PROPIEDADES MAGNÉTICAS Y ESTRUCTURA DE LAS SUSTANCIAS

La magnetoquímica es una rama de la química que estudia las propiedades magnéticas de las sustancias, así como su relación con la estructura de las moléculas. Su formación como ciencia se remonta a principios del siglo XX, cuando se descubrieron las leyes básicas del magnetismo.

PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LAS SUSTANCIAS

El magnetismo es una propiedad fundamental de la materia. La capacidad de los imanes permanentes para atraer objetos de hierro se conoce desde la antigüedad. El desarrollo del electromagnetismo hizo posible crear electroimanes más fuertes que los permanentes existentes en la naturaleza. En general, diversos instrumentos y dispositivos basados ​​en el uso de fenómenos electromagnéticos están tan extendidos que ahora es imposible imaginar la vida sin ellos.

Sin embargo, no sólo los imanes permanentes interactúan con el campo magnético, sino también todas las demás sustancias. El campo magnético, al interactuar con la materia, cambia su valor en comparación con el vacío (en adelante, todas las fórmulas están escritas en el sistema SI):

donde µ 0 es la constante magnética igual a 4p 10 -7 H/m, µ es la permeabilidad magnética de la sustancia, B es la inducción magnética (en T), H es la intensidad del campo magnético (en A/m). Para la mayoría de las sustancias, m está muy cerca de la unidad, por lo que en magnetoquímica, donde el objeto principal es una molécula, es más conveniente utilizar el valor c, que se llama susceptibilidad magnética. Puede atribuirse a una unidad de volumen, masa o cantidad de una sustancia y, en consecuencia, se denomina volumétrico (adimensional). CV, específico CD(en cm3/g) o molar cm(en cm3/mol) susceptibilidad magnética.

Las sustancias se pueden dividir en dos categorías: aquellas que debilitan el campo magnético (c< 0), называются диамагнетиками, те, которые усиливают (c >0), – paramagnético. Se puede imaginar que en un campo magnético no uniforme, una fuerza actúa sobre un material diamagnético que lo empuja fuera del campo, mientras que una fuerza actúa sobre un material paramagnético, por el contrario, atrayendolo hacia adentro. En esto se basan los métodos que se describen a continuación para medir las propiedades magnéticas de sustancias. Los diamagnetos (y esta es la gran mayoría de compuestos orgánicos y de alto peso molecular) y principalmente los paramagnetos son objetos de estudio de la magnetoquímica.

El diamagnetismo es la propiedad más importante de la materia, debido al hecho de que bajo la influencia de un campo magnético, los electrones en capas llenas de electrones (que pueden considerarse como pequeños conductores) comienzan a precesar y, como se sabe, cualquier movimiento de una carga eléctrica provoca un campo magnético que, según la regla de Lenz, se dirigirá así para reducir el impacto del campo externo. En este caso, la precesión electrónica puede considerarse como corrientes circulares. El diamagnetismo es característico de todas las sustancias excepto del hidrógeno atómico, porque todas las sustancias tienen electrones emparejados y capas electrónicas llenas.

El paramagnetismo es causado por electrones no apareados, llamados así porque su propio momento magnético (espín) no está equilibrado de ninguna manera (en consecuencia, los espines de los electrones apareados se dirigen en direcciones opuestas y se anulan entre sí). En un campo magnético, los espines tienden a alinearse en la dirección del campo, fortaleciéndolo, aunque este orden se ve alterado por el movimiento térmico caótico. Por tanto, está claro que la susceptibilidad paramagnética depende de la temperatura: cuanto menor es la temperatura, mayor es el valor de la susceptibilidad.

Este tipo de susceptibilidad magnética también se denomina paramagnetismo orientacional, ya que su causa es la orientación de los momentos magnéticos elementales en un campo magnético externo.

Las propiedades magnéticas de los electrones de un átomo se pueden describir de dos formas. En el primer método, se cree que el momento magnético (de espín) del electrón no afecta el momento orbital (debido al movimiento de los electrones alrededor del núcleo) o viceversa. Más precisamente, esa influencia mutua siempre existe (interacción espín-órbita), pero para los iones 3d es pequeña y las propiedades magnéticas pueden describirse con suficiente precisión mediante dos números cuánticos L (orbital) y S (espín). Para átomos más pesados, tal aproximación se vuelve inaceptable y se introduce otro número cuántico del momento magnético total J, que puede tomar valores de | L+S | antes | L – S |

Se debe prestar atención a la pequeñez de la energía de interacción magnética (para temperaturas ambiente y campos magnéticos comunes en el laboratorio, la energía de las interacciones magnéticas es de tres a cuatro órdenes de magnitud menor que la energía del movimiento térmico de las moléculas).

