Av Chris Deziel, uppdaterad mars242022
Magnetism och elektricitet är djupt sammanflätade fenomen som ofta kan ses som två sidor av samma mynt. Det magnetiska beteendet hos metaller härrör från arrangemanget av elektroner i deras atomskal.
Varje element har magnetiska egenskaper, även om de flesta är subtila och inte direkt uppenbara. Metaller som attraherar magneter har ett gemensamt drag:oparade elektroner i deras yttersta skal. Denna elektroniska konfiguration är nyckelfaktorn bakom magnetism.
Metaller som kan magnetiseras permanent kallas ferromagnetiska . Listan är kort, och termen kommer från det latinska ordet för järn, ferrum .
Däremot paramagnetisk material blir tillfälligt magnetiserade när de utsätts för ett magnetfält. Klassen inkluderar inte bara metaller utan även kovalenta molekyler som syre (O₂) och olika joniska fasta ämnen.
Allt som varken är ferromagnetiskt eller paramagnetiskt är diamagnetiskt . Diamagnetiska ämnen uppvisar en liten repulsion mot magnetfält, så en konventionell magnet drar inte i dem. I verkligheten uppvisar alla material diamagnetism i någon grad.
Enligt den accepterade atommodellen innehåller kärnan positivt laddade protoner och elektriskt neutrala neutroner, sammanhållna av den starka kärnkraften. Runt kärnan finns ett moln av elektroner som upptar diskreta energinivåer eller skal. Dessa elektroner är ansvariga för en atoms magnetiska egenskaper.
När en elektron kretsar kring kärnan producerar den ett föränderligt elektriskt fält som, enligt Maxwells ekvationer, genererar ett magnetiskt fält. Fältets magnitud är lika med arean inuti omloppsbanan multiplicerat med strömmen. Varje elektron bidrar med en minimal ström, och det resulterande magnetiska momentet mäts i Bohr-magnetoner. I en typisk atom tar de magnetiska fälten för alla kretsande elektroner ut och lämnar ett nettonollmoment.
Bortom orbital rörelse har elektroner en inneboende egenskap som kallas spin , vilket är avgörande för att bestämma magnetiskt beteende. Spinn är inte en klassisk rotation utan ett inneboende vinkelmomentum. Elektroner med spin "upp" har positiv spin, medan de med spin "ned" har negativ spin.
Eftersom spinn tenderar att vara obalanserad, producerar det ofta ett magnetiskt nettomoment i en atom, medan orbitalbidrag kan avbrytas. Således dominerar spinn över omloppsrörelsen när det gäller att forma magnetiska egenskaper.
Elektroner upptar skal i spin-up och spin-down-par, vilket vanligtvis resulterar i noll netto magnetiskt moment. Den yttersta, eller valens , bestämmer skalet ett elements magnetiska karaktär. En oparad elektron i detta skal skapar ett nettomagnetiskt moment, vilket gör elementet magnetiskt; helt parade valenselektroner leder till diamagnetism.
Denna regel gäller för de flesta grundämnen, även om vissa övergångsmetaller som järn (Fe) har valenselektroner som kan finnas i skal med lägre energi.
Eftersom varje elektronslinga genererar ett magnetfält, uppvisar alla material diamagnetism. När ett externt magnetfält appliceras motsätter de inducerade strömmarna fältet - en konsekvens av Lenz's lag. Denna svaga avstötning finns i varje ämne, men är ofta för liten för att upptäckas utan känslig utrustning.
Det totala magnetiska momentet, J , är lika med summan av orbital och spin vinkelmoment. När J =0, atomen är icke-magnetisk; när J ≠0, den är magnetisk och kräver minst en oparad elektron.
Exempel på diamagnetiska metaller inkluderar:
I ett starkt magnetfält kommer ett diamagnetiskt föremål som en guldtacka att orientera sig vinkelrätt mot fältlinjerna, vilket visar sitt subtila motstånd.
Metaller med minst en oparad yttre skalelektron är paramagnetiska. De är i linje med ett externt magnetfält men förlorar denna inriktning när fältet tas bort. Vanliga paramagnetiska metaller inkluderar:
Även om de inte attraheras av en permanent magnet, kan deras inducerade magnetiska moment detekteras med känsliga instrument.
Paramagnetism är inte exklusivt för metaller. Molekyler som O₂ uppvisar det, medan icke-metaller som kalcium också är paramagnetiska. En klassisk demonstration innebär att flytande syre placeras mellan polerna på en kraftfull elektromagnet; syret klättrar mot polerna och förångas och bildar ett synligt gasmoln. Samma experiment med flytande kväve, som är diamagnetiskt, visar ingen rörelse.
Ferromagnetiska element blir magnetiserade i ett yttre fält och behåller den magnetiseringen efteråt. Nyckeln är närvaron av flera oparade elektroner och bildandet av magnetiska domäner. När ett magnetiskt fält appliceras justeras domänerna och inriktningen kvarstår även efter att fältet har tagits bort – ett fenomen som kallas hysteres, som kan pågå i flera år.
Ferromagnetiska element inkluderar:
Högpresterande permanentmagneter är vanligtvis sällsynta jordartsmagneter. Neodymmagneter (NdFeB) och samarium-koboltmagneter (SmCo) kombinerar en ferromagnetisk kärna med ett paramagnetiskt sällsynt jordartselement. Ferrit (järnoxid) och alnico (AlNiCo) magneter är också ferromagnetiska men generellt sett svagare.
Varje magnetiskt material har en karakteristisk temperatur, Curie-punkten , över vilken dess magnetiska ordning kollapsar. För järn är Curie-punkten 1 418°F (770°C); för kobolt är det 2 050 °F (1 121 °C). Över dessa temperaturer blir materialet paramagnetiskt eller diamagnetiskt. Kylning under Curie-punkten återställer ferromagnetism.
Magnetit (Fe₃O4) beskrivs ofta som ferromagnetisk men är i själva verket ferrimagnetisk. Dess kristallstruktur innehåller två interpenetrerande gitter — oktaedriska och tetraedriska — med motsatta men ojämna magnetiska moment, vilket resulterar i ett nettomagnetiskt moment. Andra ferrimagnetiska material inkluderar yttriumjärngranat och pyrrotit.
Under ett materials Néel-temperatur , vissa metaller, legeringar och joniska fasta ämnen övergår från paramagnetiska till antiferromagnetiska och förlorar sin respons på externa magnetfält. I antiferromagnetism riktas angränsande spinn in antiparallellt, vilket eliminerar varandra.
Néel-temperaturerna kan vara extremt låga (≈–150°C) eller nära rumstemperatur, beroende på blandningen. Endast ett fåtal grundämnen, såsom krom och mangan, uppvisar antiferromagnetism. Anmärkningsvärda antiferromagnetiska föreningar inkluderar manganoxid (MnO), vissa former av järnoxid (Fe₂O₃) och vismutferrit (BiFeO₃).
När temperaturen stiger försvagas den antiferromagnetiska ordningen, och uppnår en maximal paramagnetisk respons vid Néel-temperaturen innan termisk omrörning minskar inriktningen.
Medan de flesta vanliga metaller är ferromagnetiska eller paramagnetiska, avslöjar förståelsen av dessa magnetiska klassificeringar varför vissa metaller förblir opåverkade av konventionella magneter.
