Почему медь не притягивается магнитом

Известно, что медь не притягивается магнитами. Тем не менее, множество экспериментов показывают, что медь ведет себя немного странно в магнитных полях. Так что же происходит? Медь магнитная или нет? И как она может взаимодействовать с магнитами?

Оказывается, все элементы обладают магнитными свойствами. Металлы, которые мы обычно считаем магнитными — железо, никель и кобальт — относятся к особому классу элементов, известных как ферромагнетики, которые особенно сильно взаимодействуют с магнитными полями и образуют постоянные магниты.

Но есть несколько других, гораздо более слабых типов магнетизма, поясняет Майкл Кои, почетный профессор физики в Дублинском Тринити-колледже. Большинство элементов являются либо парамагнитными, либо диамагнитными. "С парамагнетиками, когда вы прикладываете магнитное поле, вы получаете очень малую намагниченность в направлении поля", - говорит он. Это означает, что элемент очень слабо притягивается к магниту, эффект носит лишь временный характер и исчезает, как только магнит снимается.

"Для диамагнетиков, когда вы прикладываете магнитное поле, вы получаете еще меньшую намагниченность в направлении, противоположном полю", - говорит Коуи. Это создает крошечную силу отталкивания от магнита, которая, опять же, исчезает без магнитного поля. Таким образом, в повседневных условиях мы бы никогда не заметили, что парамагнитные и диамагнитные материалы обладают какими-либо магнитными свойствами.

Медь является примером диамагнитного материала, но к какой именно категории относится элемент, зависит от электронов. Эти отрицательно заряженные частицы вращаются вокруг центрального ядра атома в определенных слоях, называемых оболочками, которые далее делятся на уровни - s-орбитали, d-орбитали и p-орбитали.

Что касается металлов в центре периодической таблицы, то s-орбиталь уже заполнена двумя электронами, и, двигаясь слева направо по ряду, d-орбитали постепенно заполняются максимум 10 электронами. По мере заполнения орбиталей электроны вынуждены спариваться, и это определяет магнитные свойства элементов. Элементы с большим количеством неспаренных электронов являются парамагнитными, а элементы с большим количеством спаренных электронов - диамагнитными.

Каждый электрон также обладает странным квантовым свойством, называемым спином. Направление (вверх или вниз) всех электронных спинов в атоме определяет силу магнетизма. "Когда разные электроны выравнивают свои спины параллельно в одном направлении, атом обладает магнитным моментом, - отмечает Коуи. - Но если электроны выровняют свои спины антипараллельно в противоположных направлениях, магнитный момент уравновесится".

Медь находится на девятой позиции, поэтому мы ожидали бы, что у нее будет два электрона на s-орбитали и девять на d-орбиталях. Но необычно, что медь забирает один электрон с полной s-орбитали, чтобы вместо этого полностью заполнить d-орбитали. Это означает, что все d-электроны спарены, и равное их количество вращается вверх и вниз. Следовательно, магнитного момента нет, поэтому мы не наблюдаем никакого магнитного поведения при нормальных условиях.

Однако эта необычная конфигурация означает, что медь может взаимодействовать с магнитами другим и чрезвычайно важным способом. Магнетизм тесно связан с электричеством — явление, описываемое в физике законом Ленца.

"По сути, изменяющееся магнитное поле вызывает ток внутри проводника, - рассказывает Эрнесто Боске, физик из Национальной лаборатории высокого магнитного поля во Флориде. – И раз медь имеет такое низкое электрическое сопротивление, в ней могут очень легко протекать токи".

Именно неспаренный s-электрон делает медь таким превосходным проводником. Этот эффект, известный как электромагнитная индукция, играет центральную роль в том, как мы сегодня вырабатываем электричество. "Статор - это, по сути, набор вращающихся изолированных проводов, которые движутся вокруг сердечника. Его можно использовать как двигатель или генератор", - говорит Боске. Та же идея работает и в обратном направлении: ток, пропускаемый через катушки проволоки, может создавать магнитное поле в металлическом сердечнике, создавая электромагнит.

Способность меди взаимодействовать с магнитом, несмотря на то, что она не ферромагнитна, - это то, что мы используем каждый день для питания электронных устройств и хранения данных на жестких дисках.