Toute substance dans le monde possède certaines propriétés magnétiques. Ils sont mesurés par perméabilité magnétique. Dans cet article, nous examinerons les propriétés magnétiques de la matière.
L'hypothèse d'Ampère
La perméabilité magnétique montre combien de fois l'induction du champ magnétique dans un environnement donné est inférieure ou supérieure à l'induction du champ magnétique dans le vide.
Une substance qui crée son propre champ magnétique est appelée magnétisée. La magnétisation se produit lorsqu'une substance est placée dans un champ magnétique externe.
Le scientifique français Ampère en a établi la raison, dont la conséquence est la possession de propriétés magnétiques par les corps. L'hypothèse d'Ampère affirme qu'il existe des courants électriques microscopiques à l'intérieur de la matière (un électron a son propre moment magnétique, qui a une nature quantique, un mouvement orbital dans les atomes électroniques). Ce sont eux qui déterminent les propriétés magnétiques d'une substance. Si les courants ont des directions désordonnées, alors les champs magnétiques qu’ils génèrent s’annulent. Le corps n'est pas magnétisé. Un champ magnétique externe régule ces courants. En conséquence, la substance développe son propre champ magnétique. C'est la magnétisation de la substance.
C'est par la réaction des substances à un champ magnétique externe et par l'ordre de leur structure interne que les propriétés magnétiques d'une substance sont déterminées. Conformément à ces paramètres, ils sont répartis dans les groupes suivants :
- Para-aimants
- Diamagnets
- Ferromagnétiques
- Antiferromagnétiques
Diamagnétiques et para-aimants
- Les substances qui ont une susceptibilité magnétique négative, indépendante de l'intensité du champ magnétique, sont appelées matériaux diamagnétiques. Voyons quelles propriétés magnétiques d'une substance sont appelées susceptibilité magnétique négative. C’est à ce moment qu’un aimant est amené vers un corps et qu’il est repoussé plutôt qu’attiré. Les dia-aimants comprennent, par exemple, les gaz inertes, l'hydrogène, le phosphore, le zinc, l'or, l'azote, le silicium, le bismuth, le cuivre et l'argent. C'est-à-dire qu'il s'agit de substances qui sont dans un état supraconducteur ou qui ont des liaisons covalentes.
- Matériaux paramagnétiques. Pour ces substances, la susceptibilité magnétique ne dépend pas non plus de l'intensité du champ existant. Elle est pourtant positive. Autrement dit, lorsqu’un paramagnétique s’approche d’un aimant permanent, une force attractive apparaît. Ceux-ci comprennent l'aluminium, le platine, l'oxygène, le manganèse et le fer.
Ferromagnétiques
Les substances qui ont une susceptibilité magnétique positive élevée sont appelées ferromagnétiques. Pour ces substances, contrairement aux matériaux diamagnétiques et paramagnétiques, la susceptibilité magnétique dépend de la température et de l'intensité du champ magnétique, et ce dans une mesure significative. Ceux-ci incluent les cristaux de nickel et de cobalt.
Antiferromagnétiques et ferrimagnétiques
- Les substances dans lesquelles, lors du chauffage, se produit une transition de phase d'une substance donnée, accompagnée de l'apparition de propriétés paramagnétiques, sont appelées antiferromagnétiques. Si la température devient inférieure à une certaine température, ces propriétés de la substance ne seront pas observées. Des exemples de ces substances seraient le manganèse et le chrome.
- Les ferrimagnétiques se caractérisent par la présence d'un antiferromagnétisme non compensé. Leur susceptibilité magnétique dépend également des températures et de l'intensité du champ magnétique. Mais ils ont encore des différences. Ces substances comprennent divers oxydes.
Tous les aimants ci-dessus peuvent être divisés en 2 catégories :
- Matériaux magnétiques durs. Ce sont des matériaux à forte valeur coercitive. Pour les remagnétiser, il faut créer un champ magnétique puissant. Ces matériaux sont utilisés dans la fabrication d'aimants permanents.
- Les matériaux magnétiques doux, au contraire, ont une faible force coercitive. Dans des champs magnétiques faibles, ils peuvent entrer en saturation. Ils présentent de faibles pertes dues à l’inversion de la magnétisation. De ce fait, ces matériaux sont utilisés pour fabriquer des noyaux de machines électriques fonctionnant au courant alternatif. Il s'agit par exemple d'un transformateur de courant et de tension, ou d'un générateur, ou encore d'un moteur asynchrone.
Nous avons examiné toutes les propriétés magnétiques de base de la matière et déterminé quels types d'aimants existent.
AIMANTS ET PROPRIÉTÉS MAGNÉTIQUES DE LA MATIÈRE
Les manifestations les plus simples du magnétisme sont connues depuis très longtemps et sont familières à la plupart d’entre nous. Cependant, ce n’est que récemment que ces phénomènes apparemment simples ont été expliqués sur la base des principes fondamentaux de la physique. Il existe deux types différents d'aimants. Certains sont des aimants dits permanents, fabriqués à partir de matériaux « magnétiques durs ». Leurs propriétés magnétiques ne sont pas liées à l’utilisation de sources ou de courants externes. Un autre type comprend les électro-aimants avec un noyau en fer « magnétique doux ». Les champs magnétiques qu'ils créent sont principalement dus au fait qu'un courant électrique traverse le fil de bobinage entourant le noyau.
Pôles magnétiques et champ magnétique. Les propriétés magnétiques d’un barreau magnétique sont plus visibles près de ses extrémités. Si un tel aimant est suspendu par la partie médiane de manière à pouvoir tourner librement dans un plan horizontal, il prendra alors une position correspondant approximativement à la direction du nord au sud. L’extrémité de la tige pointant vers le nord s’appelle le pôle nord et l’extrémité opposée s’appelle le pôle sud. Les pôles opposés de deux aimants s’attirent et les pôles semblables se repoussent. Si une barre de fer non magnétisée est rapprochée de l'un des pôles d'un aimant, celui-ci sera temporairement magnétisé. Dans ce cas, le pôle de la barre aimantée le plus proche du pôle magnétique aura le nom opposé, et le pôle le plus éloigné aura le même nom. L'attraction entre le pôle de l'aimant et le pôle opposé induit par celui-ci dans le barreau explique l'action de l'aimant. Certains matériaux (comme l'acier) deviennent eux-mêmes des aimants permanents faibles après avoir été à proximité d'un aimant permanent ou d'un électro-aimant. Une tige d'acier peut être magnétisée en passant simplement l'extrémité d'une barre aimantée permanente le long de son extrémité. Ainsi, un aimant attire d’autres aimants et objets constitués de matériaux magnétiques sans être en contact avec eux. Cette action à distance s'explique par l'existence d'un champ magnétique dans l'espace autour de l'aimant. Une idée de l'intensité et de la direction de ce champ magnétique peut être obtenue en versant de la limaille de fer sur une feuille de carton ou de verre posée sur un aimant. La sciure s'alignera en chaînes en direction du champ, et la densité des lignes de sciure correspondra à l'intensité de ce champ. (Ils sont plus épais aux extrémités de l'aimant, là où l'intensité du champ magnétique est la plus grande.) M. Faraday (1791-1867) a introduit le concept de lignes d'induction fermées pour les aimants. Les lignes d'induction s'étendent dans l'espace environnant depuis l'aimant au niveau de son pôle nord, pénètrent dans l'aimant au niveau de son pôle sud et passent à l'intérieur du matériau magnétique du pôle sud vers le nord, formant ainsi une boucle fermée. Le nombre total de lignes d’induction sortant d’un aimant est appelé flux magnétique. La densité de flux magnétique, ou induction magnétique (B), est égale au nombre de lignes d'induction traversant normalement une zone élémentaire de taille unitaire. L'induction magnétique détermine la force avec laquelle un champ magnétique agit sur un conducteur porteur de courant qui s'y trouve. Si le conducteur traversé par le courant I est situé perpendiculairement aux lignes d'induction, alors selon la loi d'Ampère, la force F agissant sur le conducteur est perpendiculaire à la fois au champ et au conducteur et est proportionnelle à l'induction magnétique, à l'intensité et à la longueur du courant. du conducteur. Ainsi, pour l’induction magnétique B on peut écrire l’expression
Où F est la force en newtons, I est le courant en ampères, l est la longueur en mètres. L'unité de mesure de l'induction magnétique est le tesla (T)
(voir aussi ÉLECTRICITÉ ET MAGNÉTISME).
