Σιδηρομαγνητικές ουσίες

Ο σιδηρομαγνητισμός είναι ένας βασικός μηχανισμός με τον οποίο ορισμένα στοιχεία έλκονται από μαγνήτες. Ο σιδηρομαγνητισμός είναι ο ισχυρότερος τύπος μαγνητισμού και είναι υπεύθυνος για το κοινό φαινόμενο του μαγνητισμού στους μαγνήτες που συναντάμε στην καθημερινή μας ζωή. Ορισμένα στοιχεία ανταποκρίνονται ασθενώς στα εξωτερικά μαγνητικά πεδία και οι δυνάμεις είναι συνήθως τόσο αδύναμες που μπορούν να ανιχνευθούν μόνο σε εργαστήριο. Ένας μαγνήτης ψυγείου είναι ένα παράδειγμα σιδηρομαγνητισμού που χρησιμοποιείται για να κρατά σημειώσεις σε μια πόρτα ψυγείου στην καθημερινή ζωή.

Μπορούμε λοιπόν να συμπεράνουμε ότι ο σιδηρομαγνητισμός είναι εκείνο το φαινόμενο που κάνει ορισμένα στοιχεία (στον περιοδικό πίνακα) να προσελκύουν μαγνήτες πολύ έντονα, και τελικά, αυτά τα στοιχεία συμπεριφέρονται σαν μαγνήτες. Το φαινόμενο έχει πάρει το όνομά του από το στοιχείο Ferrum (κοινώς γνωστό ως Σίδηρος).

Αιτίες σιδηρομαγνητισμού

Τα άτομα που έχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται σαν μικροσκοπικοί μαγνήτες και έχουν μαγνητική ροπή μέσα τους. Τα περισσότερα υλικά με τέτοια άτομα δεν συμπεριφέρονται σαν μαγνήτες και δείχνουν μόνο μια μικρή έλξη προς τους μαγνήτες. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται Παραμαγνητισμός.

Αλλά υπάρχουν μερικά στοιχεία στον περιοδικό πίνακα, όπως Fe, Co, Ni και Gd (σίδηρος, κοβάλτιο, νικέλιο και γαδολίνιο, αντίστοιχα), τα οποία δείχνουν ισχυρή έλξη προς τους μαγνήτες, αν και τα στοιχεία που αναφέρονται εδώ έχουν επίσης άτομα που έχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια. Αυτά τα στοιχεία είναι σιδηρομαγνητικά υλικά. Για να κατανοήσουμε γιατί μόνο λίγα στοιχεία εμπίπτουν στην κατηγορία των σιδηρομαγνητών, πρέπει να δούμε τη διαφορά μεταξύ του ατομικού προσανατολισμού/ευθυγράμμισης των παραμαγνητικών και σιδηρομαγνητικών στοιχείων.

 Ας καταλάβουμε με τη βοήθεια ενός παραδείγματος:

Αν πάρουμε ένα κομμάτι αλουμινίου, δεν συμπεριφέρεται σαν μαγνήτης που σημαίνει ότι είναι παραμαγνήτης. Αν προσπαθήσουμε να καταλάβουμε γιατί λέμε ότι το στοιχείο Al είναι παραμαγνήτης, πρέπει να δούμε την ευθυγράμμιση των ατόμων σε ένα κομμάτι παραμαγνήτη (εδώ Αλουμίνιο). Τα άτομα στο κομμάτι του αλουμινίου είναι τυχαία προσανατολισμένα (όπως φαίνεται στο σχήμα 1 παρακάτω), που σημαίνει ότι όλα τα άτομα κινούνται τυχαία σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Έτσι, σχεδόν όλες οι μαγνητικές ροπές ξεκινούν μεταξύ τους.

Αλλά με τον ίδιο τρόπο, αν μελετήσουμε τον προσανατολισμό των ατόμων σε ένα κομμάτι σιδηρομαγνήτη, ας πούμε σίδηρο, θα παρατηρήσουμε ότι υπάρχουν ομάδες ατόμων που είναι ευθυγραμμισμένα σε παρόμοια κατεύθυνση. Δείτε το σχήμα 2 παρακάτω για να δείτε τον προσανατολισμό των ατόμων σε ένα κομμάτι σιδήρου ευθυγραμμισμένο σε παρόμοια κατεύθυνση σε ομάδες. Αυτές οι ομάδες ονομάζονται μαγνητικές περιοχές. Έτσι, η κύρια αιτία του σιδηρομαγνητισμού έγκειται στην ευθυγράμμιση των ατόμων σε οποιοδήποτε στοιχείο.

