Γιατί ορισμένα υλικά είναι μαγνητικά; Είναι το αλουμίνιο μαγνητικό;

Ορισμένα υλικά είναι μαγνητικά επειδή περιέχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια στο ενεργειακό κέλυφος σθένους. Αυτά τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια είναι υπεύθυνα για τη δημιουργία ενός μαγνητικού πεδίου. Τα σιδηρομαγνητικά υλικά είναι τα πιο επιρρεπή στο να μαγνητιστούν και ακολουθούν τα παραμαγνητικά υλικά. Τα διαμαγνητικά υλικά είναι τα λιγότερο επιρρεπή στο να μαγνητιστούν. Το αλουμίνιο δεν είναι μαγνητικό υπό κανονικές συνθήκες, αλλά μπορεί να παρουσιάσει ασθενή μαγνητισμό σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες.

Από όλα τα υπέροχα θαύματα που βρίσκει κανείς στη φύση, οι μαγνήτες είναι πραγματικά ένα από τα πιο σπινθηροβόλα. Ο μαγνητισμός, το υποκείμενο φαινόμενο, μαζί με τον ηλεκτρισμό, αποτελούν μαζί μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις που ευθύνονται για όλα τα φαινόμενα στο Σύμπαν μας.

Το πρώτο πράγμα που συνήθως έρχεται στο μυαλό όταν σκεφτόμαστε μαγνήτες είναι μια πυξίδα. Η τρέμουσα βελόνα του παρουσία ενός μαγνητικού πεδίου είναι αυτό που γοήτευσε τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, του οποίου ο πατέρας του το χάρισε όταν ήταν έφηβος. Αυτό το μοναδικό γεγονός πιστεύεται ότι είναι η εισαγωγή του στους μυστηριώδεις ή σκοτεινούς τρόπους της φύσης.

Αυτό το μεμονωμένο γεγονός μπορεί να ανιχνευθεί σε αυτό που κίνησε την περιέργειά του και τον ανάγκασε να αφιερώσει ολόκληρη τη ζωή του στην αποκάλυψη των υποκείμενων μηχανισμών ενός ευρέος φάσματος φαινομένων, από την τυχαία εκτόξευση απειροελάχιστων ατόμων έως την επεξεργασία των δυνάμεων που διέπουν την κίνηση των ουρανών.

(Φωτογραφία:sergign / Shutterstock)

Ένα άλλο απλό αντικείμενο που αντηχεί με αυτή την ιδέα είναι ο Σίδηρος. Αυτό το μέταλλο είναι κάτι που θα το συνέδεε κανείς εύκολα με έναν μαγνήτη. Αν παρατηρήσουμε τη συμπεριφορά του σιδήρου μέσα από μια περιστερότρυπα, μπορεί κανείς να συμπεράνει ότι οι μαγνητικές του ιδιότητες είναι ένα τρομερό δώρο που προέρχεται από την εξαιρετικά αγώγιμη φύση του.

Ωστόσο, το αλουμίνιο δεν είναι πολύ πίσω όσον αφορά την αγωγιμότητα. Επομένως, γιατί το αλουμίνιο δεν εκτοξεύεται προς έναν μαγνήτη όπως το σίδερο; Αυτό σημαίνει ότι το αλουμίνιο δεν είναι μαγνητικό; Για αυτό το θέμα, τι κάνει το σίδηρο μαγνητικό;

Πρώτον, πρέπει να καταλάβουμε γιατί ορισμένα στοιχεία είναι επιρρεπή να φλερτάρουν με μαγνήτες, ενώ άλλα όχι. Για αυτό πρέπει να σκάψουμε βαθύτερα… πολύ βαθύτερα.

Είναι το αλουμίνιο μαγνητικό;

Το αλουμίνιο υπό κανονικές συνθήκες είναι μη μαγνητικό. Η έλλειψη μαγνητισμού του αλουμινίου μπορεί να αποδοθεί στην κρυσταλλική του δομή. Το αλουμίνιο, το μαγνήσιο και το λίθιο είναι αξιοσημείωτα παραδείγματα παραμαγνητικών υλικών.

Όταν πρόκειται για την ισχύ του πεδίου τους, ένα φύλλο αλουμινίου μπορεί να μην έλκεται από έναν μαγνήτη ψυγείου, αλλά μπορεί κανείς να παρατηρήσει τις αποχρώσεις του μαγνητισμού του όταν μαγνήτες υψηλής ποιότητας πέφτουν κάτω από χοντρούς σωλήνες αλουμινίου.