Galvanomètre. Un galvanomètre est un instrument sensible pour mesurer les courants faibles. Un galvanomètre utilise le couple produit par l'interaction d'un aimant permanent en forme de fer à cheval avec une petite bobine conductrice de courant (un électroaimant faible) suspendue dans l'espace entre les pôles de l'aimant. Le couple, et donc la déflexion de la bobine, est proportionnel au courant et à l'induction magnétique totale dans l'entrefer, de sorte que l'échelle du dispositif est quasiment linéaire pour de faibles déflexions de la bobine. Force magnétisante et intensité du champ magnétique. Ensuite, nous devrions introduire une autre grandeur caractérisant l’effet magnétique du courant électrique. Supposons que le courant traverse le fil d’une longue bobine, à l’intérieur de laquelle se trouve un matériau magnétisable. La force magnétisante est le produit du courant électrique dans la bobine et du nombre de ses tours (cette force se mesure en ampères, puisque le nombre de tours est une quantité sans dimension). L’intensité du champ magnétique H est égale à la force magnétisante par unité de longueur de la bobine. Ainsi, la valeur de H se mesure en ampères par mètre ; il détermine l'aimantation acquise par le matériau à l'intérieur de la bobine. Dans le vide, l'induction magnétique B est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique H :
Où m0 est ce qu'on appelle constante magnétique ayant une valeur universelle de 4pХ10-7 H/m. Dans de nombreux matériaux, B est approximativement proportionnel à H. Cependant, dans les matériaux ferromagnétiques, la relation entre B et H est un peu plus complexe (comme indiqué ci-dessous). En figue. 1 montre un simple électro-aimant conçu pour saisir des charges. La source d'énergie est une batterie CC. La figure montre également les lignes de champ de l'électro-aimant, qui peuvent être détectées par la méthode habituelle de la limaille de fer.
Les gros électro-aimants avec des noyaux de fer et un très grand nombre d'ampères-tours, fonctionnant en mode continu, ont une force magnétisante importante. Ils créent une induction magnétique allant jusqu'à 6 Tesla dans l'espace entre les pôles ; cette induction n'est limitée que par les contraintes mécaniques, l'échauffement des bobines et la saturation magnétique du noyau. Un certain nombre d'électro-aimants géants refroidis à l'eau (sans noyau), ainsi que des installations permettant de créer des champs magnétiques pulsés, ont été conçus par P.L. Kapitsa (1894-1984) à Cambridge et à l'Institut des problèmes physiques de l'Académie des sciences et des sciences de l'URSS. F. Bitter (1902-1967) au Massachusetts Institute of Technology. Avec de tels aimants, il était possible d’obtenir une induction allant jusqu’à 50 Tesla. Un électro-aimant relativement petit qui produit des champs allant jusqu'à 6,2 Tesla, consomme 15 kW d'énergie électrique et est refroidi par de l'hydrogène liquide, a été développé au Laboratoire national de Losalamos. Des champs similaires sont obtenus à des températures cryogéniques.
Perméabilité magnétique et son rôle dans le magnétisme. La perméabilité magnétique m est une grandeur caractérisant les propriétés magnétiques d'un matériau. Les métaux ferromagnétiques Fe, Ni, Co et leurs alliages ont des perméabilités maximales très élevées - de 5 000 (pour Fe) à 800 000 (pour le supermalloy). Dans de tels matériaux, à des intensités de champ H relativement faibles, de grandes inductions B apparaissent, mais la relation entre ces quantités, d'une manière générale, est non linéaire en raison des phénomènes de saturation et d'hystérésis, qui sont discutés ci-dessous. Les matériaux ferromagnétiques sont fortement attirés par les aimants. Ils perdent leurs propriétés magnétiques à des températures supérieures au point de Curie (770°C pour Fe, 358°C pour Ni, 1120°C pour Co) et se comportent comme des para-aimants, pour lesquels l'induction B jusqu'à des valeurs de résistance H très élevées est proportionnellement à celui-ci - exactement de la même manière que ce qui se passe dans le vide. De nombreux éléments et composés sont paramagnétiques à toutes températures. Les substances paramagnétiques se caractérisent par le fait qu'elles se magnétisent dans un champ magnétique externe ; si ce champ est désactivé, les substances paramagnétiques reviennent à un état non magnétisé. La magnétisation dans les ferromagnétiques est maintenue même après la désactivation du champ externe. En figue. La figure 2 montre une boucle d'hystérésis typique pour un matériau ferromagnétique magnétiquement dur (avec des pertes importantes). Il caractérise la dépendance ambiguë de l'aimantation d'un matériau magnétiquement ordonné à l'intensité du champ magnétisant. Avec une augmentation de l'intensité du champ magnétique par rapport au point initial (zéro) (1), la magnétisation se produit le long de la ligne pointillée 1-2 et la valeur de m change de manière significative à mesure que la magnétisation de l'échantillon augmente. Au point 2, la saturation est atteinte, c'est-à-dire avec une nouvelle augmentation de la tension, la magnétisation n'augmente plus. Si l’on réduit maintenant progressivement la valeur de H à zéro, alors la courbe B(H) ne suit plus le chemin précédent, mais passe par le point 3, révélant, pour ainsi dire, une « mémoire » du matériel sur « l’histoire passée, » d’où le nom « hystérésis ». Il est évident que dans ce cas une certaine aimantation résiduelle est conservée (segment 1-3). Après avoir changé la direction du champ magnétisant dans la direction opposée, la courbe B (H) passe par le point 4 et le segment (1)-(4) correspond à la force coercitive qui empêche la démagnétisation. Une nouvelle augmentation des valeurs (-H) amène la courbe d'hystérésis au troisième quadrant - section 4-5. La diminution ultérieure de la valeur (-H) jusqu'à zéro puis une augmentation des valeurs positives de H conduiront à la fermeture de la boucle d'hystérésis par les points 6, 7 et 2.
Les matériaux magnétiques durs sont caractérisés par une large boucle d'hystérésis, couvrant une zone importante sur le diagramme et correspondant donc à de grandes valeurs d'aimantation rémanente (induction magnétique) et de force coercitive. Une boucle d'hystérésis étroite (Fig. 3) est caractéristique des matériaux magnétiques doux, tels que l'acier doux et les alliages spéciaux à haute perméabilité magnétique. De tels alliages ont été créés dans le but de réduire les pertes d'énergie causées par l'hystérésis. La plupart de ces alliages spéciaux, comme les ferrites, ont une résistance électrique élevée, ce qui réduit non seulement les pertes magnétiques, mais également les pertes électriques provoquées par les courants de Foucault.
Les matériaux magnétiques à haute perméabilité sont obtenus par recuit, réalisé par maintien à une température d'environ 1000°C, suivi d'un revenu (refroidissement progressif) jusqu'à température ambiante. Dans ce cas, le traitement mécanique et thermique préalable, ainsi que l'absence d'impuretés dans l'échantillon, sont très importants. Pour noyaux de transformateurs du début du 20e siècle. Des aciers au silicium ont été développés, dont la valeur augmentait avec l'augmentation de la teneur en silicium. Entre 1915 et 1920, les permalloys (alliages de Ni et Fe) sont apparus avec une boucle d'hystérésis caractéristique étroite et presque rectangulaire. Les alliages hypernik (50 % Ni, 50 % Fe) et mu-métal (75 % Ni, 18 % Fe, 5 % Cu, 2 % Cr) se distinguent par des valeurs particulièrement élevées de perméabilité magnétique m à de faibles valeurs de H, tandis que dans le perminvar (45 % Ni, 30 % Fe, 25 % Co), la valeur de m est pratiquement constante sur une large plage de changements d'intensité de champ. Parmi les matériaux magnétiques modernes, il convient de mentionner le supermalloy, un alliage doté de la perméabilité magnétique la plus élevée (il contient 79 % de Ni, 15 % de Fe et 5 % de Mo).
Théories du magnétisme. Pour la première fois, l'hypothèse selon laquelle les phénomènes magnétiques sont finalement réduits à des phénomènes électriques est née d'Ampère en 1825, lorsqu'il a exprimé l'idée de microcourants internes fermés circulant dans chaque atome d'un aimant. Cependant, sans aucune confirmation expérimentale de la présence de tels courants dans la matière (l'électron n'a été découvert par J. Thomson qu'en 1897, et la description de la structure de l'atome a été donnée par Rutherford et Bohr en 1913), cette théorie « s'est évanouie ». .» En 1852, W. Weber a suggéré que chaque atome d'une substance magnétique est un petit aimant, ou dipôle magnétique, de sorte que l'aimantation complète d'une substance est obtenue lorsque tous les aimants atomiques individuels sont alignés dans un certain ordre (Fig. 4, b) . Weber pensait que la « friction » moléculaire ou atomique aidait ces aimants élémentaires à maintenir leur ordre malgré l’influence perturbatrice des vibrations thermiques. Sa théorie était capable d'expliquer la magnétisation des corps au contact d'un aimant, ainsi que leur démagnétisation lors d'un impact ou d'un échauffement ; enfin, la « reproduction » des aimants lors de la découpe en morceaux d'une aiguille aimantée ou d'une tige magnétique a également été expliquée. Et pourtant cette théorie n’expliquait ni l’origine des aimants élémentaires eux-mêmes, ni les phénomènes de saturation et d’hystérésis. La théorie de Weber a été améliorée en 1890 par J. Ewing, qui a remplacé son hypothèse de frottement atomique par l'idée de forces de confinement interatomiques qui aident à maintenir l'ordre des dipôles élémentaires qui composent un aimant permanent.