Hay bastantes sustancias que, cuando la temperatura disminuye, primero se comportan como paramagnetos y luego, al alcanzar una determinada temperatura, cambian bruscamente sus propiedades magnéticas. El ejemplo más famoso son los ferromagnetos y la sustancia que les da nombre, el hierro, cuyos momentos magnéticos atómicos por debajo de la temperatura de Curie se alinean en una dirección, provocando una magnetización espontánea. Sin embargo, la magnetización macroscópica no ocurre en ausencia de un campo, ya que la muestra se divide espontáneamente en regiones de aproximadamente 1 μm de tamaño, llamadas dominios, dentro de las cuales los momentos magnéticos elementales se dirigen de la misma manera, pero las magnetizaciones de diferentes Los dominios están orientados aleatoriamente y, en promedio, se compensan entre sí. Las fuerzas que provocan la transición ferromagnética sólo pueden explicarse mediante las leyes de la mecánica cuántica.

Los antiferroimanes se caracterizan por el hecho de que los momentos magnéticos del espín a la temperatura de transición antiferromagnética (temperatura de Néel TN) están ordenados de tal manera que se anulan entre sí.

Si la compensación de los momentos magnéticos es incompleta, estas sustancias se denominan ferrimagnetos, por ejemplo Fe2O3 y FeCr2O4. Las últimas tres clases de compuestos son sólidos y los estudian principalmente los físicos. Durante las últimas décadas, físicos y químicos han creado nuevos materiales magnéticos.

En una molécula que contiene un electrón desapareado, los electrones restantes (emparejados) debilitan el campo magnético, pero la contribución de cada uno de ellos es de dos a tres órdenes de magnitud menor. Sin embargo, si queremos medir con mucha precisión las propiedades magnéticas de los electrones desapareados, debemos introducir las llamadas correcciones diamagnéticas, especialmente para moléculas orgánicas grandes, donde pueden alcanzar decenas de por ciento. Las susceptibilidades diamagnéticas de los átomos de una molécula se suman entre sí según la regla de aditividad de Pascal-Langevin. Para ello, la susceptibilidad diamagnética de los átomos de cada tipo se multiplica por el número de dichos átomos en la molécula y luego se introducen correcciones constitutivas según las características estructurales (dobles y triples enlaces, anillos aromáticos, etc.). Pasemos a considerar cómo se estudian experimentalmente las propiedades magnéticas de las sustancias.

MEDICIÓN EXPERIMENTAL DE LA SUSPITIVIDAD MAGNÉTICA

Los principales métodos experimentales para determinar la susceptibilidad magnética se crearon en el siglo pasado. Según el método de Gouy, se mide el cambio de peso de una muestra en un campo magnético en comparación con su ausencia.

El método de Faraday mide la fuerza que actúa sobre una muestra en un campo magnético no uniforme.

La principal diferencia entre el método de Gouy y el método de Faraday es que en el primer caso la falta de homogeneidad se mantiene según un patrón (extendido) y, en el segundo, según el campo magnético.

El método Quincke se utiliza únicamente para líquidos y soluciones. Mide el cambio de altura de una columna de líquido en un capilar bajo la influencia de un campo magnético.

En este caso, para líquidos diamagnéticos la altura de la columna disminuye, para líquidos paramagnéticos aumenta.

El método del viscosímetro mide el tiempo que pasa el líquido a través de un pequeño orificio con el campo magnético activado (tH) y desactivado (t0). El tiempo de flujo de los líquidos paramagnéticos en un campo magnético es notablemente más corto que en ausencia de campo para los líquidos diamagnéticos; ocurre lo contrario;

La susceptibilidad magnética también se puede medir utilizando un espectrómetro de RMN. Nota: la magnitud del desplazamiento químico de la señal de RMN en el caso general está determinada no solo por la constante de detección, que es una medida de la densidad electrónica en el núcleo en estudio, sino también por la susceptibilidad magnética de la muestra.