Σιδηρομαγνητικά υλικά :

Καθώς τελειώνουμε με την έννοια του σιδηρομαγνητισμού, μπορούμε να ορίσουμε τα σιδηρομαγνητικά υλικά ως στοιχεία που παρουσιάζουν ισχυρές ιδιότητες μαγνήτισης κυρίως λόγω του ατομικού τους προσανατολισμού. Παραδείγματα σιδηρομαγνητικών υλικών περιλαμβάνουν σίδηρο, κοβάλτιο, νικέλιο, γαδολίνιο και μεταλλικά κράματα κ.λπ.

Επίδραση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου σε σιδηρομαγνητικά υλικά:

Αν πάρουμε μια ράβδο μαγνήτη και την πλησιάσουμε στους Παραμαγνήτες, θα έλκεται ελαφρώς προς τον μαγνήτη. Αλλά ας πάρουμε έναν μαγνήτη ράβδου πιο κοντά σε οποιαδήποτε σιδηρομαγνητική ουσία όπως το κοβάλτιο. Τείνει να στρέφει τα άτομα σε ολόκληρο τον τομέα και να τα ευθυγραμμίζει προς την κατεύθυνση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, κάνοντας τους τομείς ακόμη πιο ισχυρούς. Τελικά, όλα τα διαφορετικά πεδία μπορεί να ευθυγραμμιστούν προς την ίδια κατεύθυνση καθώς το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο είναι ισχυρότερο. Θα μπορούσαμε έτσι να πάρουμε μια γιγαντιαία μαγνητική περιοχή όπου όλα τα άτομα είναι προσανατολισμένα προς την ίδια κατεύθυνση. Ως αποτέλεσμα, αυτό το συγκεκριμένο κομμάτι κοβαλτίου θα μαγνητιστεί απίστευτα δυνατά, και ως εκ τούτου, θα δείξει πολύ ισχυρή έλξη προς το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Η ευθυγράμμιση των ατόμων είναι ισχυρή στις σιδηρομαγνητικές ουσίες λόγω της κβαντομηχανικής επίδρασης.

Τώρα, όταν αφαιρούμε αυτόν τον μαγνήτη ράβδου ή, ας πούμε, το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο από αυτά τα Παραμαγνητικά υλικά, χάνουν επίσης πολύ γρήγορα την ελαφριά μαγνητική τους ιδιότητα. Αλλά στην περίπτωση των σιδηρομαγνητικών υλικών δεν ισχύει το ίδιο. Ακόμη και μετά την αφαίρεση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου (μαγνήτης ράβδων εδώ), ο προσανατολισμός των ατόμων παραμένει ευθυγραμμισμένος στις Σιδηρομαγνητικές Ουσίες (Κοβάλτιο εδώ). Ολόκληρη η μαγνητική περιοχή παραμένει ως έχει.

Επίδραση της θερμοκρασίας σε σιδηρομαγνητικά υλικά :

Εάν θερμάνουμε ένα σιδηρομαγνητικό υλικό σε πολύ υψηλή θερμοκρασία (ας πούμε T>770oC για τον σίδηρο), θα χάσει όλο το μαγνητικό του πεδίο, που σημαίνει ότι η θέρμανση σε πολύ υψηλή θερμοκρασία θα κάνει τον προσανατολισμό των ατόμων τυχαίο σε έναν σιδηρομαγνήτη, καθιστώντας το Παραμαγνήτη. . Η θερμοκρασία στην οποία ένας σιδηρομαγνήτης χάνει τον σιδηρομαγνητισμό του και γίνεται παραμαγνήτης ονομάζεται θερμοκρασία Κιουρί. Η θερμοκρασία Κιουρί για το σίδηρο είναι 770oC, για το κοβάλτιο 1121oC, για το νικέλιο 354oC και για το γαδολίνιο 20oC. Έτσι, μπορούμε να δούμε ότι ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου, το γαδολίνιο μπορεί να χάσει τις σιδηρομαγνητικές του ιδιότητες. Ωστόσο, αν τα ψύξουμε ξανά κάτω από την αντίστοιχη θερμοκρασία curie τους, τα στοιχεία θα πάρουν αυθόρμητα πίσω τη σιδηρομαγνητική τους ιδιότητα, αποκαθιστώντας τους μαγνητικούς τομείς τους.