L'approche du problème, autrefois proposée par Ampère, connut une seconde vie en 1905, lorsque P. Langevin expliqua le comportement des matériaux paramagnétiques en attribuant à chaque atome un courant électronique interne non compensé. Selon Langevin, ce sont ces courants qui forment de minuscules aimants qui s'orientent de manière aléatoire lorsqu'il n'y a pas de champ externe, mais acquièrent une orientation ordonnée lorsqu'il est appliqué. Dans ce cas, l'approche de l'ordre complet correspond à une saturation de l'aimantation. De plus, Langevin a introduit le concept de moment magnétique qui, pour un aimant atomique individuel, est égal au produit de la « charge magnétique » d'un pôle et de la distance entre les pôles. Ainsi, le faible magnétisme des matériaux paramagnétiques est dû au moment magnétique total créé par des courants électroniques non compensés. En 1907, P. Weiss a introduit le concept de « domaine », qui est devenu une contribution importante à la théorie moderne du magnétisme. Weiss a imaginé des domaines sous la forme de petites « colonies » d'atomes, au sein desquels les moments magnétiques de tous les atomes, pour une raison quelconque, sont forcés de maintenir la même orientation, de sorte que chaque domaine soit magnétisé jusqu'à saturation. Un domaine individuel peut avoir des dimensions linéaires de l'ordre de 0,01 mm et, par conséquent, un volume de l'ordre de 10 à 6 mm3. Les domaines sont séparés par des parois dites de Bloch, dont l'épaisseur ne dépasse pas 1000 tailles atomiques. Le « mur » et deux domaines orientés opposés sont représentés schématiquement sur la figure. 5. De telles parois représentent des « couches de transition » dans lesquelles la direction de la magnétisation du domaine change.
Dans le cas général, trois sections peuvent être distinguées sur la courbe d'aimantation initiale (Fig. 6). Dans la section initiale, la paroi, sous l'influence d'un champ extérieur, se déplace dans l'épaisseur de la substance jusqu'à rencontrer un défaut du réseau cristallin qui l'arrête. En augmentant l'intensité du champ, vous pouvez forcer le mur à se déplacer plus loin, à travers la section médiane entre les lignes pointillées. Si après cela l'intensité du champ est à nouveau réduite à zéro, les parois ne reviendront plus à leur position d'origine et l'échantillon restera donc partiellement magnétisé. Ceci explique l'hystérésis de l'aimant. Sur la dernière section de la courbe, le processus se termine par la saturation de l'aimantation de l'échantillon due à l'ordonnancement de l'aimantation à l'intérieur des derniers domaines désordonnés. Ce processus est presque complètement réversible. La dureté magnétique est présentée par les matériaux dont le réseau atomique contient de nombreux défauts qui entravent le mouvement des parois interdomaines. Ceci peut être réalisé par traitement mécanique et thermique, par exemple par compression et frittage ultérieur du matériau en poudre. Dans les alliages alnico et leurs analogues, le même résultat est obtenu en fusionnant les métaux dans une structure complexe.
Outre les matériaux paramagnétiques et ferromagnétiques, il existe des matériaux dotés de propriétés dites antiferromagnétiques et ferrimagnétiques. La différence entre ces types de magnétisme est expliquée sur la figure. 7. Basé sur le concept de domaines, le paramagnétisme peut être considéré comme un phénomène provoqué par la présence dans le matériau de petits groupes de dipôles magnétiques, dans lesquels les dipôles individuels interagissent très faiblement entre eux (ou n'interagissent pas du tout) et donc , en l'absence de champ extérieur, ne prenez que des orientations aléatoires ( Fig. 7, a). Dans les matériaux ferromagnétiques, dans chaque domaine, il existe une forte interaction entre les dipôles individuels, conduisant à leur alignement parallèle ordonné (Fig. 7b). Dans les matériaux antiferromagnétiques, au contraire, l'interaction entre les dipôles individuels conduit à leur alignement ordonné antiparallèle, de sorte que le moment magnétique total de chaque domaine est nul (Fig. 7c). Enfin, dans les matériaux ferrimagnétiques (par exemple les ferrites), il existe un ordre à la fois parallèle et antiparallèle (Fig. 7d), ce qui entraîne un faible magnétisme.
Il existe deux confirmations expérimentales convaincantes de l’existence de domaines. Le premier d’entre eux est ce qu’on appelle l’effet Barkhausen, le second est la méthode des figures en poudre. En 1919, G. Barkhausen a établi que lorsqu'un champ externe est appliqué à un échantillon de matériau ferromagnétique, son magnétisation change par petites portions discrètes. Du point de vue de la théorie des domaines, il ne s'agit que d'une avancée abrupte du mur interdomaine, rencontrant sur son chemin des défauts individuels qui la retardent. Cet effet est généralement détecté à l'aide d'une bobine dans laquelle est placé une tige ou un fil ferromagnétique. Si vous approchez et éloignez alternativement un aimant puissant de l’échantillon, l’échantillon sera magnétisé et remagnétisé. Des changements brusques dans la magnétisation de l'échantillon modifient le flux magnétique à travers la bobine et un courant d'induction y est excité. La tension générée dans la bobine est amplifiée et transmise à l'entrée d'un casque acoustique. Les clics entendus dans les écouteurs indiquent un changement brusque de magnétisation. Pour révéler la structure de domaine d'un aimant à l'aide de la méthode de la figure de poudre, une goutte d'une suspension colloïdale de poudre ferromagnétique (généralement Fe3O4) est appliquée sur une surface bien polie d'un matériau magnétisé. Les particules de poudre se déposent principalement dans les endroits d'inhomogénéité maximale du champ magnétique - aux limites des domaines. Cette structure peut être étudiée au microscope. Une méthode basée sur le passage de la lumière polarisée à travers un matériau ferromagnétique transparent a également été proposée. La théorie originale du magnétisme de Weiss dans ses principales caractéristiques a conservé son importance à ce jour, ayant cependant reçu une interprétation mise à jour basée sur l'idée de spins électroniques non compensés en tant que facteur déterminant le magnétisme atomique. L’hypothèse de l’existence d’une impulsion propre à l’électron a été avancée en 1926 par S. Goudsmit et J. Uhlenbeck, et ce sont actuellement les électrons en tant que porteurs de spin qui sont considérés comme des « aimants élémentaires ». Pour expliquer ce concept, considérons (Fig. 8) un atome libre de fer, un matériau ferromagnétique typique. Ses deux couches (K et L), les plus proches du noyau, sont remplies d'électrons, la première en contenant deux et la seconde en contenant huit. Dans la couche K, le spin de l’un des électrons est positif et l’autre est négatif. Dans la couche L (plus précisément dans ses deux sous-couches), quatre des huit électrons ont des spins positifs et les quatre autres ont des spins négatifs. Dans les deux cas, les spins des électrons au sein d’une couche sont complètement compensés, de sorte que le moment magnétique total est nul. Dans la couche M, la situation est différente, puisque sur les six électrons situés dans la troisième sous-couche, cinq électrons ont des spins dirigés dans un sens, et seulement le sixième dans l'autre. En conséquence, il reste quatre spins non compensés, qui déterminent les propriétés magnétiques de l'atome de fer. (Il n'y a que deux électrons de valence dans la couche externe N, qui ne contribuent pas au magnétisme de l'atome de fer.) Le magnétisme d'autres ferromagnétiques, comme le nickel et le cobalt, s'explique de la même manière. Étant donné que les atomes voisins dans un échantillon de fer interagissent fortement les uns avec les autres et que leurs électrons sont partiellement collectivisés, cette explication ne doit être considérée que comme un diagramme visuel mais très simplifié de la situation réelle.
La théorie du magnétisme atomique, basée sur la prise en compte du spin électronique, est étayée par deux expériences gyromagnétiques intéressantes, dont l'une a été réalisée par A. Einstein et W. de Haas, et l'autre par S. Barnett. Dans la première de ces expériences, un cylindre de matériau ferromagnétique était suspendu comme le montre la Fig. 9. Si le courant passe à travers le fil de bobinage, le cylindre tourne autour de son axe. Lorsque la direction du courant (et donc du champ magnétique) change, il tourne dans le sens opposé. Dans les deux cas, la rotation du cylindre est due à l’ordre des spins des électrons. Dans l'expérience de Barnett, au contraire, un cylindre suspendu, brusquement mis en rotation, devient magnétisé en l'absence de champ magnétique. Cet effet s'explique par le fait que lorsque l'aimant tourne, un moment gyroscopique est créé, qui tend à faire tourner les moments de spin dans la direction de son propre axe de rotation.
Pour une explication plus complète de la nature et de l’origine des forces à courte portée qui commandent les aimants atomiques voisins et contrecarrent l’influence désordonnée du mouvement thermique, il faut se tourner vers la mécanique quantique. Une explication mécanique quantique de la nature de ces forces a été proposée en 1928 par W. Heisenberg, qui postulait l'existence d'interactions d'échange entre atomes voisins. Plus tard, G. Bethe et J. Slater ont montré que les forces d'échange augmentent de manière significative avec la diminution de la distance entre les atomes, mais lorsqu'elles atteignent une certaine distance interatomique minimale, elles tombent à zéro.
