コンテンツ
- 反磁性、常磁性および強磁性
- 軌道を回る電子が磁場を作り出す
- 電子スピンは磁気特性に影響を与える
- 不対電子は磁気特性を与えます
- 一部の金属を含むすべてが反磁性です
- 一部の金属は常磁性
- 酸素は常磁性であり、証明できる
- 強磁性体は永久に磁化される可能性があります
- キュリーポイント：磁石の永久性の限界
- 磁鉄鉱は強磁性であり、強磁性ではない
- 反強磁性は秩序化された磁気の別のタイプです
磁気と電気は非常に密接につながっているので、同じコインの両面と考えることさえできます。一部の金属が示す磁気特性は、金属を構成する原子の静電界条件の結果です。
実際、すべての要素には磁気特性がありますが、ほとんどの要素は明白な方法でそれらを明示しません。磁石に引き付けられる金属には共通点が1つあり、それは外殻に不対電子があります。それは磁気のためのただ一つの静電レシピであり、それが最も重要です。
反磁性、常磁性および強磁性
永久に磁化できる金属は、 強磁性 金属、およびこれらの金属のリストは小さいです。名前は 鉄、ラテン語のiron _._
材料のはるかに長いリストがあります 常磁性、これは、磁場の存在下で一時的に磁化されることを意味します。常磁性材料はすべての金属を排除します。酸素（O2）いくつかのイオン性固体と同様に、常磁性を示します。
強磁性または常磁性ではないすべての材料は 反磁性、つまり、磁場に対してわずかな反発力を示し、通常の磁石はそれらを引き付けません。実際、すべての元素と化合物はある程度反磁性です。
これら3つのクラスの磁気の違いを理解するには、原子レベルで何が起こっているのかを調べる必要があります。
軌道を回る電子が磁場を作り出す
現在受け入れられている原子のモデルでは、核は正に帯電した陽子と、自然の基本的な力の1つである強力な力によって結合された電気的に中性の中性子で構成されています。個別のエネルギーレベルまたはシェルを占める負に帯電した電子の雲が核を囲み、これらが磁気的性質を与えます。
軌道を回る電子は、変化する電場を生成し、マクスウェルの方程式によると、磁場のレシピです。 磁場の大きさは、軌道内の面積に電流を掛けたものに等しくなります。 個々の電子は小さな電流を生成し、結果として生じる磁場は、と呼ばれる単位で測定されます ボーア磁子、また小さいです。典型的な原子では、軌道を回っているすべての電子によって生成された電界は、一般に互いに打ち消し合っています。
電子スピンは磁気特性に影響を与える
電荷を生成するのは電子の軌道運動だけではなく、 スピン。結局のところ、原子のスピン全体は非対称であり、磁気モーメントを生成する可能性が高いため、スピンは軌道運動よりも磁気特性の決定においてはるかに重要です。
スピンは電子の回転方向と考えることができますが、これは大まかな近似にすぎません。スピンは電子の固有の性質であり、運動状態ではありません。時計回りに回転する電子は ポジティブスピン、またはスピンアップしますが、反時計回りに回転するものは 負のスピン、またはスピンダウンします。
不対電子は磁気特性を与えます
電子スピンは、古典的なアナロジーのない量子力学的特性であり、核の周りの電子の配置を決定します。電子は、ゼロネットを作成するために、各シェルでスピンアップとスピンダウンのペアになります。 磁気モーメント.
磁気特性の生成に関与する電子は、最も外側の電子、または 価数、原子の殻。一般に、原子の外殻に不対電子が存在すると正味の磁気モーメントが生じ、磁気特性が付与されますが、外殻に対電子の原子は正味の電荷を持たず反磁性です。価電子は、一部の元素、特に鉄（Fe）の低エネルギーのシェルを占有する可能性があるため、これは単純化しすぎです。
一部の金属を含むすべてが反磁性です
軌道を回る電子によって作成された電流ループは、すべての材料を反磁性にします。磁場が印加されると、電流ループはすべて反発して整列し、磁場に対抗するためです。これはのアプリケーションです レンツ・ロー、誘導された磁場がそれを作成する場に対抗することを示します。電子スピンが方程式に入らなかった場合、それでストーリーは終わりますが、スピンは入ります。
合計 磁気モーメント J 原子の 軌道角運動量 そしてその スピン角運動量。いつ J = 0、原子は非磁性であり、 J≠0、原子は磁気的であり、少なくとも1つの不対電子がある場合に発生します。
その結果、完全に満たされた軌道を持つ原子または化合物は反磁性です。ヘリウムとすべての希ガスは明らかな例ですが、一部の金属も反磁性です。以下に例を示します。
反磁性は、物質内の一部の原子が磁場によって一方向に引っ張られ、他の原子が別の方向に引っ張られた最終的な結果ではありません。反磁性材料内のすべての原子は反磁性であり、外部磁場に対して同じ弱い反発を受けます。この反発により、興味深い効果が得られます。金などの反磁性材料の棒を強い磁場内で吊り下げると、磁場に垂直に整列します。
一部の金属は常磁性