El valor obtenido de susceptibilidad magnética para materiales paramagnéticos está determinado por el número de electrones desapareados (por un electrón desapareado)

Los estudios magnetoquímicos permiten establecer la configuración electrónica de los compuestos de metales de transición, que forman la base de la química de los compuestos de coordinación (complejos).

Midiendo la susceptibilidad magnética se puede juzgar fácilmente el grado de oxidación y la geometría de la primera esfera de coordinación del complejo.

Se sabe que la mayoría de las reacciones químicas importantes en la práctica ocurren en soluciones, incluidas las reacciones de formación de complejos, por lo que en la siguiente sección consideraremos las propiedades magnéticas de las soluciones en las que los compuestos de metales de transición se realizan en forma de complejos.

SUSPECTIVIDAD MAGNÉTICA DE LAS SOLUCIONES

Al pasar de un sólido a una solución, se debe tener en cuenta la susceptibilidad magnética del disolvente y de todos los solutos. En este caso, la forma más sencilla de tener esto en cuenta es sumar las contribuciones de todos los componentes de la solución según la regla de aditividad. El principio de aditividad es uno de los principios fundamentales en el procesamiento de datos experimentales. Cualquier desviación de él suele estar asociada con el hecho de que se cumple el principio de aditividad en sí y los componentes de la solución cambian sus propiedades. Por lo tanto, se supone que la susceptibilidad magnética de la solución es igual a la suma de las susceptibilidades magnéticas de los componentes individuales, teniendo en cuenta la concentración.

Del estudio de las propiedades magnéticas de la misma sustancia en diferentes disolventes se desprende claramente que pueden depender significativamente de la naturaleza del disolvente. Esto puede explicarse por la entrada de moléculas de disolvente en la primera esfera de coordinación y el correspondiente cambio en la estructura electrónica del complejo, las energías de los orbitales d (D) y otras propiedades del complejo de solvato. Así, la magnetoquímica también permite estudiar la solvatación, es decir, la interacción de un soluto con un disolvente.

Si un campo magnético afecta las propiedades de una solución, y numerosos hechos experimentales (mediciones de densidad, viscosidad, conductividad eléctrica, concentración de protones, susceptibilidad magnética) indican que esto es así, entonces se debe reconocer que la energía de las interacciones entre los individuos componentes de la solución y el conjunto de moléculas de agua es bastante alto, entonces es comparable o excede la energía del movimiento térmico de las partículas en una solución, lo que promedia cualquier efecto sobre la solución. Recordemos que la energía de interacción magnética de una partícula (molécula) es pequeña en comparación con la energía del movimiento térmico. Tal interacción es posible si aceptamos que en el agua y las soluciones acuosas, debido a la naturaleza cooperativa de los enlaces de hidrógeno, se forman grandes conjuntos estructurales de moléculas de agua similares al hielo, que pueden fortalecerse o destruirse bajo la influencia de sustancias disueltas. La energía de formación de tales "conjuntos" es aparentemente comparable a la energía del movimiento térmico y bajo la influencia magnética, la solución puede recordarla y adquirir nuevas propiedades, pero el movimiento browniano o el aumento de la temperatura eliminan esta "memoria" con el tiempo.

Seleccionando con precisión las concentraciones de sustancias paramagnéticas en un disolvente diamagnético, es posible crear un líquido no magnético, es decir, uno cuya susceptibilidad magnética promedio sea cero o en el que los campos magnéticos se propaguen de la misma manera que en el vacío. Esta interesante propiedad aún no ha encontrado aplicación en la tecnología.

Numerosos experimentos indican que todas las sustancias colocadas en un campo magnético se magnetizan y crean su propio campo magnético, cuya acción se suma a la acción de un campo magnético externo:

¿Dónde está la inducción del campo magnético en una sustancia? - inducción magnética de un campo en el vacío, - inducción magnética de un campo que surge debido a la magnetización de una sustancia.

En este caso, la sustancia puede reforzar o debilitar el campo magnético. La influencia de una sustancia sobre un campo magnético externo se caracteriza por un valor llamado permeabilidad magnética de la sustancia.

Permeabilidad magnética es una cantidad escalar física que muestra cuántas veces la inducción del campo magnético en una sustancia dada difiere de la inducción del campo magnético en el vacío.