PROPRIÉTÉS MAGNÉTIQUES DE LA SUBSTANCE
L'une des premières études approfondies et systématiques des propriétés magnétiques de la matière a été entreprise par P. Curie. Il a établi que, selon leurs propriétés magnétiques, toutes les substances peuvent être divisées en trois classes. La première catégorie comprend les substances aux propriétés magnétiques prononcées, similaires aux propriétés du fer. De telles substances sont appelées ferromagnétiques ; leur champ magnétique est perceptible à des distances considérables (voir ci-dessus). La deuxième classe comprend les substances dites paramagnétiques ; Leurs propriétés magnétiques sont généralement similaires à celles des matériaux ferromagnétiques, mais beaucoup plus faibles. Par exemple, la force d'attraction sur les pôles d'un puissant électro-aimant peut vous arracher un marteau de fer des mains, et pour détecter l'attraction d'une substance paramagnétique vers le même aimant, vous avez généralement besoin de balances analytiques très sensibles. La dernière et troisième classe comprend les substances dites diamagnétiques. Ils sont repoussés par un électro-aimant, c'est-à-dire la force agissant sur les matériaux diamagnétiques est dirigée à l'opposé de celle agissant sur les matériaux ferro et paramagnétiques.
Mesure des propriétés magnétiques. Lors de l’étude des propriétés magnétiques, deux types de mesures sont les plus importants. Le premier d’entre eux consiste à mesurer la force agissant sur un échantillon à proximité d’un aimant ; C'est ainsi que la magnétisation de l'échantillon est déterminée. La seconde comprend les mesures des fréquences « de résonance » associées à l’aimantation de la matière. Les atomes sont de minuscules « gyroscopes » et dans un champ magnétique en précession (comme un sommet ordinaire sous l'influence du couple créé par la gravité) à une fréquence qui peut être mesurée. De plus, une force agit sur les particules chargées libres se déplaçant perpendiculairement aux lignes d’induction magnétique, tout comme le courant électronique dans un conducteur. Cela provoque le déplacement de la particule sur une orbite circulaire dont le rayon est donné par R = mv/eB, où m est la masse de la particule, v est sa vitesse, e est sa charge et B est l'induction magnétique de le champ. La fréquence d'un tel mouvement circulaire est
où f est mesuré en hertz, e - en coulombs, m - en kilogrammes, B - en teslas. Cette fréquence caractérise le mouvement des particules chargées dans une substance située dans un champ magnétique. Les deux types de mouvements (précession et mouvement le long d’orbites circulaires) peuvent être excités par des champs alternés avec des fréquences de résonance égales aux fréquences « naturelles » caractéristiques d’un matériau donné. Dans le premier cas, la résonance est appelée magnétique et dans le second, cyclotron (en raison de sa similitude avec le mouvement cyclique d'une particule subatomique dans un cyclotron). En parlant des propriétés magnétiques des atomes, il faut accorder une attention particulière à leur moment cinétique. Le champ magnétique agit sur le dipôle atomique en rotation, tendant à le faire tourner et à le placer parallèlement au champ. Au lieu de cela, l'atome commence à précéder autour de la direction du champ (Fig. 10) avec une fréquence dépendant du moment dipolaire et de l'intensité du champ appliqué.
La précession atomique n'est pas directement observable car tous les atomes d'un échantillon précession à une phase différente. Si nous appliquons un petit champ alternatif dirigé perpendiculairement au champ d'ordre constant, alors une certaine relation de phase s'établit entre les atomes en précession et leur moment magnétique total commence à précéder avec une fréquence égale à la fréquence de précession des moments magnétiques individuels. La vitesse angulaire de précession est importante. En règle générale, cette valeur est de l'ordre de 1010 Hz/T pour l'aimantation associée aux électrons, et de l'ordre de 107 Hz/T pour l'aimantation associée aux charges positives dans les noyaux des atomes. Un diagramme schématique d'une configuration pour l'observation de la résonance magnétique nucléaire (RMN) est présenté sur la Fig. 11. La substance étudiée est introduite dans un champ constant uniforme entre les pôles. Si un champ radiofréquence est ensuite excité à l’aide d’une petite bobine entourant le tube à essai, une résonance peut être obtenue à une fréquence spécifique égale à la fréquence de précession de tous les « gyroscopes » nucléaires de l’échantillon. Les mesures sont similaires au réglage d'un récepteur radio sur la fréquence d'une station spécifique.
Les méthodes de résonance magnétique permettent d'étudier non seulement les propriétés magnétiques d'atomes et de noyaux spécifiques, mais également les propriétés de leur environnement. Le fait est que les champs magnétiques dans les solides et les molécules sont inhomogènes, car ils sont déformés par les charges atomiques, et les détails de la courbe de résonance expérimentale sont déterminés par le champ local dans la région où se trouve le noyau en précession. Cela permet d'étudier les caractéristiques structurelles d'un échantillon particulier à l'aide de méthodes de résonance.
Calcul des propriétés magnétiques. L'induction magnétique du champ terrestre est de 0,5 * 10 -4 Tesla, tandis que le champ entre les pôles d'un électroaimant puissant est d'environ 2 Tesla ou plus. Le champ magnétique créé par n'importe quelle configuration de courants peut être calculé à l'aide de la formule de Biot-Savart-Laplace pour l'induction magnétique du champ créé par un élément de courant. Le calcul du champ créé par des circuits de formes différentes et des bobines cylindriques est dans de nombreux cas très complexe. Vous trouverez ci-dessous des formules pour un certain nombre de cas simples. L'induction magnétique (en tesla) du champ créé par un long fil droit avec un courant I (ampères), à une distance r (mètres) du fil est
L'induction au centre d'une bobine circulaire de rayon R avec un courant I est égale (dans les mêmes unités) :
Une bobine de fil étroitement enroulée sans noyau de fer est appelée solénoïde. L'induction magnétique créée par un solénoïde long de nombre de tours N en un point suffisamment éloigné de ses extrémités est égale à
Ici, la valeur NI/L est le nombre d’ampères (ampères-tours) par unité de longueur du solénoïde. Dans tous les cas, le champ magnétique du courant est dirigé perpendiculairement à ce courant, et la force agissant sur le courant dans le champ magnétique est perpendiculaire à la fois au courant et au champ magnétique. Le champ d'une tige de fer magnétisée est similaire au champ externe d'un long solénoïde, le nombre d'ampères-tours par unité de longueur correspondant au courant dans les atomes à la surface de la tige magnétisée, puisque les courants à l'intérieur de la tige s'annulent. les uns les autres (Fig. 12). Du nom d'Ampère, un tel courant de surface est appelé Ampère. L'intensité du champ magnétique Ha créé par le courant Ampère est égale au moment magnétique d'une unité de volume de la tige M.
Si une tige de fer est insérée dans le solénoïde, outre le fait que le courant du solénoïde crée un champ magnétique H, l'ordre des dipôles atomiques dans le matériau magnétisé de la tige crée une magnétisation M. Dans ce cas, le flux magnétique total est déterminé par la somme des courants réel et ampère, de sorte que B = m0(H + Ha), ou B = m0(H + M). Le rapport M/H est appelé susceptibilité magnétique et est désigné par la lettre grecque c ; c est une grandeur sans dimension caractérisant la capacité d'un matériau à être magnétisé dans un champ magnétique.
La valeur B/H caractérisant les propriétés magnétiques
Le matériau est appelé perméabilité magnétique et est noté ma, avec ma = m0m, où ma est absolue et m est la perméabilité relative, m = 1 + c. Dans les substances ferromagnétiques, la valeur de c peut avoir des valeurs très élevées - jusqu'à 10 4-10 6. La valeur de c pour les matériaux paramagnétiques est légèrement supérieure à zéro et pour les matériaux diamagnétiques, elle est légèrement inférieure. Ce n'est que dans le vide et dans des champs très faibles que les quantités c et m sont constantes et indépendantes du champ extérieur. La dépendance de l'induction B sur H est généralement non linéaire, et ses graphiques sont ce qu'on appelle. les courbes de magnétisation pour différents matériaux et même à différentes températures peuvent différer considérablement (des exemples de telles courbes sont présentés sur les figures 2 et 3). Les propriétés magnétiques de la matière sont très complexes et leur compréhension approfondie nécessite une analyse minutieuse de la structure des atomes, de leurs interactions dans les molécules, de leurs collisions dans les gaz et de leur influence mutuelle dans les solides et les liquides ; Les propriétés magnétiques des liquides sont encore les moins étudiées. - des champs d'intensité H? 0,5 = 1,0 ME (la frontière est arbitraire). La valeur inférieure de S. m.p. correspond au maximum. la valeur du champ stationnaire = 500 kOe, l'essaim peut être accessible aux moyens modernes. technologie, champ supérieur 1 ME, même pour une courte période. impact sur... ... Encyclopédie physique
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Toute substance placée dans un champ magnétique affecte la valeur de l'induction magnétique de ce champ. Par exemple, lorsqu'un noyau de fer est introduit dans une bobine (solénoïde) avec du courant, l'induction du champ magnétique du solénoïde augmente considérablement et le noyau lui-même acquiert la propriété d'attirer de petits objets en fer, c'est-à-dire qu'il devient magnétisé. Ce phénomène a été découvert pour la première fois par Ampère.
