Contenu
- Diamagnétisme, Paramagnétisme et Ferromagnétisme
- Les électrons en orbite créent un champ magnétique
- Le spin électronique affecte les propriétés magnétiques
- Des électrons non appariés confèrent des propriétés magnétiques
- Tout est diamagnétique, y compris certains métaux
- Certains métaux sont paramagnétiques
- L'oxygène est paramagnétique et vous pouvez le prouver
- Les éléments ferromagnétiques peuvent devenir magnétisés de façon permanente
- Le point de Curie: une limite à la permanence des aimants
- La magnétite est ferrimagnétique, non ferromagnétique
- L'antiferromagnétisme est un autre type de magnétisme ordonné
Le magnétisme et l'électricité sont si intimement liés que vous pourriez même les considérer comme les deux faces d'une même pièce. Les propriétés magnétiques de certains métaux résultent des conditions de champ électrostatique dans les atomes qui composent le métal.
En fait, tous les éléments ont des propriétés magnétiques, mais la plupart ne les manifestent pas de manière évidente. Les métaux attirés par les aimants ont une chose en commun: les électrons non appariés dans leur coquille extérieure. C'est juste une recette électrostatique pour le magnétisme, et c'est la plus importante.
Diamagnétisme, Paramagnétisme et Ferromagnétisme
Les métaux que vous pouvez magnétiser de façon permanente sont appelés ferromagnétique métaux, et la liste de ces métaux est petite. Le nom vient de ferrum, le mot latin pour le fer _._
Il existe une liste beaucoup plus longue de matériaux qui sont paramagnétique, ce qui signifie qu'ils deviennent temporairement magnétisés en présence d'un champ magnétique. Les matériaux paramagnétiques ne contiennent pas tous les métaux. Certains composés covalents, tels que l'oxygène (O2) présentent un paramagnétisme, de même que certains solides ioniques.
Tous les matériaux qui ne sont pas ferromagnétiques ou paramagnétiques sont diamagnétique, ce qui signifie qu’ils présentent une légère répulsion aux champs magnétiques et qu’un aimant ordinaire ne les attire pas. En fait, tous les éléments et composés sont diamagnétiques dans une certaine mesure.
Pour comprendre les différences entre ces trois classes de magnétisme, il faut regarder ce qui se passe au niveau atomique.
Les électrons en orbite créent un champ magnétique
Dans le modèle actuellement accepté de l'atome, le noyau est constitué de protons chargés positivement et de neutrons électriquement neutres maintenus ensemble par la force puissante, l'une des forces fondamentales de la nature. Un nuage d’électrons chargés négativement, occupant des niveaux d’énergie discrets, ou coques, entoure le noyau, et c’est ce qui confère des qualités magnétiques.
Un électron en orbite génère un champ électrique changeant et, selon les équations de Maxwell, c'est la recette d'un champ magnétique. La magnitude du champ est égale à la surface à l'intérieur de l'orbite multipliée par le courant. Un électron individuel génère un courant infime et le champ magnétique résultant, mesuré en unités appelées Magnétons de Bohr, est également minuscule. Dans un atome typique, les champs générés par tous ses électrons en orbite s'annulent généralement.
Le spin électronique affecte les propriétés magnétiques
Ce n'est pas seulement le mouvement en orbite d'un électron qui crée une charge, mais aussi une autre propriété appelée tourner. Il s'avère que le spin est beaucoup plus important dans la détermination des propriétés magnétiques que le mouvement orbital, car le spin global dans un atome est plus susceptible d'être asymétrique et capable de créer un moment magnétique.
Vous pouvez considérer le spin comme le sens de rotation d'un électron, bien que ce ne soit qu'une approximation approximative. Le spin est une propriété intrinsèque des électrons, pas un état de mouvement. Un électron qui tourne dans le sens horaire a spin positif, ou tourner vers le haut, tandis que celui qui tourne dans le sens antihoraire a spin négatifou ralentir.
Des électrons non appariés confèrent des propriétés magnétiques
Le spin électronique est une propriété de la mécanique quantique sans analogie classique et détermine le placement des électrons autour du noyau. Les électrons se rangent par paires dans chaque coquille pour créer un réseau nul. moment magnétique.