Las sustancias que debilitan un campo magnético externo se llaman materiales diamagnéticos(bismuto, nitrógeno, helio, dióxido de carbono, agua, plata, oro, zinc, cadmio, etc.).

Sustancias que mejoran el campo magnético externo. paramagnetos(sales de aluminio, oxígeno, platino, cobre, calcio, cromo, manganeso, cobalto, etc.).

Para materiales diamagnéticos >1. Pero en ambos casos la diferencia con respecto a 1 es pequeña (unas pocas diezmilésimas o cienmilésimas de unidad). Entonces, por ejemplo, para bismuto = 0,9998 = 1,000.

Algunas sustancias (hierro, cobalto, níquel, gadolinio y diversas aleaciones) provocan una intensificación muy grande del campo externo. Se les llama ferroimanes. Para ellos = 10 3 -10 5.

Ampere fue el primero en explicar las razones por las que los cuerpos tienen propiedades magnéticas. Según su hipótesis, dentro de las moléculas y átomos circulan corrientes eléctricas elementales, que determinan las propiedades magnéticas de cualquier sustancia.

Ahora se ha establecido que todos los átomos y partículas elementales tienen realmente propiedades magnéticas. Las propiedades magnéticas de los átomos están determinadas principalmente por los electrones que contienen.

Según el modelo atómico semiclásico propuesto por E. Rutherford y N. Bohr, los electrones de los átomos se mueven alrededor del núcleo en órbitas cerradas (en una primera aproximación, podemos suponer que son circulares). El movimiento de un electrón se puede representar como una corriente circular elemental, donde e es la carga del electrón, v es la frecuencia de rotación del electrón en su órbita. Esta corriente forma un campo magnético, que se caracteriza por un momento magnético; su módulo está determinado por la fórmula, donde S es el área orbital.

El momento magnético de un electrón debido a su movimiento alrededor del núcleo se llama momento magnético orbital. El momento magnético orbital es una cantidad vectorial y la dirección está determinada por la regla del tornillo correcto. Si el electrón se mueve en el sentido de las agujas del reloj (Fig. 1), entonces las corrientes se dirigen en sentido antihorario (en la dirección del movimiento de la carga positiva) y el vector es perpendicular al plano orbital.

Dado que los planos orbitales de diferentes electrones en un átomo no coinciden, sus momentos magnéticos se dirigen en diferentes ángulos entre sí. El momento magnético orbital resultante de un átomo multielectrónico es igual a la suma vectorial de los momentos magnéticos orbitales de los electrones individuales.

Los átomos con capas electrónicas parcialmente llenas tienen un momento magnético orbital descompensado. En átomos con capas electrónicas llenas es igual a 0.

Además del momento magnético orbital, el electrón también tiene momento magnético intrínseco (espín), que fue establecido por primera vez por O. Stern y W. Gerlach en 1922. La existencia de un campo magnético en un electrón se explica por su rotación alrededor de su propio eje, aunque no se debe comparar literalmente el electrón con una bola cargada en rotación (arriba ).

Se ha establecido de forma fiable que el campo magnético de un electrón es la misma propiedad integral que su masa y carga. Un electrón, en una aproximación muy aproximada, puede imaginarse como una bola muy pequeña rodeada de campos eléctricos y magnéticos (Fig. 2). Los campos magnéticos de todos los electrones son los mismos, al igual que sus masas y cargas. El momento magnético de espín es un vector dirigido a lo largo del eje de rotación. Solo se puede orientar de dos maneras: a lo largo... o en contra... Si en el lugar donde se encuentra el electrón hay un campo magnético externo, entonces a lo largo del campo o contra el campo. Como se muestra en la física cuántica, sólo dos electrones cuyos momentos magnéticos de espín sean opuestos pueden estar en el mismo estado energético (principio de Pauli).

En los átomos multielectrónicos, los momentos magnéticos de espín de los electrones individuales, al igual que los momentos orbitales, se suman como vectores. En este caso, el momento magnético de espín resultante del átomo para átomos con capas electrónicas llenas es igual a 0.