Par la suite, il a été découvert que l'induction d'un champ magnétique dans une substance peut être à la fois supérieure et inférieure à l'induction du même champ dans le vide. Cela se produit parce que chaque substance possède plus ou moins des propriétés magnétiques. Les substances capables de modifier les paramètres d'un champ magnétique sont généralement appelées aimants.
Pour caractériser les propriétés magnétiques d'une substance, une grandeur appelée perméabilité magnétique de cette substance a été introduite.
La perméabilité magnétique d'une substance est une grandeur physique qui montre combien de fois l'induction du champ magnétique en un point donné dans un milieu isotrope homogène diffère en ampleur de l'induction du champ magnétique en ce même point dans le vide : .
Les substances qui ont , sont appelées diamagnétiques. Il s'agit par exemple des éléments , , , , , , , des gaz inertes et d'autres substances.
Les substances avec sont appelées paramagnétiques. Il s'agit notamment de l'oxygène et de nombreux autres éléments, ainsi que des solutions de certains sels.
Il convient de noter que la valeur des substances dia- et paramagnétiques diffère très peu de l'unité, seulement d'une quantité de l'ordre de , donc les substances dia- et paramagnétiques appartiennent aux substances faiblement magnétiques.
Les substances avec sont appelées ferromagnétiques. Ceux-ci incluent les éléments , , , et de nombreux alliages. (À très basse température, les éléments , et , présentent des propriétés ferromagnétiques.)
Les valeurs de certains alliages atteignent des dizaines de milliers. Les ferromagnétiques sont donc classés parmi les substances hautement magnétiques.
· 
Le moment magnétique est une grandeur vectorielle qui caractérise les propriétés magnétiques des corps et des particules de matière. Toutes les particules élémentaires et les systèmes formés à partir d'elles (noyaux atomiques, atomes, molécules) ont un moment magnétique. Chaque électron se déplaçant dans un atome autour du noyau sur une orbite fermée représente un courant électronique circulant dans la direction opposée au mouvement de l’électron. Le moment magnétique du courant électronique est appelé moment magnétique orbital de l’électron. De plus, un électron, quelle que soit sa présence dans tout système de particules (atome, molécule, cristal), possède son propre moment cinétique mécanique, appelé spin. L'idée élémentaire de spin est associée à la rotation d'un électron autour de son propre axe.
Si un système d'électrons (atome, cristal) possède un nombre pair d'électrons, alors les spins de chaque paire d'électrons, dirigés dans des directions opposées, donnent un spin total égal à zéro. Un tel système est appelé à compensation de spin. Pour un nombre impair d’électrons, le système a un spin non compensé différent de zéro.
La présence de spin dans l’électron et dans certaines autres particules élémentaires explique de nombreux modèles importants de la physique moderne. Par exemple, le spin d’un électron explique les propriétés magnétiques des ferromagnétiques.
La somme vectorielle de tous les moments orbitaux et de spin des électrons à l’intérieur d’une molécule ou d’un atome est le moment magnétique de la particule.
Le para- et le diamagnétisme s'expliquent par le comportement des orbites électroniques dans le champ magnétique externe
Ferromagnétisme
La nature du ferromagnétisme ne peut être pleinement comprise que sur la base de concepts quantiques. Qualitativement, le ferromagnétisme s’explique par la présence des champs magnétiques (de spin) propres aux électrons. Dans les cristaux de matériaux ferromagnétiques, il existe des conditions dans lesquelles, en raison de la forte interaction des champs magnétiques de spin des électrons voisins, leur orientation parallèle devient énergétiquement favorable. À la suite d’une telle interaction, des régions spontanément magnétisées d’une taille de l’ordre de grandeur apparaissent à l’intérieur du cristal ferromagnétique. Ces zones sont appelées domaines. Chaque domaine est un petit aimant permanent.
Moments magnétiques de l'électron, de l'atome et de la molécule.
Moment magnétique - une grandeur vectorielle caractérisant les propriétés magnétiques des corps et des particules de substances.
Taille Р М = I × S- est appelé le moment magnétique d'un circuit porteur de courant, où je- l'intensité du courant circulant dans le circuit, S- zone couverte par le contour. Pour un circuit plat avec vecteur courant RM dirigé perpendiculairement au plan S circuit et est lié à la direction du courant je règle de vis droite (figure).
L'unité du moment magnétique est l'ampère par mètre carré (A×m2) en SI.
Le moment magnétique est une caractéristique non seulement d'un circuit avec courant, mais aussi de nombreuses particules élémentaires (protons, neutrons, électrons, etc.), noyaux, atomes et molécules, déterminant leur comportement dans un champ magnétique.
Magnéton- une unité de moment magnétique utilisée en physique atomique et nucléaire. Lors de la mesure des moments magnétiques des électrons, des atomes et des molécules, le magnéton de Bohr est utilisé :
9,27 × 10 -24 A × m 2 (J/T),
Où " e" - charge électronique, h- la constante de Planck, moi- la masse des électrons.
Lors de la mesure des moments magnétiques des nucléons (protons et neutrons) et des noyaux atomiques, un magnéton nucléaire est utilisé :
5,05× 10 -27 A×m 2 (J/T),
Où m p- la masse du proton.
Les moments magnétiques des atomes et des molécules sont causés par le mouvement spatial des électrons (les courants dits orbitaux et les moments magnétiques orbitaux correspondants des électrons), les moments magnétiques de force des électrons correspondant à leur propre moment cinétique, le mouvement de rotation des molécules. (moment magnétique de rotation), ainsi que les moments magnétiques des noyaux atomiques. Le moment magnétique du noyau est déterminé par les moments de spin du proton et du neutron, ainsi que par le moment orbital du proton à l'intérieur du noyau. Tous les noyaux pour lesquels le moment mécanique résultant est non nul ont un moment magnétique. Les moments magnétiques des noyaux sont plusieurs ordres de grandeur inférieurs aux moments magnétiques orbitaux et de spin de l'électron.
Le moment magnétique d'un corps est égal à la somme vectorielle des moments magnétiques de toutes les particules formant le corps. Le moment magnétique d'une substance est généralement exprimé par unité de volume (SI - ; magnétisation).
Où j- la magnétisation.
Propriétés magnétiques de la matière.
Toutes les substances placées dans un champ magnétique acquièrent des propriétés magnétiques, c'est-à-dire qu'elles deviennent magnétisées et modifient donc dans une certaine mesure le champ externe (initial). Aimants nommer toutes les substances en considérant leurs propriétés magnétiques. Il s'avère que certaines substances affaiblissent le champ extérieur, tandis que d'autres le renforcent ; les premiers sont appelés diamagnétiques, les seconds - substances paramagnétiques ou, en bref, diamagnétiques et paramagnétiques. Ferromagnétiques sont appelées substances qui provoquent une force de champ externe très élevée (fer cristallin, nickel, cobalt, gadolinium et dysyrosium, ainsi que certains alliages et oxydes de ces métaux et certains alliages de manganèse et de chrome).
La grande majorité des substances sont diamagnétiques. Diamagnets sont des éléments tels que le phosphore, le soufre, l'antimoine, le carbone, de nombreux métaux (bismuth, mercure, or, argent, cuivre, etc.), la plupart des composés chimiques (eau, presque tous les composés organiques). Les matériaux paramagnétiques comprennent certains gaz (oxygène, azote) et métaux (aluminium, tungstène, platine, métaux alcalins et alcalino-terreux).
Pour les substances diamagnétiques, le moment magnétique total d'un atome (molécule) est égal à zéro, puisque les moments magnétiques orbitaux, de spin et nucléaires présents dans l'atome se compensent mutuellement. Cependant, sous l’influence d’un champ magnétique externe, ces atomes développent (induisent) un moment magnétique, toujours dirigé à l’opposé du champ externe. De ce fait, le milieu diamagnétique s'aimante et crée son propre champ magnétique, dirigé à l'opposé du champ extérieur et donc l'affaiblissant (figure).
Les moments magnétiques induits des atomes diamagnétiques sont maintenus tant que le champ externe existe. Lorsque le champ externe est éliminé, les moments magnétiques induits des atomes disparaissent et le matériau diamagnétique devient magnétisé.
Dans un atome (molécule) de substances paramagnétiques, les moments magnétiques orbitaux, de spin et nucléaires ne se compensent pas. Par conséquent, les atomes paramagnétiques ont toujours un moment magnétique, étant pour ainsi dire des aimants élémentaires. Cependant, les moments magnétiques atomiques sont disposés de manière aléatoire et le milieu paramagnétique dans son ensemble ne présente pas de propriétés magnétiques. Un champ magnétique externe fait tourner les atomes paramagnétiques de sorte que leurs moments magnétiques s'établissent principalement dans la direction du champ ; une orientation complète est empêchée par le mouvement thermique des atomes. En conséquence, le para-aimant devient magnétisé et crée son propre champ magnétique, dont la direction coïncide toujours avec le champ extérieur et l'amplifie donc (figure).
Lorsque le champ externe est éliminé, le mouvement thermique détruit immédiatement l’orientation des moments magnétiques atomiques et le para-aimant est démagnétisé.
