Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 05:36 • sest 21:19 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 16:44 • Sest 05:50 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 04:37 • Síðdegis: 17:05 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 10:57 • Síðdegis: 23:09 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: fræðileg

Hvers vegna eru ekki allir málmar seglanlegir?

Leó Kristjánsson (1943-2020) og Þorsteinn Vilhjálmsson

Fullyrðingin sem felst í spurningunni er ekki nákvæmlega rétt: Allir málmar verða fyrir áhrifum af segulsviði en á þessum áhrifum er hins vegar bæði eðlismunur og stigmunur eftir því hver málmurinn er. Hjá flestum málmum hverfa áhrifin um leið og ytra segulsvið verður að engu, en hjá sumum er seglunin varanleg, óháð ytra sviði.

Seguleiginleika efna má flokka í þrennt og hafa flokkarnir verið nefndir á íslensku mótseglun, meðseglun og járnseglun. Seguleiginleikar allra þriggja flokkanna stafa af víxlverkun segulsviðsins við rafeindir á braut um róteindir í frumeindum efnanna en þessi víxlverkun getur verið mjög mismunandi eftir aðstæðum.

Mótseglun (e. diamagnetism) er eiginleiki sem öll efni hafa og lýsir sér í því að á hluti sem settir eru í segulsvið verkar kraftur í átt frá sterkara að veikara segulsviði. Þessi kraftur er mjög daufur.

Hverja rafeind má líta á sem smá-segul, bæði vegna spuna hennar eða innri hverfiþunga og eins vegna svonefnds brautarhverfiþunga sem hún hefur vegna hreyfingar sinnar um atómkjarnann, en það er einungis hann sem skiptir máli hér. Smá-seglarnir parast oftast saman tveir og tveir í öfuga stefnu hvor við annan. Í ótruflaðri stöðu er samanlagður segulkraftur á slíkt par þess vegna enginn. Ef þeir eru hins vegar í ytra segulsviði færast rafeindirnar til og smáseglarnir hliðrast hver miðað við annan eftir því hver stefna þeirra er. Þannig kemur fram heildarkraftur í átt til minnkandi segulsviðs.

Í nokkrum efnum sem sýna meðseglun er hinsvegar einn smá-segull í hverri sameind stakur (óparaður). Togast þá efnið úr veikara segulsviði í sterkara, því að þessi kraftur er um einu tugaþrepi (einni stærðargráðu) sterkari en hinn sem orsakast af mótseglun efnisins í heild. Þetta eru meðseglandi efnin; dæmi um þau eru ýmsir málmar, málmsölt og málmoxíð.

Í járnseglandi efnunum eru einnig óparaðir smáseglar, en í þeim efnum hafa smáseglarnir mikil innbyrðis áhrif hver á annan og leitast gjarna við að snúa allir í sömu átt. Járnseglandi efni geta því myndað sterka segla sem togast af miklum krafti inn í segulsvið og valda einnig sterku segulsviði í kringum sig.

Þarna kemur meðal annars við sögu svokallaður skiptakraftur (exchange force) milli rafeinda en hann stafar af því að rafeindir með sömu spunastefnu eru allar eins. Hann tengist svonefndu einsetulögmáli Paulis sem er eitt af grundvallaratriðum skammtafræðinnar.

Járnseglandi efnunum má skipta í marga undirflokka, en í þekktasta undirflokknum eru þau þrjú frumefni sem eru segulmögnuð við stofuhita; málmarnir járn, nikkel og kóbalt. Í þeim undirflokki eru sömuleiðis ýmsar málmblöndur, en í öðrum undirflokkum járnseglandi efna eru til dæmis oxíðin seguljárnsteinn (magnetít, Fe3O4) og hematít (Fe2O3) og einnig ýmis önnur málmoxíð, málmsúlfíð og flóknari sambönd. Við hitastig undir stofuhita geta margskonar efni orðið segulmögnuð, þar með talin sjaldgæf frumefni eins og málmarnir gadolín og dysprósín.

Ástæðurnar fyrir járnseglun er ekki hægt að útskýra með þeirri eðlisfræði sem kölluð er "sígild", heldur aðeins út frá lögmálum skammtafræðinnar sem fram kom á fyrri hluta 20. aldar. Meðseglun og mótseglun verða raunar heldur ekki skýrðar til fulls nema með því að beita aðferðum skammtafræðinnar. En sérstaða járns og annarra járnseglandi efna felst í eiginleikum kristallsgrindarinnar sem leiða til þess að þar geta myndast allstór svæði (domains) þar sem smáseglar rafeindanna, sem eru á sveimi um kristallinn, raðast allir í sömu stefnu.

Skýringin á því að flestir málmar eru ekki járnseglandi er þess vegna í stuttu máli sú að rafeindaseglarnir tengjast ekki hver öðrum á stórum svæðum eins og gerist í járni.

Höfundar

Leó Kristjánsson (1943-2020)

Leó Kristjánsson (1943-2020)

jarðeðlisfræðingur við Raunvísindastofnun

Þorsteinn Vilhjálmsson

Þorsteinn Vilhjálmsson

prófessor emeritus, ritstjóri Vísindavefsins 2000-2010 og ritstjóri Evrópuvefsins 2011

Útgáfudagur

7.8.2003

Spyrjandi

Harald Halldórsson

Efnisorð

Tilvísun

Leó Kristjánsson (1943-2020) og Þorsteinn Vilhjálmsson. „Hvers vegna eru ekki allir málmar seglanlegir?“ Vísindavefurinn, 7. ágúst 2003. Sótt 20. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=3644.