El momento magnético total de un átomo (molécula) es igual a la suma vectorial de los momentos magnéticos (orbital y de espín) de los electrones que ingresan al átomo (molécula):

Los diamagnetos están formados por átomos que, en ausencia de un campo magnético externo, no tienen sus propios momentos magnéticos, ya que todos los momentos magnéticos de espín y orbitales están compensados ​​por ellos.

Un campo magnético externo no actúa sobre todo el átomo de un material diamagnético, sino que actúa sobre los electrones individuales del átomo, cuyos momentos magnéticos son distintos de cero. Deje que la velocidad del electrón en un momento dado forme un cierto ángulo (Fig. 3) con la inducción magnética del campo externo.

Gracias al componente, la fuerza de Lorentz (dirigida hacia nosotros en la Fig. 3) actuará sobre el electrón, lo que provocará un movimiento adicional (además de otros movimientos en los que participa el electrón en ausencia de un campo) en un círculo. Pero este movimiento representa una corriente circular adicional, que creará un campo magnético caracterizado por un momento magnético (inducido), dirigido según la regla del tornillo derecho hacia. Como resultado, los materiales diamagnéticos debilitan el campo magnético externo.

Los paramagnetos están formados por átomos cuyo momento magnético atómico neto es. En ausencia de un campo externo, estos momentos están orientados aleatoriamente y la sustancia en su conjunto no crea un campo magnético a su alrededor. Cuando se colocan materiales paramagnéticos en un campo magnético, preferente Orientación de los vectores a lo largo del campo (esto se evita mediante el movimiento térmico de las partículas). Así, el material paramagnético se magnetiza, creando su propio campo magnético, que coincide en dirección con el campo externo y lo potencia. Este efecto se llama paramagnético. Cuando el campo magnético externo se debilita a cero, la orientación de los momentos magnéticos debido al movimiento térmico se altera y el paraimán se desmagnetiza. En los materiales paramagnéticos también se observa un efecto diamagnético, pero es mucho más débil que el efecto paramagnético.

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AGENCIA FEDERAL DE EDUCACIÓN INSTITUCIÓN EDUCATIVA ESTATAL DE EDUCACIÓN SUPERIOR Y PROFESIONAL

"UNIVERSIDAD ESTATAL DE VORONEZH"

(GOU VPO VSU)

facultad de geología

Departamento de Geología Ambiental

Ensayo

sobre el tema: Propiedades magnéticas de las sustancias.

Realizado por: Estudiante de 1er año, gr. No 9

Agoshkova Ekaterina Vladimirovna

Crítico:

Profesor asociado, candidato de ciencias Voronova T.A.

Propiedades magnéticas de las sustancias.

Permeabilidad magnética de una sustancia.

Clasificación de sustancias según la acción de un campo magnético externo sobre ellas.

Antiferromagnetos y ferrimagnetos

Magnetos permanentes

punto curie

Literatura

Propiedades magnéticas de las sustancias.

Magnetismo-- una forma de interacción entre cargas eléctricas en movimiento, que se lleva a cabo a distancia a través de un campo magnético.

Las propiedades magnéticas de la materia se explican según la hipótesis de Ampère.

La hipótesis de Ampère.- las propiedades magnéticas de un cuerpo pueden explicarse por las corrientes que circulan en su interior.

Dentro de los átomos, debido al movimiento de los electrones en órbitas, existen corrientes eléctricas elementales que crean campos magnéticos elementales.

1. si la sustancia no tiene propiedades magnéticas, los campos magnéticos elementales no están orientados (debido al movimiento térmico);

2. Si una sustancia tiene propiedades magnéticas, los campos magnéticos elementales están igualmente dirigidos (orientados) y se forma el propio campo magnético interno de la sustancia.

Magnetizado Se llama sustancia que crea su propio campo magnético. La magnetización ocurre cuando una sustancia se coloca en un campo magnético externo.

magnetismo amperio antiferroimán curie

Magnéticoy yopermeabilidad de la sustancia

La influencia de una sustancia sobre un campo magnético externo se caracteriza por la magnitud metro , Lo que es llamado permeabilidad magnética de una sustancia.

Permeabilidad magnética es una cantidad escalar física que muestra cuántas veces la inducción del campo magnético en una sustancia dada difiere de la inducción del campo magnético en el vacío.

¿Dónde está B? -- inducción de campos magnéticos en la materia; ¿B? 0 - inducción de campo magnético en el vacío.

