Door Chris Deziel, bijgewerkt op 24 maart 2022

Magnetisme en elektriciteit zijn diep met elkaar verweven verschijnselen die vaak als twee kanten van dezelfde medaille kunnen worden gezien. Het magnetische gedrag van metalen komt voort uit de rangschikking van elektronen in hun atoomschillen.

Elk element bezit magnetische eigenschappen, hoewel de meeste subtiel en niet meteen duidelijk zijn. Metalen die magneten aantrekken, hebben een gemeenschappelijk kenmerk:ongepaarde elektronen in hun buitenste schil. Deze elektronische configuratie is de belangrijkste aanjager van magnetisme.

Diamagnetisme, paramagnetisme en ferromagnetisme

Metalen die permanent kunnen worden gemagnetiseerd, worden ferromagnetisch genoemd . De lijst is kort en de term is afgeleid van het Latijnse woord voor ijzer, ferrum .

In tegenstelling daarmee paramagnetisch materialen worden tijdelijk gemagnetiseerd wanneer ze worden blootgesteld aan een magnetisch veld. Deze klasse omvat niet alleen metalen, maar ook covalente moleculen zoals zuurstof (O₂) en verschillende ionische vaste stoffen.

Alles wat noch ferromagnetisch, noch paramagnetisch is, is diamagnetisch . Diamagnetische stoffen vertonen een lichte afstoting van magnetische velden, dus een conventionele magneet trekt er niet aan. In werkelijkheid vertonen alle materialen tot op zekere hoogte diamagnetisme.

Hoe elektronen magnetische velden genereren

Volgens het geaccepteerde atoommodel bevat de kern positief geladen protonen en elektrisch neutrale neutronen, bij elkaar gehouden door de sterke kernkracht. Rondom de kern bevindt zich een wolk van elektronen die afzonderlijke energieniveaus of schillen bezetten. Deze elektronen zijn verantwoordelijk voor de magnetische eigenschappen van een atoom.

Wanneer een elektron rond de kern draait, produceert het een veranderend elektrisch veld dat, volgens de vergelijkingen van Maxwell, een magnetisch veld genereert. De grootte van het veld is gelijk aan het gebied binnen de baan vermenigvuldigd met de stroom. Elk elektron draagt ​​een minuscule stroom bij, en het resulterende magnetische moment wordt gemeten in Bohr-magnetonen. In een typisch atoom heffen de magnetische velden van alle elektronen elkaar op, waardoor er een netto nulmoment overblijft.

Elektronenspin:de dominante factor

Naast orbitale beweging bezitten elektronen een intrinsieke eigenschap die spin wordt genoemd , wat cruciaal is bij het bepalen van magnetisch gedrag. Spin is geen klassieke rotatie, maar een intrinsiek impulsmoment. Elektronen met spin “omhoog” hebben een positieve spin, terwijl elektronen met spin “omlaag” een negatieve spin hebben.

Omdat spin de neiging heeft onevenwichtig te zijn, produceert het vaak een netto magnetisch moment in een atoom, terwijl orbitale bijdragen kunnen verdwijnen. Spin domineert dus de orbitale beweging bij het vormgeven van magnetische eigenschappen.

Ongepaarde elektronen en magnetische momenten

Elektronen bezetten schillen in spin-up- en spin-down-paren, wat doorgaans resulteert in een netto magnetisch moment van nul. De buitenste, of valentie bepaalt shell het magnetische karakter van een element. Een ongepaard elektron in deze schil creëert een netto magnetisch moment, waardoor het element magnetisch wordt; volledig gepaarde valentie-elektronen leiden tot diamagnetisme.

Deze regel geldt voor de meeste elementen, hoewel bepaalde overgangsmetalen zoals ijzer (Fe) valentie-elektronen hebben die zich in lagere energieschillen kunnen bevinden.

Diamagnetisme:de universele reactie

Omdat elke elektronenlus een magnetisch veld genereert, vertonen alle materialen diamagnetisme. Wanneer een extern magnetisch veld wordt aangelegd, zijn de geïnduceerde stromen tegengesteld aan het veld – een gevolg van de wet van Lenz. Deze zwakke afstoting is in elke stof aanwezig, maar is vaak te gering om zonder gevoelige apparatuur te detecteren.

Het totale magnetische moment, J , is gelijk aan de som van het orbitale en spin-impulsmoment. Wanneer J  =0, het atoom is niet-magnetisch; wanneer J  ≠0, het is magnetisch en vereist ten minste één ongepaard elektron.

