Hvorfor nogle metaller modstår magneter:Diamagnetisme, paramagnetisme og ferromagnetisme forklaret

Af Chris Deziel, opdateret marts242022

Magnetisme og elektricitet er dybt sammenflettede fænomener, der ofte kan ses som to sider af samme mønt. Den magnetiske opførsel af metaller stammer fra arrangementet af elektroner i deres atomskaller.

Hvert element har magnetiske egenskaber, selvom de fleste er subtile og ikke umiddelbart synlige. Metaller, der tiltrækker magneter, deler et fælles træk:uparrede elektroner i deres yderste skaller. Denne elektroniske konfiguration er den vigtigste drivkraft for magnetisme.

Diamagnetisme, Paramagnetisme og Ferromagnetisme

Metaller, der kan magnetiseres permanent, kaldes ferromagnetiske . Listen er kort, og udtrykket stammer fra det latinske ord for jern, ferrum .

I modsætning hertil paramagnetisk materialer bliver midlertidigt magnetiserede, når de udsættes for et magnetfelt. Klassen omfatter ikke kun metaller, men også kovalente molekyler såsom oxygen (O₂) og forskellige ioniske faste stoffer.

Alt, der hverken er ferromagnetisk eller paramagnetisk, er diamagnetisk . Diamagnetiske stoffer udviser en lille frastødning til magnetiske felter, så en konventionel magnet trækker ikke i dem. I virkeligheden udviser alle materialer i en eller anden grad diamagnetisme.

Hvordan elektroner genererer magnetiske felter

Ifølge den accepterede atommodel indeholder kernen positivt ladede protoner og elektrisk neutrale neutroner, holdt sammen af den stærke kernekraft. Omkring kernen er en sky af elektroner, der optager diskrete energiniveauer eller skaller. Disse elektroner er ansvarlige for et atoms magnetiske egenskaber.

Når en elektron kredser om kernen, producerer den et skiftende elektrisk felt, der ved Maxwells ligninger genererer et magnetfelt. Feltets størrelse er lig med arealet inde i kredsløbet ganget med strømmen. Hver elektron bidrager med en lille strøm, og det resulterende magnetiske moment måles i Bohr-magnetoner. I et typisk atom udligner de magnetiske felter af alle kredsende elektroner og efterlader et netto nulmoment.

Elektronspin:Den dominerende faktor

Ud over orbital bevægelse har elektroner en iboende egenskab kaldet spin , hvilket er afgørende for at bestemme magnetisk adfærd. Spin er ikke en klassisk rotation, men en iboende vinkelmomentum. Elektroner med spin "op" har positivt spin, mens dem med spin "ned" har negativ spin.

Fordi spin har tendens til at være ubalanceret, producerer det ofte et netto magnetisk moment i et atom, hvorimod kredsløbsbidrag kan annullere. Således dominerer spin over kredsløbsbevægelser i udformningen af magnetiske egenskaber.

U-parrede elektroner og magnetiske momenter

Elektroner optager skaller i spin-up og spin-down par, hvilket typisk resulterer i nul netto magnetisk moment. Den yderste, eller valens , skal bestemmer et elements magnetiske karakter. En uparret elektron i denne skal skaber et netto magnetisk moment, hvilket gør elementet magnetisk; fuldt parrede valenselektroner fører til diamagnetisme.

Denne regel gælder for de fleste grundstoffer, selvom visse overgangsmetaller som jern (Fe) har valenselektroner, der kan opholde sig i lavere energiskaller.

Diamagnetisme:Den universelle reaktion

Fordi hver elektronsløjfe genererer et magnetfelt, udviser alle materialer diamagnetisme. Når et eksternt magnetfelt påføres, modarbejder de inducerede strømme feltet - en konsekvens af Lenz's lov. Denne svage frastødning er til stede i hvert stof, men er ofte for lille til at opdage uden følsomt udstyr.

Det samlede magnetiske moment, J , er lig med summen af orbital og spin vinkelmoment. Når J  =0, atomet er ikke-magnetisk; når J  ≠0, den er magnetisk og kræver mindst én uparret elektron.