Clasificación de sustanciaspor la acción de un campo magnético externo sobre ellos

1.D y materiales magnéticos [metro<1]- слабомагнитные вещества, внутреннее магнитное поле направлено противоположно внешнему магнитному полю, но слабовыраженно. Вещества, которые имеют отрицательную магнитную восприимчивость, не зависящую от напряженности магнитного поля.

Susceptibilidad magnética negativa- esto es cuando un imán se acerca a un cuerpo y es repelido en lugar de atraído.

A los diamagnetos pertenecen, por ejemplo, gases inertes, hidrógeno, fósforo, zinc, oro, nitrógeno, silicio, bismuto, cobre y plata. Es decir, se trata de sustancias que se encuentran en estado superconductor o tienen enlaces covalentes.

2. PAG araimanes [m>1] - sustancias débilmente magnéticas, el campo magnético interno se dirige de la misma manera que el campo magnético externo. En estas sustancias la susceptibilidad magnética tampoco depende de la intensidad del campo existente. Aunque ella es positiva. Es decir, cuando un paramagnético se acerca a un imán permanente, surge una fuerza de atracción. Estos incluyen aluminio, platino, oxígeno, manganeso y hierro.

3.F Erroimanes [m>>1] - En sustancias altamente magnéticas, el campo magnético interno es 100-1000 veces mayor que el campo magnético externo.

En estas sustancias, a diferencia de los materiales diamagnéticos y paramagnéticos, la susceptibilidad magnética depende en gran medida de la temperatura y de la intensidad del campo magnético.

Estos incluyen cristales de níquel y cobalto.

Antiferromagnetos y ferrimagnetos

Las sustancias en las que, durante el calentamiento, se produce una transición de fase de una sustancia determinada, acompañada de la aparición de propiedades paramagnéticas, se denominan antiferroimanes. Si la temperatura desciende por debajo de cierta temperatura, estas propiedades de la sustancia no se observarán. Ejemplos de estas sustancias serían el manganeso y el cromo.

Susceptibilidad magnética ferrimagnetos También depende de las temperaturas y la intensidad del campo magnético. Pero todavía tienen diferencias. Estas sustancias incluyen varios óxidos.

Todos los imanes anteriores se pueden dividir en 2 categorías:

Materiales magnéticos duros. Se trata de materiales con un alto valor de coercitividad. Para remagnetizarlos es necesario crear un potente campo magnético. Estos materiales se utilizan en la fabricación de imanes permanentes.

Materiales magnéticos blandos, por el contrario, tienen una pequeña fuerza coercitiva. En campos magnéticos débiles pueden entrar en saturación. Tienen bajas pérdidas debido a la inversión de la magnetización. Por este motivo, estos materiales se utilizan para fabricar núcleos de máquinas eléctricas que funcionan con corriente alterna. Se trata, por ejemplo, de un transformador de corriente y tensión, de un generador o de un motor asíncrono.

Imán permanentes

Permanenteimanes- Se trata de cuerpos que retienen la magnetización durante mucho tiempo.

Un imán permanente siempre tiene 2 polos magnéticos: norte (N) y sur (S).

El campo magnético de un imán permanente es más intenso en sus polos.

Los imanes permanentes suelen estar hechos de hierro, acero, hierro fundido y otras aleaciones de hierro (imanes fuertes), así como de níquel y cobalto (imanes débiles). Los imanes pueden ser naturales (naturales) a partir de mineral de hierro, mineral de hierro magnético y artificiales, obtenidos magnetizando el hierro al introducirlo en un campo magnético.

Interacción magnética: Los polos iguales se repelen y los polos diferentes se atraen.

La interacción de los imanes se explica por el hecho de que cualquier imán tiene un campo magnético y estos campos magnéticos interactúan entre sí.

Campo magnético de imanes permanentes.

¿Cuáles son las razones de la magnetización del hierro? Según la hipótesis del científico francés Ampere, dentro de la materia existen corrientes eléctricas elementales (corrientes de Ampere), que se forman como resultado del movimiento de los electrones alrededor de los núcleos de los átomos y alrededor de su propio eje. Cuando los electrones se mueven, surgen campos magnéticos elementales. Cuando un trozo de hierro se introduce en un campo magnético externo, todos los campos magnéticos elementales de este hierro se orientan de manera idéntica en el campo magnético externo, formando su propio campo magnético. Así es como un trozo de hierro se convierte en un imán.