Les ferromagnétiques comportent de nombreuses régions relativement grandes, spontanément magnétisées jusqu'à saturation, appelées domaines. Les dimensions linéaires du domaine sont de l'ordre de 10 -2 cm. Le domaine rassemble plusieurs milliards d'atomes ; dans un domaine, les moments magnétiques de tous les atomes sont orientés de la même manière (les moments magnétiques de spin des électrons de tous les atomes sont plus précis). Cependant, l'orientation des domaines eux-mêmes est variée. Par conséquent, en l’absence de champ magnétique externe, le ferromagnétique dans son ensemble s’avère non magnétisé.
Avec l'apparition d'un champ externe, les domaines orientés avec leur moment magnétique dans la direction de ce champ commencent à augmenter de volume du fait des domaines voisins ayant des orientations différentes du moment magnétique ; le ferromagnétique est magnétisé. Avec un champ suffisamment fort, tous les domaines tournent entièrement dans le sens du champ et le ferromagnétique devient rapidement magnétisé jusqu'à saturation.
Lorsque le champ externe est éliminé, les ferromagnétiques ne se démagnétisent pas complètement, mais conservent une induction magnétique résiduelle, car le mouvement thermique n'est pas capable de désorienter rapidement des ensembles d'atomes aussi importants que les domaines.
Les tissus corporels sont en grande partie diamagnétiques, comme l'eau. Cependant, le corps contient également des substances, des molécules et des ions paramagnétiques. Il n'y a pas de particules ferromagnétiques dans le corps.
Les principaux processus physiques ou physico-chimiques sous l'action d'un champ magnétique sur les systèmes biologiques peuvent être : l'orientation des molécules, les changements de concentration de molécules ou d'ions dans un champ magnétique non uniforme, l'action de force (force de Lorentz) sur les ions se déplaçant avec un fluide biologique, l'effet Hall qui se produit dans un champ magnétique lors de la propagation d'une impulsion d'excitation électrique, etc.
Effet Hall - apparition dans un conducteur placé dans un champ magnétique d'un champ électrique (champ Hall) dirigé perpendiculairement N Et j(la densité actuelle).
À l'heure actuelle, la nature physique de l'effet d'un champ magnétique sur les objets biologiques n'a pas encore été établie.
Magnétothérapie- une méthode de physiothérapie basée sur l'effet sur le corps d'un champ magnétique alternatif ou constant à basse fréquence.
Les champs magnétiques dans la direction des lignes de champ peuvent être constants ou variables et générés en modes continus ou intermittents (impulsions) avec différentes fréquences, formes et durées d'impulsions. Le champ magnétique qui apparaît entre les pôles nord et sud d’un aimant peut être uniforme ou inhomogène.
PROPRIÉTÉS MAGNÉTIQUES DES SUBSTANCES
Le magnétisme est une propriété fondamentale de la matière. La capacité des aimants permanents à attirer les objets en fer est connue depuis l’Antiquité. Depuis de nombreux siècles, parmi les marins, il existe une légende à propos d'une roche magnétique, censée être capable d'attirer les clous de fer d'un navire qui s'approche trop près et de le détruire. Heureusement, un champ magnétique aussi puissant ne peut exister qu’à proximité des étoiles à neutrons. Le développement de l'électromagnétisme a permis de créer des électroaimants plus puissants que les électroaimants permanents existant dans la nature. En général, divers instruments et dispositifs basés sur l'utilisation de phénomènes électromagnétiques sont si répandus qu'il est désormais impossible d'imaginer la vie sans eux.
Cependant, non seulement les aimants permanents interagissent avec le champ magnétique, mais également toutes les autres substances. Le champ magnétique, en interaction avec la matière, change de valeur par rapport au vide (ci-après toutes les formules sont écrites dans le système SI) :
où m0 est la constante magnétique égale à 4p "10-7 H/m, m est la perméabilité magnétique de la substance, B est l'induction magnétique (en T), H est l'intensité du champ magnétique (en A/m). Pour dans la plupart des substances, m est très proche de l'unité, donc en magnétochimie, où l'objet principal est une molécule, il est plus pratique d'utiliser la valeur c déterminée par l'équation, appelée susceptibilité magnétique. c peut être attribué à une unité de volume, masse ou quantité d'une substance, on l'appelle alors respectivement cv volumétrique (sans dimension), cd spécifique (en cm3/g) ou cm molaire (en cm3/mol) susceptibilité magnétique. Il est clair que, suivant la formule ( 2), c du vide est égal à zéro. Les substances peuvent être divisées en deux catégories : celles qui affaiblissent le champ magnétique (c 0), - les para-aimants (Fig. 1). On peut imaginer que dans un champ magnétique non uniforme, une force agit sur un matériau diamagnétique, le poussant hors du champ, et sur le paramagnétique, au contraire, le tirant vers l'intérieur. Les méthodes décrites ci-dessous pour mesurer les propriétés magnétiques des substances sont basées sur cela. Les diamagnets (et il s'agit de la grande majorité des composés organiques et de haut poids moléculaire) et principalement les paramagnétiques sont des objets d'étude de la magnétochimie.
Le diamagnétisme est la propriété la plus importante de la matière, car sous l'influence d'un champ magnétique, les électrons dans des couches électroniques remplies (que l'on peut considérer comme de petits conducteurs) commencent à précéder et, comme on le sait, tout mouvement de une charge électrique provoque un champ magnétique qui, selon la règle de Lenz, sera dirigé ainsi pour réduire l'impact du champ externe. Dans ce cas, la précession électronique peut être considérée comme des courants circulaires. Le diamagnétisme est caractéristique de toutes les substances, à l'exception de l'hydrogène atomique, car toutes les substances ont des électrons appariés et des couches électroniques remplies.
Le paramagnétisme est causé par des électrons non appariés, appelés ainsi parce que leur propre moment magnétique (spin) n'est en aucun cas équilibré (en conséquence, les spins des électrons appariés sont dirigés dans des directions opposées et s'annulent). Dans un champ magnétique, les spins ont tendance à s’aligner dans la direction du champ, ce qui le renforce, bien que cet ordre soit perturbé par un mouvement thermique chaotique. Par conséquent, il est clair que la susceptibilité paramagnétique dépend de la température : plus la température est basse, plus la valeur cm est élevée. Dans le cas le plus simple, cela s'exprime par une relation appelée loi de Curie : où C est la constante de Curie, ou loi de Curie-Weiss, où q est la correction de Weiss. Ce type de susceptibilité magnétique est également appelé paramagnétisme orientationnel, car sa cause est l'orientation de moments magnétiques élémentaires dans un champ magnétique externe.
Les propriétés magnétiques des électrons d’un atome peuvent être décrites de deux manières. Dans la première méthode, on pense que le moment magnétique (spin) de l’électron n’affecte pas le moment orbital (dû au mouvement des électrons autour du noyau) ou vice versa. Plus précisément, une telle influence mutuelle existe toujours (interaction spin-orbite), mais pour les ions 3D, elle est faible et les propriétés magnétiques peuvent être décrites avec suffisamment de précision par deux nombres quantiques L (orbital) et S (spin). Pour les atomes plus lourds, une telle approximation devient inacceptable et un autre nombre quantique du moment magnétique total J est introduit, qui peut prendre les valeurs de | L+S | avant | L-S | . Van Vleck a considéré les contributions énergétiques des orbitales en fonction de l'influence du champ magnétique (selon la théorie des perturbations de la mécanique quantique, elles peuvent être développées en série et additionnées) : où H est l'intensité du champ magnétique et, par conséquent, E (0) est la contribution indépendante du champ extérieur, E (1 ) - contribution directement proportionnelle au champ, etc. Il s'est avéré que l'énergie d'ordre zéro est déterminée par l'interaction spin-orbite, ce qui est important dans la description des liaisons chimiques :
où l est la constante d'interaction spin-orbite. L'énergie du premier ordre (interaction du moment magnétique d'un électron non apparié (m = gbS) avec le champ magnétique H) est égale à
où g est le facteur de Lande, généralement égal à deux pour la plupart des composés, b est le magnéton de Bohr, égal à 9,27 "10-19 erg/Oe (rappelons que l'énergie des interactions magnétiques est le produit scalaire des vecteurs de moment magnétique m et H) E ( 2) - une contribution énergétique qu'il faudra prendre avec foi, car elle dépend des caractéristiques subtiles de la structure électronique et est difficile à expliquer du point de vue de la physique classique. la petitesse de l'énergie d'interaction magnétique (pour les températures ambiantes et les champs magnétiques courants en laboratoire, l'énergie des interactions magnétiques est inférieure de trois à quatre ordres de grandeur à l'énergie du mouvement thermique des molécules).
Après transformations mathématiques, l'expression de la susceptibilité magnétique macroscopique, prenant en compte la distribution de Boltzmann de l'ensemble des moments magnétiques sur les niveaux d'énergie, prend la forme (sa dérivation est présentée, par exemple, dans)
Il s'agit de l'équation de Van Vleck, la principale en magnétochimie, reliant les propriétés magnétiques à la structure des molécules. Ici NA est le nombre d'Avogadro, k est la constante de Boltzmann. Nous en avons déjà rencontré quelques cas extrêmes ci-dessus. Si = 0, et peut être négligé, alors on obtient comme résultat la loi de Curie (cf. équation (3)), mais sous une forme plus stricte.
