Da li je grafit magnetan?

Grafit nije magnetičan kao željezo; dijamagnetski je i u praksi slabo odbijajući.

To zvuči jednostavno, ali mnogi ljudi "dokazuju" da je grafit magnetičan testiranjem mine za olovke. Problem je kontaminacija i priprema: željezna prašina na radnom stolu, čelični ostaci na magnetu ili glina/veziva u jezgrima olovke mogu stvoriti zavaravajuću privlačnost i mnogo zabune.

U ovom vodiču ćete dobiti brz i tačan odgovor, dvominutni test neodimijskim magnetom, najčešće lažno pozitivne rezultate i zašto pirolitički grafit može levitirati u demonstracijama.

Brzi odgovor: Grafit je dijamagnetski, to znači slabo odbija magnetsko polje i neće se "lijepiti" za magnet poput željeza. Većina rezultata "grafit je magnetski" dolazi od olovka (ne čisti grafit) ili kontaminacija kao što je željezna prašina na uzorku, radnoj površini ili magnetu. Za jači, lako uočljivi efekat, pirolitičkog grafita pokazuje mnogo veće dijamagnetsko ponašanje i obično se koristi za demonstracije levitacije sa jakim neodimijskim magnetima.

Tabela: Grafit vs. grafit za olovke vs. pirolitički grafit

Dvominutni magnetni test: Da li je grafit magnetičan?

Trebaće vam: a neodimijski (NdFeB) magnet, a tanka plastična folija/vreća, a spajalica/čelična igla, i tvoj grafit uzorak.

1. Očistite područje i magnet
   Obriši magnet i stol. Tiny željezna prašina je uzrok broj 1 lažne "privlačnosti".
2. Pokrijte magnet plastičnom folijom
   Zamotajte magnet u tanku plastičnu vrećicu (ili stavite plastičnu foliju preko). Ovo sprječava da magnet direktno podigne čestice čelika/željeza.
3. Potvrdite da vaš magnet radi (kontrola čelika)
   Dodirnite omotani magnet na spajalica/čelična iglaTrebalo bi i dalje snažno da se provlači kroz plastiku.
4. Testirajte grafit na isti način
   Približite omotani magnet grafitu. Grafit se ne bi trebao lijepitiNajviše što možete primijetiti nema efekta (njegov dijamagnetizam je vrlo slab u ovoj konfiguraciji).
5. Ponovite nakon čišćenja grafitne površine
   Ako ste primijetili bilo kakvu "blagu privlačnost", očistite grafit i pokušajte ponovo. Ako efekat nestane, to je bilo kontaminacija, ne grafit.

Uobičajeni lažno pozitivni rezultati (zašto grafit može izgledati magnetski):

• Prašina od željeza/čelika na grafitu ili stolu (posebno u blizini alata, brušenja ili mašinske obrade)
• Magnet skuplja otpad kada nije izolovan sa plastikom
• Aditivi "grafita za olovke" (glina/veziva) plus površinska kontaminacija čine rezultate nedosljednima

Graphite Vs. dijamagnetizam

Materijali koji imaju tendenciju odbijanja vanjskog magnetskog polja nazivaju se dijamagnetički. Odbijanje dolazi od kretanja elektrona unutar materijala izazvanog poljem, koje formulira vlastito malo suprotno magnetsko polje. Dijamagnetizam nije imovina koju izlaže samo grafit.

Grafit je alotropni oblik ugljika sa slojevitom strukturom. Zbog strukture svojih elektrona, grafit se ponaša kao dijamagnetni materijali.

Njegova jedinstvena slojevita struktura i slaba međuslojna veza igraju ključnu ulogu u utjecaju na ukupni magnetski odgovor materijala.

Faktori koji utiču na magnetizam grafita

Međuslojno spajanje (heksagonalna rešetkasta struktura)

Pojedinačni slojevi grafena u grafitu su blago dijamagnetni. Shvatićete da postoji blago odbijanje magnetnih polja. Ipak, kritično je kako su ovi slojevi složeni.

Slojevi su međusobno povezani slabim van der Waalsovim silama, a njihova relativna orijentacija i razmak mogu uticati na njihovu međusobnu magnetnu interakciju.

Nečistoće (doping i defekti)

Elektronska struktura grafena i njegova magnetna svojstva mogu se promijeniti uvođenjem atoma (dopanta) ili stvaranjem strukturnih defekata.

Zamjenom jednog ili više atoma ugljika elementima kao što su bor ili dušik, sistem počinje sadržavati nesparene elektrone.

To ga čini podložnim feromagnetizmu (gdje su svi njegovi magnetni momenti orijentirani u jednom smjeru).

 Vanjsko magnetsko polje

Ispostavilo se da se čak i čisti grafit, bez ikakvih dodataka ili defekata, može navesti da postane magnet primjenom vanjskog magnetsko polje. Kada u svakom elementu postoji jedan sloj, poravnanje polja može orijentirati slojeve bušotine i stvoriti neto makroskopsku magnetizaciju.

Varijacije temperature

Na magnetizam grafita u velikoj mjeri utiče temperatura. Temperatura uzrokuje promjene u kinetičkoj energiji njegovih elektrona.

Istovremeno, mijenja njihovu mobilnost, što rezultira promjenom magnetnih svojstava. Utjecaj temperature objašnjava prirodu i promjenjivost magnetizma grafita.

Struktura grafita i utjecaji na magnetizam

Slojevi saća

Slojevi grafena su poput saća, sa atomima ugljika u čvrstoj sp2 hibridnoj strukturi i formirajući jake veze unutar svakog sloja.