Les électrons responsables de la création de propriétés magnétiques sont ceux situés à l’extérieur, ou valence, coquilles de l'atome. En général, la présence d'un électron non apparié dans la couche externe d'un atome crée un moment magnétique net et confère des propriétés magnétiques, alors que les atomes avec une paire d'électrons dans la couche externe n'ont pas de charge nette et sont diamagnétiques. Ceci est une simplification excessive, car les électrons de valence peuvent occuper des couches de faible énergie dans certains éléments, en particulier le fer (Fe).
Tout est diamagnétique, y compris certains métaux
Les boucles de courant créées par les électrons en orbite rendent chaque matériau diamagnétique, car lorsqu'un champ magnétique est appliqué, toutes les boucles de courant s'alignent en opposition et s'opposent au champ. Ceci est une application de Loi de Lenz, qui stipule qu'un champ magnétique induit s'oppose au champ qui le crée. Si le spin de l'électron n'entre pas dans l'équation, ce sera la fin de l'histoire, mais le spin entre en effet.
Le total moment magnétique J de d'un atome est la somme de son moment angulaire orbital et son spin moment angulaire. Quand J = 0, l'atome est non magnétique, et quand J0, l'atome est magnétique, ce qui se produit lorsqu'il y a au moins un électron non apparié.
En conséquence, tout atome ou composé dont les orbitales sont complètement remplies est diamagnétique. L'hélium et tous les gaz rares en sont des exemples évidents, mais certains métaux sont également diamagnétiques. Voici quelques exemples:
Le diamagnétisme n'est pas le résultat net de certains atomes dans une substance entraînés dans un sens par un champ magnétique et d'autres dans un autre sens. Chaque atome dans un matériau diamagnétique est diamagnétique et subit la même répulsion faible vers un champ magnétique externe. Cette répulsion peut créer des effets intéressants. Si vous suspendez une barre d'un matériau diamagnétique, tel que de l'or, dans un champ magnétique puissant, elle s'alignera perpendiculairement au champ.
Certains métaux sont paramagnétiques
Si au moins un électron de la couche externe des atomes n'est pas apparié, l'atome a un moment magnétique net et il s'alignera avec un champ magnétique externe. Dans la plupart des cas, l'alignement est perdu lorsque le champ est supprimé. C'est un comportement paramagnétique, et les composés peuvent le présenter aussi bien que des éléments.
Certains des métaux paramagnétiques les plus courants sont:
Certains métaux sont si faiblement paramagnétiques que leur réponse à un champ magnétique est à peine perceptible. Les atomes s'alignent sur un champ magnétique, mais l'alignement est tellement faible qu'un aimant ordinaire ne l'attire pas.
Vous ne pouviez pas prendre le métal avec un aimant permanent, peu importe les efforts que vous avez déployés. Cependant, vous seriez en mesure de mesurer le champ magnétique généré dans le métal si vous disposiez d'un instrument suffisamment sensible. Lorsqu'il est placé dans un champ magnétique d'intensité suffisante, une barre d'un métal paramagnétique s'alignera parallèlement au champ.
L'oxygène est paramagnétique et vous pouvez le prouver
Lorsque vous pensez à une substance ayant des caractéristiques magnétiques, vous pensez généralement à un métal, mais quelques non-métaux, tels que le calcium et l'oxygène, sont également paramagnétiques. Vous pouvez démontrer la nature paramagnétique des oxygènes pour vous-même avec une expérience simple.
Versez de l'oxygène liquide entre les pôles d'un puissant électroaimant. L'oxygène va s'accumuler sur les pôles et se vaporiser, produisant un nuage de gaz. Essayez la même expérience avec de l'azote liquide, qui n'est pas paramagnétique, et rien ne se passera.
Les éléments ferromagnétiques peuvent devenir magnétisés de façon permanente
Certains éléments magnétiques sont tellement sensibles aux champs extérieurs qu’ils deviennent magnétisés lorsqu’ils y sont exposés et conservent leurs caractéristiques magnétiques lorsque le champ est éliminé. Ces éléments ferromagnétiques comprennent:
Ces éléments sont ferromagnétiques car les atomes individuels ont plus d'un électron non apparié dans leur coquille orbitale. mais il se passe aussi autre chose. Les atomes de ces éléments forment des groupes appelés domaineset lorsque vous introduisez un champ magnétique, les domaines s’alignent sur le champ et le restent même après la suppression du champ. Cette réponse différée est appelée hystérésis et cela peut durer des années.