On peut voir que la loi de Curie reflète ce que l'on appelle le magnétisme de spin pur, caractéristique de la plupart des composés paramagnétiques, par exemple les sels de cuivre, de fer, de nickel et d'autres métaux de transition. Si = 0 et @ kT, alors l'équation de Van Vleck est considérablement simplifiée : où Na est le paramagnétisme indépendant de la température (van Vleck). Comme le montre ce qui précède, le paramagnétisme de Van Vleck est un phénomène purement quantique et inexplicable du point de vue de la physique classique. Cela peut être considéré comme le mélange de niveaux d’énergie excités dans l’état fondamental de la molécule.
Il existe de nombreuses substances qui, lorsque la température diminue, se comportent d'abord comme des para-aimants, puis, lorsqu'elles atteignent une certaine température, modifient brusquement leurs propriétés magnétiques. L'exemple le plus célèbre est celui des ferromagnétiques et de la substance dont ils tirent leur nom - le fer, dont les moments magnétiques atomiques inférieurs à la température de Curie (dans ce cas égal à TC = 770 ? C) s'alignent dans une direction, provoquant une magnétisation spontanée. Cependant, l'aimantation macroscopique ne se produit pas en l'absence de champ, puisque l'échantillon est spontanément divisé en régions d'environ 1 µm, appelées domaines, à l'intérieur desquelles les moments magnétiques élémentaires sont dirigés de la même manière, mais les magnétisations de différentes les domaines sont orientés de manière aléatoire et, en moyenne, se compensent. Les forces provoquant la transition ferromagnétique ne peuvent être expliquées qu’en utilisant les lois de la mécanique quantique.
Les antiferromagnétiques se caractérisent par le fait que les moments magnétiques de spin à la température de transition antiferromagnétique (température de Néel TN) sont ordonnés de telle manière qu'ils s'annulent. La valeur maximale de susceptibilité magnétique est atteinte à TN, au-dessus de laquelle c diminue selon la loi de Curie-Weiss, en dessous - en raison des interactions dites d'échange. Les antiferromagnétiques sont, par exemple, MnO et KNiF3.
Si la compensation des moments magnétiques est incomplète, ces substances sont appelées ferrimagnétiques, par exemple Fe2O3 et FeCr2O4. Les trois dernières classes de composés (tableau 1) sont des solides et sont étudiées principalement par les physiciens. Au cours des dernières décennies, les physiciens et les chimistes ont créé de nouveaux matériaux magnétiques dont les propriétés sont décrites plus en détail dans.
Dans une molécule contenant un électron non apparié, les électrons restants (appariés) affaiblissent le champ magnétique, mais la contribution de chacun d'eux est inférieure de deux à trois ordres de grandeur. Cependant, si l'on veut mesurer très précisément les propriétés magnétiques des électrons non appariés, il faut introduire des corrections dites diamagnétiques, notamment pour les grosses molécules organiques, où elles peuvent atteindre des dizaines de pour cent. Les susceptibilités diamagnétiques des atomes d’une molécule s’additionnent selon la règle d’additivité de Pascal-Langevin. Pour ce faire, la susceptibilité diamagnétique des atomes de chaque type est multipliée par le nombre de ces atomes dans la molécule, puis des corrections constitutives sont introduites pour les caractéristiques structurelles (liaisons doubles et triples, cycles aromatiques, etc.). Passons maintenant à la manière dont les propriétés magnétiques des substances sont étudiées expérimentalement.
MESURE EXPÉRIMENTALE DE LA SUSPITIVITÉ MAGNÉTIQUE
Les principales méthodes expérimentales permettant de déterminer la susceptibilité magnétique ont été créées au siècle dernier. Selon la méthode de Gouy (Fig. 2, a), la variation du poids de l'échantillon dans un champ magnétique est mesurée par rapport à son absence, qui est égale à où Dmg = F est la force agissant sur la substance dans le champ magnétique gradient de champ, c est la susceptibilité magnétique mesurée de la substance, c0 - susceptibilité magnétique du milieu (air), S - section transversale de l'échantillon, Hmax et Hmin - force maximale et minimale du champ magnétique externe.
La méthode Faraday (Fig. 2, b) mesure la force agissant sur un échantillon dans un champ magnétique non uniforme :
L'échantillon est choisi petit pour que H0dH/dz reste constant dans ses limites, et la valeur maximale du paramètre est obtenue en choisissant un profil spécial des pointes de l'aimant. La principale différence entre la méthode de Gouy et celle de Faraday est que dans le premier cas, l'inhomogénéité est maintenue le long d'un motif (étendu), et dans le second, le long du champ magnétique.
La méthode Quincke (Fig. 2, c) est utilisée uniquement pour les liquides et les solutions. Il mesure la variation de la hauteur d'une colonne de liquide dans un capillaire sous l'influence d'un champ magnétique.
Dans ce cas, pour les liquides diamagnétiques, la hauteur de la colonne diminue, pour les liquides paramagnétiques, elle augmente.
La méthode du viscosimètre mesure le temps d'écoulement du liquide à travers un petit trou avec le champ magnétique activé (tH) et désactivé (t0). Le temps d'écoulement des liquides paramagnétiques dans un champ magnétique est sensiblement plus court qu'en l'absence de champ ; pour les liquides diamagnétiques, c'est l'inverse. La différence entre les deux temps d'écoulement est déterminée par la susceptibilité magnétique, et la valeur de la constante d'étalonnage k est déterminée en mesurant un liquide dont la susceptibilité magnétique est connue. Les susceptibilités magnétiques volumétriques de certains solvants courants sont indiquées ci-dessous.
La susceptibilité magnétique peut également être mesurée à l'aide d'un spectromètre RMN. Vous pouvez en savoir plus sur les fondements physiques de la méthode RMN dans. Nous nous limiterons à noter : l'ampleur du déplacement chimique du signal RMN dans le cas général est déterminée non seulement par la constante d'écran, qui est une mesure de la densité électronique sur le noyau étudié, mais également par la force magnétique. sensibilité de l'échantillon. Pour un échantillon de forme cuboïde, le déplacement chimique est également déterminé par l'orientation de l'échantillon dans le champ magnétique, où les constantes d'étalonnage A et B sont déterminées en mesurant deux liquides de susceptibilité magnétique connue (le plus souvent de l'eau et de l'acétone). Cette méthode a été développée au Département de chimie inorganique de l'Université de Kazan et est la seule qui permet d'étalonner l'appareil à l'aide d'étalons diamagnétiques, puis d'effectuer des mesures également avec des échantillons paramagnétiques. La susceptibilité magnétique de nombreuses substances a ainsi été mesurée. Que nous ont-ils permis d’apprendre sur leur structure ?
La valeur résultante de la susceptibilité magnétique pour les matériaux paramagnétiques est déterminée par le nombre d'électrons non appariés (cf. (9) pour un électron non apparié)
De cette manière, il est possible de déterminer le nombre quantique de spin S, et donc le nombre d’électrons non appariés. Il convient de noter que dans les composés réels, le facteur g varie légèrement de la valeur du « spin pur », qui est égale à deux, comme indiqué ci-dessus.
Les valeurs de cm pour les substances paramagnétiques sont faibles et ne sont pas très pratiques pour expliquer la structure des composés. Par conséquent, la susceptibilité paramagnétique est plus souvent caractérisée par le moment magnétique effectif meff, qui est déterminé par l’équation.
Puis à une température de 298 K, la valeur du « spin pur » pour un électron non apparié ms = 1,73 magnétons de Bohr (mB), pour deux - 3,46 mB, etc. (Tableau 2). La contribution d'autres facteurs, principalement l'interaction spin-orbite, se reflète dans la valeur du facteur g et conduit au fait que meff diffère de ms.
Connaître le nombre d'électrons non appariés aide à comprendre certaines des caractéristiques du placement des éléments dans le tableau périodique D.I. Mendeleïev. Ainsi, les coques électroniques entièrement ou exactement à moitié remplies ont une stabilité accrue. Avec l’augmentation de la masse atomique relative, nous rencontrons ce phénomène pour la première fois dans le chrome. Comparons les configurations électroniques à l'état fondamental : Sc 3d 14s 2, Ti 3d 24s 2, V 3d 34s 2, le chrome suivant n'est pas 3d 44s 2, mais 3d 54s 1, la coque à moitié remplie plus stable est soulignée :
Et cela a été établi précisément par des mesures de susceptibilité magnétique, lorsqu'il a été découvert que l'atome de chrome contient six électrons non appariés, et non quatre. Certes, pour cela, il était nécessaire d'effectuer des mesures assez subtiles sur des atomes isolés en phase gazeuse, car les propriétés magnétiques des conducteurs ne sont pas liées au nombre d'électrons non appariés (car les électrons de valence dans les métaux ne sont pas attachés à des atomes spécifiques, mais se déplacent de manière chaotique dans tout le cristal), mais sont déterminés par des lois quantiques (le soi-disant diamagnétisme de Fermi et paramagnétisme de Landau). Dans le même temps, par exemple, l'ordre de remplissage des orbitales 5d et 4f dans la série des lanthanides ne change pas le nombre d'électrons non appariés, donc les configurations électroniques correctes n'ont été établies que dans les années 60 par des calculs de mécanique quantique (il est impossible de distinguer les configurations 5d 1 et 4f des mesures magnétiques 1). Néanmoins, les études magnétochimiques permettent d'établir la configuration électronique, comme le lecteur attentif l'a probablement déjà remarqué, des composés de métaux de transition, qui constituent la base de la chimie des composés (complexes) de coordination.