¿Cómo se ve un campo magnético?¿magnetos permanentes?

Se puede obtener una idea del tipo de campo magnético utilizando limaduras de hierro. Lo único que tienes que hacer es colocar una hoja de papel sobre el imán y espolvorear limaduras de hierro encima.

Para imán de banda permanente Para imán de arco permanente

punto curie

punto curie, o Temperatura curie, es la temperatura de una transición de fase de segundo orden asociada con un cambio abrupto en las propiedades de simetría de una sustancia con un cambio de temperatura, pero con valores dados de otros parámetros termodinámicos (presión, intensidad del campo eléctrico o magnético). Una transición de fase de segundo orden a la temperatura de Curie está asociada con un cambio en las propiedades de simetría de la sustancia. En Tc, en todos los casos de transiciones de fase, desaparece cualquier tipo de orden atómico, por ejemplo, el orden de los espines de los electrones ( ferroeléctricos), momentos magnéticos atómicos ( ferroimanes), orden en la disposición de los átomos de diferentes componentes de la aleación a lo largo de los nodos de la red cristalina (transiciones de fase en aleaciones). Cerca de T c se observan anomalías marcadas de las propiedades físicas, por ejemplo, piezoeléctricas, electroópticas y térmicas.

El punto de Curie magnético es la temperatura de dicha transición de fase en la que la magnetización espontánea de los dominios ferromagnéticos desaparece y el ferromagnético se transforma en un estado paramagnético. A temperaturas relativamente bajas, el movimiento térmico de los átomos, que inevitablemente conduce a algunas perturbaciones en la disposición ordenada de los momentos magnéticos, es insignificante. A medida que aumenta la temperatura, su papel aumenta y, finalmente, a una determinada temperatura (Tc), el movimiento térmico de los átomos es capaz de destruir la disposición ordenada de los momentos magnéticos, y el ferroimán se convierte en un paraimán. Cerca del punto de Curie, se observan una serie de características en el cambio en las propiedades no magnéticas de los ferromagnetos (resistividad, capacidad calorífica específica, coeficiente de temperatura de expansión lineal).

El valor de T c depende de la fuerza de la conexión de los momentos magnéticos entre sí, en el caso de una conexión fuerte alcanza: para hierro puro T c = 768 o C, para cobalto T c = 1131 o C, supera los 1000 o C para aleaciones de hierro y cobalto. Para muchas sustancias, la Tc es pequeña (para el níquel, Tc = 358 o C). Por el valor de T c se puede estimar la energía de unión de los momentos magnéticos entre sí. Para destruir la disposición ordenada de los momentos magnéticos se requiere la energía del movimiento térmico, que excede con creces tanto la energía de interacción de los dipolos como la energía potencial del dipolo magnético en el campo.

A la temperatura de Curie, la permeabilidad magnética de un ferroimán se vuelve aproximadamente igual a la unidad por encima del punto de Curie, lo que obedece al cambio en la susceptibilidad magnética; Ley de Curie-Weiss.

Para cada ferroimán existe una temperatura determinada: el punto Curie.

1. Si t de la sustancia< t Кюри, то вещество обладает ферромагнитными свойствами.

2. Si t de una sustancia > Curie t, entonces las propiedades ferromagnéticas (magnetización) desaparecen y la sustancia se vuelve paramagnética. Por tanto, los imanes permanentes pierden sus propiedades magnéticas cuando se calientan.

Literatura

Zhilko, V.V. Física: libro de texto. subsidio para el 11º grado. educación general escuela del ruso idioma entrenamiento / V.V. Zhilko, A.V. Lavrinenko, L. G. Markovich. --Mn.: Nar. Asveta, 2002. -- P. 291-297.

http://msk.edu.ua/

http://elhow.ru/

http://class-fizika.narod.ru/

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Cualquier sustancia en el mundo tiene ciertas propiedades magnéticas. Se miden por permeabilidad magnética. En este artículo veremos las propiedades magnéticas de la materia.

La hipótesis de Ampère.

La permeabilidad magnética muestra cuántas veces la inducción del campo magnético en un entorno determinado es menor o mayor que la inducción del campo magnético en el vacío.