原子の外殻の少なくとも1つの電子が対になっていない場合、その原子は正味の磁気モーメントを持ち、外部磁場と整列します。ほとんどの場合、フィールドが削除されると位置合わせは失われます。これは常磁性挙動であり、化合物は元素と同様にそれを示すことができます。
より一般的な常磁性金属のいくつかは次のとおりです。
一部の金属は非常に弱く常磁性であるため、磁場への応答はほとんど目立ちません。原子は磁場と整列しますが、整列は非常に弱いため、通常の磁石では引き付けられません。
どんなに頑張ろうとも、永久磁石で金属を拾うことはできませんでした。ただし、十分に敏感な機器があれば、金属に発生する磁場を測定することができます。十分な強さの磁場に置かれると、常磁性金属の棒が磁場に平行に整列します。
酸素は常磁性であり、証明できる
磁気特性を持つ物質について考えるとき、一般的には金属について考えますが、カルシウムや酸素などの非金属も常磁性です。簡単な実験で、酸素常磁性の性質を自分で実証できます。
強力な電磁石の極間に液体酸素を注ぐと、酸素が極に集まり蒸発し、ガスの雲が生成されます。同じ実験を液体窒素で試してみてください。これは常磁性ではありませんが、何も起こりません。
強磁性体は永久に磁化される可能性があります
いくつかの磁気要素は、外部磁場の影響を受けやすいため、外部磁場にさらされると磁化され、磁場が除去されても磁気特性を維持します。これらの強磁性要素には以下が含まれます。
個々の原子は軌道シェルに複数の不対電子を持っているため、これらの要素は強磁性体です。しかし、他にも何かが起こっています。これらの元素の原子は、 ドメイン、および磁場を導入すると、磁場を削除した後でも、ドメインは磁場と整列し、整列したままになります。この遅延応答は ヒステリシス、 そしてそれは何年も続くことができます。
最も強力な永久磁石のいくつかは 希土類磁石。最も一般的な2つは ネオジム ネオジム、鉄、ホウ素の組み合わせで構成される磁石、および サマリウムコバルト これら2つの要素の組み合わせである磁石。各タイプの磁石では、強磁性体（鉄、コバルト）が常磁性希土類元素によって強化されています。
フェライト 鉄製の磁石、および アルニコ アルミニウム、ニッケル、コバルトの組み合わせで作られた磁石は、一般的に希土類磁石よりも弱いです。これにより、それらはより安全に使用でき、科学実験により適しています。
キュリーポイント：磁石の永久性の限界
すべての磁性材料は、それを超えると磁気特性を失い始める特性温度を持っています。これは キュリーポイント、磁気能力と温度を関連付ける法則を発見したフランスの物理学者ピエール・キュリーにちなんで名付けられました。キュリー点を超えると、強磁性材料内の原子は配列を失い始め、材料は常磁性になります。温度が十分に高い場合、反磁性になります。
鉄のキュリー点は1418 F（770 C）であり、コバルトのキュリー点は2,050 F（1,121 C）であり、最高キュリー点の1つです。温度がキュリー点を下回ると、材料は強磁性特性を取り戻します。
磁鉄鉱は強磁性であり、強磁性ではない
鉄鉱石または酸化鉄としても知られている磁鉄鉱は、化学式Feの灰黒色の鉱物です。3O4 それが鋼の原料です。それは強磁性体のように振る舞い、外部磁場にさらされると永久に磁化されます。 20世紀半ばまで、誰もがそれを強磁性体であると考えていましたが、実際には フェリ磁性、そして大きな違いがあります。
磁鉄鉱のフェリ磁性は、材料内のすべての原子の磁気モーメントの合計ではありません。これは、鉱物が強磁性である場合に当てはまります。鉱物自体の結晶構造の結果。
磁鉄鉱は、八面体構造と四面体構造の2つの独立した格子構造で構成されています。 2つの構造は反対の極性を持ちますが、極性は等しくなく、効果は正味の磁気モーメントを生成することです。他の既知のフェリ磁性化合物には、イットリウム鉄ガーネットと磁硫鉄鉱が含まれます。
反強磁性は秩序化された磁気の別のタイプです
と呼ばれる特定の温度以下 ネール温度 フランスの物理学者ルイ・ネールの後、一部の金属、合金、イオン性固体は常磁性を失い、外部磁場に反応しなくなりました。それらは本質的に消磁されます。これは、材料の格子構造内のイオンが、構造全体で反平行配列に整列し、互いに打ち消し合う反対の磁場を生成するために発生します。
ネール温度は非常に低く、-150 C（-240F）のオーダーで、あらゆる実用的な目的で化合物を常磁性にします。ただし、一部の化合物は室温以上のネール温度を持っています。
非常に低い温度では、反強磁性材料は磁気的挙動を示しません。温度が上昇すると、原子の一部が格子構造から外れて磁場と整列し、材料の磁気が弱くなります。温度がネール温度に達すると、この常磁性はそのピークに達しますが、温度がこのポイントを超えると、熱攪拌により原子が磁場との整列を維持できなくなり、磁気が着実に低下します。
反強磁性元素は多くありません。クロムとマンガンのみです。反強磁性化合物には、酸化マンガン（MnO）、ある種の酸化鉄（Fe2O3）およびビスマスフェライト（BiFeO3).