Leó Kristjánsson (1943-2020) og Þorsteinn Vilhjálmsson. (2003, 7. ágúst). Hvers vegna eru ekki allir málmar seglanlegir? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=3644

Leó Kristjánsson (1943-2020) og Þorsteinn Vilhjálmsson. „Hvers vegna eru ekki allir málmar seglanlegir?“ Vísindavefurinn. 7. ágú. 2003. Vefsíða. 20. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=3644>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki
Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hvers vegna eru ekki allir málmar seglanlegir?
Fullyrðingin sem felst í spurningunni er ekki nákvæmlega rétt: Allir málmar verða fyrir áhrifum af segulsviði en á þessum áhrifum er hins vegar bæði eðlismunur og stigmunur eftir því hver málmurinn er. Hjá flestum málmum hverfa áhrifin um leið og ytra segulsvið verður að engu, en hjá sumum er seglunin varanleg, óháð ytra sviði.

Seguleiginleika efna má flokka í þrennt og hafa flokkarnir verið nefndir á íslensku mótseglun, meðseglun og járnseglun. Seguleiginleikar allra þriggja flokkanna stafa af víxlverkun segulsviðsins við rafeindir á braut um róteindir í frumeindum efnanna en þessi víxlverkun getur verið mjög mismunandi eftir aðstæðum.

Mótseglun (e. diamagnetism) er eiginleiki sem öll efni hafa og lýsir sér í því að á hluti sem settir eru í segulsvið verkar kraftur í átt frá sterkara að veikara segulsviði. Þessi kraftur er mjög daufur.

Hverja rafeind má líta á sem smá-segul, bæði vegna spuna hennar eða innri hverfiþunga og eins vegna svonefnds brautarhverfiþunga sem hún hefur vegna hreyfingar sinnar um atómkjarnann, en það er einungis hann sem skiptir máli hér. Smá-seglarnir parast oftast saman tveir og tveir í öfuga stefnu hvor við annan. Í ótruflaðri stöðu er samanlagður segulkraftur á slíkt par þess vegna enginn. Ef þeir eru hins vegar í ytra segulsviði færast rafeindirnar til og smáseglarnir hliðrast hver miðað við annan eftir því hver stefna þeirra er. Þannig kemur fram heildarkraftur í átt til minnkandi segulsviðs.

Í nokkrum efnum sem sýna meðseglun er hinsvegar einn smá-segull í hverri sameind stakur (óparaður). Togast þá efnið úr veikara segulsviði í sterkara, því að þessi kraftur er um einu tugaþrepi (einni stærðargráðu) sterkari en hinn sem orsakast af mótseglun efnisins í heild. Þetta eru meðseglandi efnin; dæmi um þau eru ýmsir málmar, málmsölt og málmoxíð.

Í járnseglandi efnunum eru einnig óparaðir smáseglar, en í þeim efnum hafa smáseglarnir mikil innbyrðis áhrif hver á annan og leitast gjarna við að snúa allir í sömu átt. Járnseglandi efni geta því myndað sterka segla sem togast af miklum krafti inn í segulsvið og valda einnig sterku segulsviði í kringum sig.

Þarna kemur meðal annars við sögu svokallaður skiptakraftur (exchange force) milli rafeinda en hann stafar af því að rafeindir með sömu spunastefnu eru allar eins. Hann tengist svonefndu einsetulögmáli Paulis sem er eitt af grundvallaratriðum skammtafræðinnar.

Járnseglandi efnunum má skipta í marga undirflokka, en í þekktasta undirflokknum eru þau þrjú frumefni sem eru segulmögnuð við stofuhita; málmarnir járn, nikkel og kóbalt. Í þeim undirflokki eru sömuleiðis ýmsar málmblöndur, en í öðrum undirflokkum járnseglandi efna eru til dæmis oxíðin seguljárnsteinn (magnetít, Fe3O4) og hematít (Fe2O3) og einnig ýmis önnur málmoxíð, málmsúlfíð og flóknari sambönd. Við hitastig undir stofuhita geta margskonar efni orðið segulmögnuð, þar með talin sjaldgæf frumefni eins og málmarnir gadolín og dysprósín.

Ástæðurnar fyrir járnseglun er ekki hægt að útskýra með þeirri eðlisfræði sem kölluð er "sígild", heldur aðeins út frá lögmálum skammtafræðinnar sem fram kom á fyrri hluta 20. aldar. Meðseglun og mótseglun verða raunar heldur ekki skýrðar til fulls nema með því að beita aðferðum skammtafræðinnar. En sérstaða járns og annarra járnseglandi efna felst í eiginleikum kristallsgrindarinnar sem leiða til þess að þar geta myndast allstór svæði (domains) þar sem smáseglar rafeindanna, sem eru á sveimi um kristallinn, raðast allir í sömu stefnu.

Skýringin á því að flestir málmar eru ekki járnseglandi er þess vegna í stuttu máli sú að rafeindaseglarnir tengjast ekki hver öðrum á stórum svæðum eins og gerist í járni....