Ove veze čine grafit dobrim provodnikom i ograničavaju kretanje elektrona preko ravnina okomitih na njihov smjer. Ovo ograničeno kretanje je ključni faktor u sprečavanju prejake magnetske interakcije slojeva.

Slabo vezivanje između slojeva

Slojevi grafena se gomilaju jedan na drugi, vezani slabim van der Waalsovim interakcijama. Budući da su sp2 veze u ravnini mnogo jače od ovih međuslojnih sila, postoji vrlo malo elektronske interakcije između slojeva.

Ova slaba sprega omogućava svakom sloju da zadrži svoj osnovni dijamagnetizam, blagu otpornost na magnetna polja. Ipak, relativni položaj ovih slojeva će uticati na njihov ukupni magnetni odgovor.

Red slaganja i magnetizam

Ova međuslojna magnetna interakcija zavisi od redosleda slaganja slojeva u naslagama grafena.

Kada dva sloja na Bernalovom slaganju pokazuju suprotno orijentisan dijamagnetizam, efekat je antiferomagnetski (ukupna magnetizacija se poništava).

Ples se može modificirati drugim mogućim obrascima slaganja, što rezultira slabim feromagnetizmom ili egzotičnim magnetskim fenomenima zbog sitnih promjena koje utiču na delokalizaciju elektrona između slojeva.

Rubni efekti i defekti

Konačno, rubovi listova grafena ostavljaju viseće veze, stvarajući lokalne magnetne momente. Oni tada mogu stupiti u interakciju sa slabim dijamagnetizmom mase i na taj način utjecati na cjelokupno magnetsko ponašanje.

Ponekad možete dodati strane atome, poput bora ili dušika, koji donose nesparene elektrone koji doprinose jačem feromagnetizmu.

Druge vrste ugljika i njihova magnetna svojstva

dijamant

Napravljen od tetraedarske rešetke, koja mu daje izgled, ova neverovatna karakteristika ga čini dijamagnetnim.

Budući da se svaki ugljik vezuje jednako sa sva četiri susjeda, elektroni su upareni i ne postoji neto magnetni moment.

Ipak, nečistoće dušika ili druge površinske nepravilnosti mogu ostaviti nesparene elektrone, što oslabi feromagnetizam.

Fullereni

Poput dobro poznatih buckyballs, ovi sferni ili cilindrični karbonski kavezi također pokazuju dijamagnetizam.

Osim toga, njihova elektronska struktura zatvorene ljuske proizvodi nekoliko nesparenih elektrona. Ali, korištenjem magnetnih atoma za dopiranje ili pričvršćivanjem molekula koje se magnetno kreću, mogu se otvoriti vrata za nove nanomagnete.

Ugljične nanocijevi

Ova jednodimenzionalna čuda pokazuju različite tipove magnetnog ponašanja pod uticajem varijacija u kiralnosti i prečniku.

Metalne nanocijevi su dijamagnetne, ali poluvodičke mogu biti paramagnetne ako imaju nesparene elektrone u svojoj tračnoj strukturi.

Dodavanje defekata ili nečistoća može uzrokovati feromagnetizam ili antiferomagnetizam, što ih čini odličnim kandidatima za spintroniku.

Amorfni ugljenik

U ovom neuređenom obliku, koji sadrži čađ i ugalj, struktura elektrona je nasumična i delokalizirana; ima malo ili nimalo dijamagnetizma.

Ako su prisutne nečistoće ili defekti, to uvodi lokalizirane magnetne momente uzrokujući vrlo složeno ponašanje ovih materijala.

Graphene

Iako su podjednako slični grafitu, nezavisno formirani listovi grafena imaju neobičan kvantni magnetizam.

To je zbog toga što su dvodimenzionalni i povećane interakcije elektron-elektron. Ovo utire nove načine za istraživanje egzotičnog magnetizma na atomskom nivou.

zaključak

Ovo je samo pogled u zadivljujući svijet ugljičnog magnetizma. Uz stalna istraživanja i istraživanja, mogli bismo otkriti fascinantne magnetske tajne.

More Resource  Tačka topljenja grafita – KDMfab

ČESTA PITANJA

Da li je grafit magnetičan?

Ne u smislu da se "lijepi za magnet". Grafit je dijamagnetičan, tako da slabo odbija magnetsko polje i neće se prilijepiti kao željezo ili čelik.

Je li grafit paramagnetski ili dijamagnetski?

Pod normalnim uslovima, grafit je dijamagnetski, a ne paramagnetski (efekat je slab, ali mjerljiv).

Zašto se ponekad čini da je grafit za olovku magnetičan?

"Graf za olovku" nije čisti grafit. Lažna privlačnost obično dolazi od željezne prašine/čeličnog ostatka, gline/veziva ili testne postavke koja omogućava magnetu da pokupi kontaminaciju.

Može li grafit levitirati na magnetima?

Grafit u masi je previše slab za laku levitaciju. Demonstracije levitacije obično koriste pirolitički grafit, koji pokazuje mnogo jači dijamagnetski odziv s jakim neodimijskim magnetima.

Da li grafit ima magnetska svojstva?

Da - grafit ima magnetski odziv (dijamagnetizam). Ali jeste nije feromagnetski, tako da se neće ponašati kao materijali na bazi željeza.

Koji je najlakši način za testiranje grafita kod kuće?

Koristite a jak neodimijum magnet i kontrolisati kontaminacijuUzorak izolovati tankom plastičnom folijom, očistiti površinu i uporediti sa čeličnom spajalicom (dobra „poznata magnetska“ referenca).