Eksempler på diamagnetiske metaller omfatter:

• Zink
• Kviksølv
• Dåse
• Tellur
• Guld
• Sølv
• Kobber

I et stærkt magnetfelt vil en diamagnetisk genstand, såsom en guldbarre, orientere sig vinkelret på feltlinjerne, hvilket viser sin subtile modstand.

Paramagnetisme i metaller

Metaller med mindst én uparret ydre skalelektron er paramagnetiske. De flugter med et eksternt magnetfelt, men mister denne justering, når feltet er fjernet. Almindelige paramagnetiske metaller omfatter:

• Magnesium
• Aluminium
• Wolfram
• Platin

Selvom de ikke tiltrækkes af en permanent magnet, kan deres inducerede magnetiske momenter detekteres med følsomme instrumenter.

Oxygens paramagnetiske natur

Paramagnetisme er ikke eksklusivt for metaller. Molekyler som O₂ udviser det, mens ikke-metaller som calcium også er paramagnetiske. En klassisk demonstration involverer at placere flydende ilt mellem polerne på en kraftig elektromagnet; ilten klatrer op i polerne og fordamper og danner en synlig gassky. Det samme forsøg med flydende nitrogen, som er diamagnetisk, viser ingen bevægelse.

Ferromagnetisme og permanent magnetisering

Ferromagnetiske elementer bliver magnetiseret i et eksternt felt og bevarer denne magnetisering bagefter. Nøglen er tilstedeværelsen af ​​flere uparrede elektroner og dannelsen af ​​magnetiske domæner. Når et magnetfelt påføres, justeres domænerne, og justeringen fortsætter, selv efter at feltet er fjernet – et fænomen kendt som hysterese, som kan vare i årevis.

Ferromagnetiske elementer omfatter:

• jern
• Nikkel
• Kobolt
• Gadolinium
• Ruthenium

Højtydende permanente magneter er typisk sjældne jordarters magneter. Neodymmagneter (NdFeB) og samarium-koboltmagneter (SmCo) kombinerer en ferromagnetisk kerne med et paramagnetisk sjælden jordarters element. Ferrit (jernoxid) og alnico (AlNiCo) magneter er også ferromagnetiske, men generelt svagere.

Kuriepunktet:Temperaturen begrænser magnetisme

Ethvert magnetisk materiale har en karakteristisk temperatur, Curie-punktet , over hvilken dens magnetiske orden kollapser. For jern er Curie-punktet 1.418°F (770°C); for kobolt er det 2.050 °F (1.121 °C). Over disse temperaturer bliver materialet paramagnetisk eller diamagnetisk. Afkøling under Curie-punktet genopretter ferromagnetismen.

Ferrimagnetism vs. Ferromagnetism:The Case of Magnetite

Magnetit (Fe₃O4) beskrives ofte som ferromagnetisk, men er faktisk ferrimagnetisk. Dens krystalstruktur indeholder to gennemtrængende gitter - oktaedriske og tetraedriske - med modsatrettede, men uens magnetiske momenter, hvilket resulterer i et netto magnetisk moment. Andre ferrimagnetiske materialer omfatter yttriumjerngranat og pyrrhotit.

Antiferromagnetisme og Néel-temperaturen

Under et materiales Néel-temperatur , visse metaller, legeringer og ioniske faste stoffer går fra paramagnetisk til antiferromagnetisk og mister deres reaktion på eksterne magnetfelter. I antiferromagnetisme justeres tilstødende spins antiparallelt og ophæver hinanden.

Néel temperaturer kan være ekstremt lave (≈–150°C) eller nær stuetemperatur, afhængigt af forbindelsen. Kun nogle få grundstoffer, såsom krom og mangan, udviser antiferromagnetisme. Bemærkelsesværdige antiferromagnetiske forbindelser omfatter manganoxid (MnO), nogle former for jernoxid (Fe₂O₃) og vismutferrit (BiFeO₃).

Efterhånden som temperaturen stiger, svækkes den antiferromagnetiske orden og når en topparamagnetisk respons ved Néel-temperaturen, før termisk omrøring mindsker justeringen.

Mens de fleste almindelige metaller er ferromagnetiske eller paramagnetiske, afslører forståelsen af disse magnetiske klassifikationer, hvorfor visse metaller forbliver upåvirket af konventionelle magneter.