Fire, țevi metalice, ustensile de bucătărie: în experiența noastră de zi cu zi, cuprul nu este atras de magneți. Totuși o mulțime de experimente ciudate arată cuprul comportându-se puțin ciudat în jurul câmpurilor magnetice. Deci ce se întâmplă? Cuprul este magnetic sau nu? Și cum poate interacționa cu magneții?
Se pare că toate elementele au proprietăți magnetice. Metalele pe care le considerăm de obicei magnetice – fier, nichel și cobalt – sunt o clasă specială de elemente cunoscute sub numele de feromagneți, care interacționează deosebit de puternic cu câmpurile magnetice și formează magneți permanenți.
Dar există câteva alte tipuri, mult mai slabe de magnetisma spus Michael Coey, profesor emerit de fizică la Trinity College Dublin. Majoritatea elementelor sunt fie paramagnetice, fie diamagnetice. „Cu paramagneți, când aplici a camp magneticobții o magnetizare foarte mică în direcția câmpului”, a spus el. Asta înseamnă că elementul este foarte puțin atras de magnet, dar efectul este doar temporar și dispare imediat ce magnetul este îndepărtat.
„Pentru diamagneți, atunci când aplicați un câmp magnetic, obțineți o magnetizare și mai mică în direcția opusă câmpului”, a spus Coey pentru Live Science. Acest lucru creează o mică forță de respingere față de magnet care, din nou, dispare fără câmpul magnetic. Deci, în condiții de zi cu zi, nu am observa niciodată că materialele paramagnetice și diamagnetice au proprietăți magnetice.
Cuprul este un exemplu de material diamagnetic, dar exact în ce categorie se încadrează un element depinde de electronii. Aceste particule încărcate negativ orbitează în jurul nucleului central al unui atom în straturi definite numite învelișuri, care sunt împărțite în continuare în niveluri numite orbital s, orbitalii d și orbitalii p.
Legate de: De ce cuprul devine verde?
Pentru metalele din centrul tabelul periodic, orbitalul s este deja umplut cu doi electroni, iar deplasându-se de la stânga la dreapta pe rând, orbitalii d se umplu treptat cu maximum 10 electroni. Pe măsură ce orbitalii se umplu, electronii sunt forțați să se împerecheze, iar acest lucru determină proprietățile magnetice ale elementelor. Elementele cu mai mulți electroni neperechi sunt paramagnetice, iar cele cu mai mulți electroni perechi sunt diamagnetice.
Fiecare electron posedă și o proprietate cuantică ciudată numită spin. Direcția (în sus sau în jos) a tuturor rotațiilor electronilor dintr-un atom definește puterea magnetismului. „Când electroni diferiți își aliniază spinurile în paralel [in the same direction]atomul are un moment magnetic”, a spus Coey. “Dar dacă electronii își aliniază spinurile antiparalele [in opposite directions]momentul magnetic se anulează.”
Cuprul se află în poziția a noua, așa că ne-am aștepta să aibă doi electroni în orbitalul s și nouă în orbitalii d. Dar, în mod neobișnuit, cuprul scoate un electron din orbitalul s complet pentru a umple complet orbitalii d. Aceasta înseamnă că toți electronii d sunt perechi, cu numere egale care se rotesc în sus și în jos. În consecință, nu există moment magnetic, așa că nu observăm niciun comportament magnetic în condiții normale.
Cu toate acestea, această configurație neobișnuită înseamnă că cuprul poate interacționa cu magneții într-un mod diferit și extrem de important. Magnetismul este strâns legat de electricitate – un fenomen descris în fizică de legea lui Lenz.
„În esență, un câmp magnetic în schimbare va induce un curent în interiorul unui conductor”, a spus Ernesto Bosque, fizician la Laboratorul Național de Câmp Magnetic Înalt din Florida. „Deoarece cuprul are o rezistență electrică atât de scăzută, curenții pot curge foarte ușor înăuntru [it].”
Electronul s nepereche este cel care face cuprul un conductor atât de excelent. Acest efect, cunoscut sub numele de inducție electromagnetică, este esențial pentru modul în care generăm electricitate astăzi. „Un stator este în esență un set de fire izolate rotative care se mișcă în jurul unui miez. Acesta poate fi folosit ca motor sau generator”, a spus Bosque pentru Live Science într-un e-mail. Aceeași idee funcționează și invers: un curent trecut prin bobine de sârmă poate genera un câmp magnetic într-un miez metalic, creând un electromagnet.
Capacitatea cuprului de a interacționa cu un magnet, în ciuda faptului că nu este feromagnetic, este ceva pe care ne bazăm în fiecare zi pentru a alimenta dispozitivele electronice, pentru a stoca date pe hard disk-uri și chiar pentru a încetini montagne russe.