية بشكل مطرد.

لا يوجد العديد من العناصر المضادة للالمغناطيسية - الكروم والمنغنيز فقط. تشمل المركبات المضادة للالمغناطيسية أكسيد المنغنيز (MnO) ، وبعض أشكال أكسيد الحديد (Fe₂O₃الفريت البزموت (BiFeO₃).