Certains des aimants permanents les plus puissants sont connus sous le nom de aimants de terres rares. Deux des plus communs sont néodyme des aimants, qui consistent en une combinaison de néodyme, de fer et de bore, et samarium cobalt aimants, qui sont une combinaison de ces deux éléments. Dans chaque type d'aimant, un matériau ferromagnétique (fer, cobalt) est renforcé par un élément de terre rare paramagnétique.
Ferrite des aimants en fer, et Alnico Les aimants, qui consistent en une combinaison d'aluminium, de nickel et de cobalt, sont généralement plus faibles que les aimants en terres rares. Cela les rend plus sûrs à utiliser et plus adaptés aux expériences scientifiques.
Le point de Curie: une limite à la permanence des aimants
Chaque matériau magnétique a une température caractéristique au-dessus de laquelle il commence à perdre ses caractéristiques magnétiques. Ceci est connu comme le Point de Curie, nommé d'après Pierre Curie, le physicien français qui a découvert les lois qui établissent un lien entre la capacité magnétique et la température. Au-dessus du point de Curie, les atomes d’un matériau ferromagnétique commencent à perdre leur alignement et ce dernier devient paramagnétique ou, si la température est suffisamment élevée, diamagnétique.
Le point de Curie pour le fer est de 718 ° C (1418 ° F) et pour le cobalt de 1 121 ° C (2 050 ° F), ce qui est l’un des points les plus élevés de Curie. Lorsque la température tombe en dessous de son point de Curie, le matériau retrouve ses caractéristiques ferromagnétiques.
La magnétite est ferrimagnétique, non ferromagnétique
La magnétite, également connue sous le nom de minerai de fer ou d’oxyde de fer, est un minéral gris-noir de formule chimique Fe3O4 c'est la matière première pour l'acier. Il se comporte comme un matériau ferromagnétique et devient magnétisé de façon permanente lorsqu'il est exposé à un champ magnétique externe. Jusqu'au milieu du vingtième siècle, tout le monde supposait qu'il était ferromagnétique, mais en réalité ferrimagnétiqueet il y a une différence significative.
Le ferrimagnétisme de la magnétite n'est pas la somme des moments magnétiques de tous les atomes du matériau, ce qui serait vrai si le minéral était ferromagnétique. C'est une conséquence de la structure cristalline du minéral lui-même.
La magnétite consiste en deux structures de réseau distinctes, une octaédrique et une tétraédrique. Les deux structures ont des polarités opposées mais inégales et ont pour effet de produire un moment magnétique net. D'autres composés ferrimagnétiques connus comprennent le grenat d'yttrium et la pyrrhotite.
L'antiferromagnétisme est un autre type de magnétisme ordonné
En dessous d'une certaine température, appelée le Température de Néel Après le physicien français Louis Néel, certains métaux, alliages et solides ioniques perdent leurs qualités paramagnétiques et deviennent insensibles aux champs magnétiques externes. Ils deviennent essentiellement démagnétisés. Cela se produit parce que les ions de la structure en treillis du matériau s’alignent dans des arrangements antiparallèles dans toute la structure, créant ainsi des champs magnétiques opposés qui s’annulent.
Les températures de Néel peuvent être très basses, de l’ordre de -150 ° C (240 ° F), ce qui rend les composés paramagnétiques à toutes fins pratiques. Cependant, certains composés ont des températures de Néel dans la plage de température ambiante ou supérieure.
À très basse température, les matériaux antiferromagnétiques ne présentent aucun comportement magnétique. Lorsque la température augmente, certains atomes se détachent de la structure du réseau et s'alignent sur le champ magnétique. Le matériau devient alors faiblement magnétique. Lorsque la température atteint la température de Néel, ce paramagnétisme atteint son apogée, mais lorsque la température augmente au-delà de ce point, l'agitation thermique empêche les atomes de rester alignés sur le champ et le magnétisme tombe progressivement.
Peu d'éléments sont antiferromagnétiques - seulement du chrome et du manganèse. Les composés antiferromagnétiques comprennent l'oxyde de manganèse (MnO), certaines formes d'oxyde de fer (Fe2O3) et la ferrite de bismuth (BiFeO3).