Ο κυματιστός μαγνήτης διεγείρει τα παρακάμπτοντα δίπολα του αλουμινίου και απωθεί τα παραγόμενα μαγνητικά πεδία. Ως αποτέλεσμα, ο μαγνήτης επιβραδύνεται κατά την πτώση του!

Αρχή αποκλεισμού Pauli:δίπολα και μαγνητισμός

Οι εξισώσεις του Maxwell μας λένε ότι ένα ηλεκτρικό πεδίο δίνει μορφή σε ένα μαγνητικό πεδίο και το αντίστροφο. Ωστόσο, είναι επιτακτική ανάγκη να σημειωθεί ότι πρόκειται για μια μεταβλητή ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο που δημιουργεί το άλλο — ένα επιταχυνόμενο ηλεκτρικό φορτίο ή κινούμενος μαγνήτης παρουσία αγωγού.

Παρατηρείται ότι τα ηλεκτρόνια δεν παραμένουν ακίνητα σε ενεργειακά κελύφη, αλλά περιστρέφονται στον άξονά τους. Αυτή η περιστροφή, αυτή η κίνηση, επίσημα γνωστή ως spin ενός ηλεκτρονίου , είναι αυτό που δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο. Επίσης, οι γραμμές μαγνητικού πεδίου δεν είναι ομόκεντροι κύκλοι, όπως ο κυματισμός μιας πέτρας που πέφτει σε μια λίμνη.

Η κατευθυντικότητά τους, σε αντίθεση με τις γραμμές πεδίου ενός ηλεκτρικού πεδίου, δεν κατευθύνεται ευθεία, μετακινούμενοι πιο μακριά από την πηγή τους. Ξεκινούν από το κεφάλι τους και καταλήγουν στα πόδια τους για να σχηματίσουν ένα σχήμα που μοιάζει με φασόλι. Αυτός ο τύπος γεωμετρίας δίνει την εντύπωση δύο πόλων στη δουλειά; Έτσι, ένας μαγνήτης είναι ένα δίπολο. Από την άλλη πλευρά, τα ηλεκτρικά φορτία που ακτινοβολούν σε κυματιστά ηλεκτρικά πεδία είναι γνωστά ως μονόπολα.

Έτσι, ένα περιστρεφόμενο ηλεκτρόνιο που οδηγεί σε ένα μαγνητικό πεδίο μπορεί να εκληφθεί ως ενεργοποίηση ενός μαγνητικού διπόλου. Μια άλλη αρχή που διέπει τον μαγνητισμό είναι η αρχή αποκλεισμού του Pauli . Σύμφωνα με την αρχή, ένα ξεχωριστό επίπεδο ενέργειας μπορεί να φιλοξενήσει μόνο δύο ηλεκτρόνια, υπό την προϋπόθεση ότι περιστρέφονται επίσης προς αντίθετες κατευθύνσεις.

Αυτοί οι δύο κρίσιμοι παράγοντες καθορίζουν τη μαγνητική ισχύ ενός στοιχείου. Τα υλικά μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις τύπους ανάλογα με την ευαισθησία τους να μαγνητιστούν.

Διαμαγνητισμός

Ο διαμαγνητισμός προκύπτει όταν δύο ηλεκτρόνια που περιστρέφονται σε αντίθετες κατευθύνσεις αναιρούν το ένα τις μαγνητικές ικανότητες του άλλου και δημιουργούν ένα μηδενικό μαγνητικό πεδίο. Αυτά τα υλικά έχουν ενεργειακά επίπεδα που είναι γεμάτα με ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια.

Τα διαμαγνητικά υλικά απωθούν τα εξωτερικά μαγνητικά πεδία. Αν κάποιος παρατηρούσε ένα διαμαγνητικό υλικό να πνίγεται σε ένα μαγνητικό πεδίο, θα έμοιαζε με νερό που τρέχει γύρω από έναν βράχο. Όταν βρίσκεται σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, τα δίπολά του ευθυγραμμίζονται προς την αντίθετη κατεύθυνση αυτού του εφαρμοζόμενου πεδίου και ακυρώνουν τα αποτελέσματα. Αυτά τα υλικά δεν έχουν κανένα ενδιαφέρον να προσκολληθούν σε μόνιμο μαγνήτη.