Les composés de coordination se forment, en règle générale, en raison d'une liaison donneur-accepteur, c'est-à-dire que des paires libres d'électrons de ligands occupent des positions vacantes dans les orbitales de l'atome central. Dans ce cas, le nombre d'électrons non appariés et le moment magnétique des ions formant des complexes restent les mêmes que ceux d'un ion libre en phase gazeuse. Cela est vrai pour les complexes aquatiques de métaux de transition, par exemple le fer (II) (Fig. 3). Cependant, il existe également des complexes magnétiquement anormaux dont le moment magnétique est inférieur à celui de l'ion gazeux. Leur structure électronique peut être expliquée dans le cadre de la méthode des liaisons de valence comme suit. De nombreux composés complexes ont un numéro de coordination de six. Six ligands sont situés symétriquement aux sommets de l'octaèdre. Afin d'obtenir six orbitales hybrides, six orbitales de valence de l'atome central doivent participer à leur formation : une telle redistribution de la densité électronique est appelée sp3d 2-hybridation (à comparer avec l'hybridation sp3 de l'atome de carbone dans les alcanes, où quatre liaisons sont dirigé vers les sommets du tétraèdre). Veuillez noter que les orbitales d avec le même numéro atomique que les orbitales s et p participent à la formation des orbitales hybrides. Cela s’explique par le fait que les orbitales d internes situées à plus faible énergie sont occupées par les propres électrons de l’ion métallique. Afin d'occuper des orbitales d'énergie inférieure, les ligands doivent forcer les propres électrons de l'ion métallique à s'apparier et à libérer les orbitales d internes pour ce que l'on appelle l'hybridation d 2sp 3. Cela ne peut être réalisé que par des ligands à champ élevé qui forment des liaisons fortes avec l'ion métallique, par exemple les ions cyanure dans le complexe hexacyanoferrate (II) (voir Fig. 3).
En conséquence, le premier type de complexes, qui a un moment magnétique élevé, est appelé complexe orbital externe, et le deuxième type, avec un moment magnétique réduit, est appelé complexe intra-orbital. Cette différence, entraînant une modification du nombre d'électrons non appariés dans le complexe, entraîne une modification des moments magnétiques des complexes orbitaux externe et interne, respectivement, et est causée par la disparité d'énergie des orbitales d correspondantes (généralement appelée énergie de division dans le champ du ligand et notée D ou 10Dq).
En fonction de leur capacité à former des complexes intra-orbitaux (basés sur la valeur D), tous les ligands peuvent être disposés en une série appelée série spectrochimique de ligands :
CN->NO2->SO32->NH3>NCS->H3O>
>OH->F->Cl->Br->I-
Il tire son nom du fait que la couleur du complexe dépend de la position du ligand dans cette série, ce qui révèle le lien entre les propriétés optiques et magnétiques des composés de coordination.
Ainsi, en mesurant la susceptibilité magnétique, on peut facilement juger du degré d'oxydation et de la géométrie de la première sphère de coordination du complexe. Les données sur la susceptibilité magnétique d'un certain nombre d'ions de métaux de transition et de lanthanides sont présentées dans le tableau. 2. On peut voir que les propriétés magnétiques des ions 3D correspondent dans la plupart des cas bien aux valeurs de spin pures ms, et pour expliquer les propriétés magnétiques des lanthanides, un modèle plus complexe est nécessaire impliquant le nombre quantique J mentionné ci-dessus.
On sait que la plupart des réactions chimiques importantes en pratique se produisent dans des solutions, y compris les réactions de formation de complexes. Dans la section suivante, nous examinerons donc les propriétés magnétiques des solutions dans lesquelles les composés de métaux de transition sont réalisés sous forme de complexes.
SUSPECTIVITÉ MAGNÉTIQUE DES SOLUTIONS
Lors du passage d'un solide à une solution, la susceptibilité magnétique du solvant et de tous les solutés doit être prise en compte. Dans ce cas, le moyen le plus simple d’en tenir compte est de additionner les contributions de tous les composants de la solution selon la règle d’additivité. Le principe d'additivité est l'un des principes fondamentaux du traitement des données expérimentales. Parfois, cela échoue même aux expérimentateurs, car il est difficile pour l’esprit humain d’imaginer un autre mécanisme d’interaction de divers facteurs autre que leur simple addition. Tout écart par rapport à celui-ci est le plus souvent associé au fait que le principe d'additivité lui-même est respecté et que les composants de la solution changent de propriétés. Par conséquent, on suppose que la susceptibilité magnétique d'une solution est égale à la somme des susceptibilités magnétiques des composants individuels, en tenant compte de la concentration où ci est la concentration (en mol/l), cmi est la susceptibilité magnétique molaire de Pour le ième composant de la solution, un coefficient de 1/1000 est utilisé pour passer à la concentration molaire. Dans ce cas, la sommation est effectuée sur tous les solutés et le solvant. On peut noter que les contributions des substances paramagnétiques et diamagnétiques à la susceptibilité magnétique mesurée sont de signe opposé et peuvent être séparées
cv(mesuré) = cv(paire) - cv(dia).
Lorsqu'on étudie les propriétés magnétiques d'une même substance dans différents solvants (tableau 3), il est clair qu'elles peuvent dépendre de manière significative de la nature du solvant. Cela peut s'expliquer par l'entrée de molécules de solvant dans la première sphère de coordination et un changement correspondant dans la structure électronique du complexe, les énergies des orbitales d (D) et d'autres propriétés du complexe solvate. Ainsi, la magnétochimie permet également d’étudier la solvatation, c’est-à-dire l’interaction d’un soluté avec un solvant.
Dans les solutions, la détermination des composés de coordination cm et meff permet, comme le montre le matériel théorique présenté ci-dessus, de déterminer un certain nombre de paramètres structurels (l, S, D), ce qui rend les études magnétochimiques très précieuses. Différents complexes du même ion métallique peuvent différer considérablement dans la valeur du moment magnétique effectif. En utilisant l'exemple du cuivre (II), on peut voir que lors de la formation d'un complexe, le moment magnétique effectif augmente et lorsqu'un complexe dimère est formé, il diminue en raison de l'interaction antiferromagnétique des électrons non appariés des ions cuivre (II). Les propriétés magnétiques des composés complexes du cuivre (II) sont indiquées ci-dessous. (Lors de la rédaction des formules, des désignations abrégées pour les ligands adoptées en chimie de coordination ont été utilisées : acac - acétylacétone CH3COCH3COCH3, H4Tart - acide tartrique HOOC(CHOH)2COOH.)
Quelques mots sur l'eau « magnétique », ou plus précisément sur les solutions aqueuses (puisque même l'eau distillée contient des impuretés, comme l'oxygène dissous, qui est paramagnétique). Ce sujet nécessite bien entendu une considération séparée, nous l'aborderons uniquement en relation avec la magnétochimie. Si un champ magnétique affecte les propriétés d'une solution et que de nombreux faits expérimentaux (mesures de densité, viscosité, conductivité électrique, concentration de protons, susceptibilité magnétique) indiquent que tel est le cas, alors il faut reconnaître que l'énergie des interactions entre la solution Les composants individuels de la solution et l'ensemble des molécules d'eau sont assez élevés, puis comparables ou supérieurs à l'énergie du mouvement thermique des particules dans une solution, ce qui fait la moyenne de tout effet sur la solution. Rappelons que l'énergie d'interaction magnétique d'une particule (molécule) est petite par rapport à l'énergie du mouvement thermique. Une telle interaction est possible si nous acceptons que dans l'eau et les solutions aqueuses, en raison de la nature coopérative des liaisons hydrogène, de grands ensembles structurels de molécules d'eau, semblables à de la glace, sont réalisés, qui peuvent être renforcés ou détruits sous l'influence de substances dissoutes. L'énergie de formation de tels "ensembles" est apparemment comparable à l'énergie du mouvement thermique, et sous influence magnétique, la solution peut s'en souvenir et acquérir de nouvelles propriétés, mais le mouvement brownien ou une augmentation de la température élimine cette "mémoire" au fil du temps.
Veuillez noter qu'en sélectionnant soigneusement les concentrations de substances paramagnétiques dans un solvant diamagnétique, il est possible de créer un liquide non magnétique, c'est-à-dire dont la susceptibilité magnétique moyenne est nulle ou dans lequel les champs magnétiques se propagent exactement de la même manière que dans un aspirateur. Cette propriété intéressante n’a pas encore trouvé d’application technologique.