Voorbeelden van diamagnetische metalen zijn:

• Zink
• Kwik
• Tin
• Tellurium
• Goud
• Zilver
• Koper

In een sterk magnetisch veld zal een diamagnetisch object, zoals een goudstaaf, zichzelf loodrecht op de veldlijnen oriënteren, wat zijn subtiele weerstand aantoont.

Paramagnetisme in metalen

Metalen met ten minste één ongepaard elektron in de buitenschil zijn paramagnetisch. Ze richten zich op een extern magnetisch veld, maar verliezen deze uitlijning zodra het veld wordt verwijderd. Veel voorkomende paramagnetische metalen zijn onder meer:

• Magnesium
• Aluminium
• Wolfraam
• Platinum

Hoewel ze niet worden aangetrokken door een permanente magneet, kunnen hun geïnduceerde magnetische momenten worden gedetecteerd met gevoelige instrumenten.

De paramagnetische aard van zuurstof

Paramagnetisme is niet exclusief voor metalen. Moleculen zoals O₂ vertonen dit, terwijl niet-metalen zoals calcium ook paramagnetisch zijn. Een klassieke demonstratie omvat het plaatsen van vloeibare zuurstof tussen de polen van een krachtige elektromagneet; de zuurstof klimt langs de polen en verdampt, waardoor een zichtbare gaswolk ontstaat. Hetzelfde experiment met vloeibare stikstof, die diamagnetisch is, vertoont geen beweging.

Ferromagnetisme en permanente magnetisatie

Ferromagnetische elementen worden gemagnetiseerd in een extern veld en behouden die magnetisatie daarna. De sleutel is de aanwezigheid van meerdere ongepaarde elektronen en de vorming van magnetische domeinen. Wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd, worden domeinen op één lijn gebracht, en de uitlijning blijft bestaan, zelfs nadat het veld is verwijderd. Dit fenomeen staat bekend als hysteresis en kan jaren aanhouden.

Ferromagnetische elementen omvatten:

• Strijk
• Nikkel
• Kobalt
• Gadolinium
• Ruthenium

Permanente magneten met hoge prestaties zijn doorgaans zeldzame-aardmagneten. Neodymiummagneten (NdFeB) en samarium-kobaltmagneten (SmCo) combineren een ferromagnetische kern met een paramagnetisch zeldzaam aardelement. Ferriet- (ijzeroxide) en alnico-magneten (AlNiCo) zijn ook ferromagnetisch, maar zijn over het algemeen zwakker.

Het Curiepunt:temperatuur beperkt magnetisme

Elk magnetisch materiaal heeft een karakteristieke temperatuur, het Curiepunt , waarboven zijn magnetische orde instort. Voor ijzer ligt het Curiepunt op 770°C; voor kobalt is dit 1121°C (2.050°F). Boven deze temperaturen wordt het materiaal paramagnetisch of diamagnetisch. Afkoeling tot onder het Curiepunt herstelt het ferromagnetisme.

Ferrimagnetisme versus ferromagnetisme:het geval van magnetiet

Magnetiet (Fe₃O₄) wordt vaak omschreven als ferromagnetisch, maar is in feite ferrimagnetisch. De kristalstructuur bevat twee elkaar doordringende roosters – octaëdrische en tetraëdrische – met tegengestelde maar ongelijke magnetische momenten, resulterend in een netto magnetisch moment. Andere ferrimagnetische materialen zijn onder meer yttrium-ijzer-granaat en pyrrhotiet.

Antiferromagnetisme en de Néel-temperatuur

Beneden de Néel-temperatuur van een materiaal Bepaalde metalen, legeringen en ionische vaste stoffen gaan over van paramagnetisch naar antiferromagnetisch en verliezen hun reactie op externe magnetische velden. Bij antiferromagnetisme lijnen aangrenzende spins antiparallel uit, waardoor ze elkaar opheffen.

De Néel-temperaturen kunnen extreem laag zijn (≈–150°C) of dichtbij kamertemperatuur, afhankelijk van de verbinding. Slechts enkele elementen, zoals chroom en mangaan, vertonen antiferromagnetisme. Bekende antiferromagnetische verbindingen zijn onder meer mangaanoxide (MnO), sommige vormen van ijzeroxide (Fe₂O₃) en bismutferriet (BiFeO₃).

Naarmate de temperatuur stijgt, verzwakt de antiferromagnetische orde, waardoor een maximale paramagnetische respons wordt bereikt bij de Néel-temperatuur voordat thermische agitatie de uitlijning vermindert.

Hoewel de meeste alledaagse metalen ferromagnetisch of paramagnetisch zijn, onthult het begrijpen van deze magnetische classificaties waarom bepaalde metalen onaangetast blijven door conventionele magneten.