Ο διαμαγνητισμός είναι μια ιδιότητα που μοιράζονται όλα τα υλικά, συμπεριλαμβανομένου του σιδήρου. Αυτό είναι γνωστό ως διαμαγνητικό φαινόμενο. Ωστόσο, η συμβολή του στην περίπτωση ενός μαγνητικού υλικού, όπως ο σίδηρος, για παράδειγμα, είναι αμελητέα. Μερικά αξιοσημείωτα διαμαγνητικά υλικά είναι το βισμούθιο, ο υδράργυρος, το νερό και ο χρυσός.

Σιδηρομαγνητισμός

Τα σιδηρομαγνητικά υλικά είναι στοιχεία που περιέχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια στο ενεργειακό τους κέλυφος σθένους. Χωρίς άλλο ηλεκτρόνιο που να μηδενίζει το μαγνητικό του πεδίο, η παρουσία αυτού του μεμονωμένου ηλεκτρονίου σε τρισεκατομμύρια άτομα συμβάλλει πάρα πολύ στη συνολική ισχύ του μαγνητικού πεδίου του υλικού.

Προσθέτοντας σε αυτό, η σύνθεση ενός σιδηρομαγνητικού υλικού είναι τέτοια που τα δίπολά του ευθυγραμμίζονται ακριβώς παράλληλα με τους συμπατριώτες τους ή απευθείας προς την κατεύθυνση ενός εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου. Τα δίπολα είναι της τάξης των 10^12 ή 10^15 και συμπιέζονται σε διακριτές περιοχές γνωστές συλλογικά ως μαγνητικές περιοχές. Το μαγνητικό στοιχείο που συνεισφέρει κάθε δίπολο στη συνέχεια αθροίζεται για να δημιουργήσει ένα εξαιρετικά ανθεκτικό μαγνητικό πεδίο.

Τα σιδηρομαγνητικά υλικά είναι τα πιο επιρρεπή στο να υποχωρήσουν και να έλκονται από έναν φυσικό μαγνήτη. Στην πραγματικότητα, για ένα παροδικό χρονικό διάστημα, το υλικό συνεχίζει να συμπεριφέρεται σαν μαγνήτης, ακόμη και όταν αφαιρεθεί το εξωτερικό πεδίο. Τα πιο χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι ο σίδηρος, το κοβάλτιο και το νικέλιο.

Παραμαγνητισμός και θερμοκρασία Κιουρί

Τέλος, οι παραμαγνητικές ουσίες είναι υλικά που έχουν σύνθεση που μοιάζει αρκετά με τα σιδηρομαγνητικά υλικά. Περιέχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια στα μερικώς γεμάτα ενεργειακά τροχιακά τους, αλλά η κύρια διαφορά είναι ότι δεν ευθυγραμμίζονται όλα τα δίπολά τους προς την κατεύθυνση του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου.

Τα κακώς ευθυγραμμισμένα δίπολα εμποδίζουν τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται από τα ευθυγραμμισμένα. Αυτή η ιδιαιτερότητα κάνει τα παραμαγνητικά υλικά να προτιμούν τα εξωτερικά μαγνητικά πεδία, αλλά μόνο σε κάποιο βαθμό. Με απλά λόγια, συμπεριφέρονται σαν ένας πολύ αδύναμος μαγνήτης. Αυτά τα υλικά τείνουν να έλκονται ασθενώς από μόνιμους μαγνήτες και επανέρχονται αμέσως σε διαμαγνητισμό όταν αφαιρεθεί το εξωτερικό πεδίο.

Η ασυμφωνία σχετικά με την ευθυγράμμιση των διπόλων προκαλείται από τον θρίαμβο της τυχαιοποιημένης θερμικής ενέργειας έναντι της νέας μαγνητικής ενέργειας. Το γνωρίζουμε αυτό γιατί σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, οι παραμαγνητικές ουσίες τείνουν να μιμούνται ισχυρούς μαγνήτες.

Αυτή η σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας και των μαγνητικών ιδιοτήτων ενός παραμαγνητικού υλικού υπαγορεύεται από το νόμο του Κιουρί. Σε μια πολύ υψηλή θερμοκρασία, γνωστή ως θερμοκρασία Κιουρί, κάθε κουκκίδα της μαγνητικής ικανότητας ενός υλικού εκμηδενίζεται. Αυτή η συμπεριφορά παρατηρείται και σε σιδηρομαγνητικά υλικά.