Una sustancia que crea su propio campo magnético se llama magnetizada. La magnetización ocurre cuando una sustancia se coloca en un campo magnético externo.

El científico francés Ampère estableció la razón, cuya consecuencia es la posesión de propiedades magnéticas por parte de los cuerpos. La hipótesis de Ampere afirma que existen corrientes eléctricas microscópicas dentro de la materia (un electrón tiene su propio momento magnético, que tiene naturaleza cuántica, movimiento orbital en los átomos de electrones). Son ellos los que determinan las propiedades magnéticas de una sustancia. Si las corrientes tienen direcciones desordenadas, entonces los campos magnéticos que generan se anulan entre sí. El cuerpo no está magnetizado. Un campo magnético externo regula estas corrientes. Como resultado, la sustancia desarrolla su propio campo magnético. Ésta es la magnetización de la sustancia.

Es por la reacción de las sustancias a un campo magnético externo y por el orden de su estructura interna que se determinan las propiedades magnéticas de una sustancia. De acuerdo con estos parámetros, se dividen en los siguientes grupos:

• Paramagnetos
• Diamagnetos
• Ferroimanes
• Antiferromagnetos

Diamagnetos y paramagnetos

• Las sustancias que tienen susceptibilidad magnética negativa, independientemente de la intensidad del campo magnético, se denominan materiales diamagnéticos. Averigüemos qué propiedades magnéticas de una sustancia se denominan susceptibilidad magnética negativa. Esto es cuando un imán se acerca a un cuerpo y es repelido en lugar de atraído. A los diamagnetos pertenecen, por ejemplo, gases inertes, hidrógeno, fósforo, zinc, oro, nitrógeno, silicio, bismuto, cobre y plata. Es decir, se trata de sustancias que se encuentran en estado superconductor o tienen enlaces covalentes.
• Materiales paramagnéticos. En estas sustancias la susceptibilidad magnética tampoco depende de la intensidad del campo existente. Aunque ella es positiva. Es decir, cuando un paramagnético se acerca a un imán permanente, surge una fuerza de atracción. Estos incluyen aluminio, platino, oxígeno, manganeso y hierro.

Ferroimanes

Las sustancias que tienen una alta susceptibilidad magnética positiva se denominan ferroimanes. En estas sustancias, a diferencia de los materiales diamagnéticos y paramagnéticos, la susceptibilidad magnética depende en gran medida de la temperatura y de la intensidad del campo magnético. Estos incluyen cristales de níquel y cobalto.

Antiferromagnetos y ferrimagnetos

• Las sustancias en las que, durante el calentamiento, se produce una transición de fase de una sustancia determinada, acompañada de la aparición de propiedades paramagnéticas, se denominan antiferromagnetos. Si la temperatura desciende por debajo de cierta temperatura, estas propiedades de la sustancia no se observarán. Ejemplos de estas sustancias serían el manganeso y el cromo.
• Los ferrimagnetos se caracterizan por la presencia de antiferromagnetismo descompensado en ellos. Su susceptibilidad magnética también depende de la temperatura y de la intensidad del campo magnético. Pero todavía tienen diferencias. Estas sustancias incluyen varios óxidos.

Todos los imanes anteriores se pueden dividir en 2 categorías:

• Materiales magnéticos duros. Se trata de materiales con un alto valor de coercitividad. Para remagnetizarlos es necesario crear un potente campo magnético. Estos materiales se utilizan en la fabricación de imanes permanentes.
• Los materiales magnéticos blandos, por el contrario, tienen una fuerza coercitiva baja. En campos magnéticos débiles pueden entrar en saturación. Tienen bajas pérdidas debido a la inversión de la magnetización. Por este motivo, estos materiales se utilizan para fabricar núcleos de máquinas eléctricas que funcionan con corriente alterna. Se trata, por ejemplo, de un transformador de corriente y tensión, de un generador o de un motor asíncrono.

Observamos todas las propiedades magnéticas básicas de la materia y descubrimos qué tipos de imanes existen.

Numerosos experimentos indican que todas las sustancias colocadas en un campo magnético se magnetizan y crean su propio campo magnético, cuya acción se suma a la acción de un campo magnético externo:

\(~\vec B = \vec B_0 + \vec B_1,\)

donde \(~\vec B\) es la inducción del campo magnético en la sustancia; \(~\vec B_0\) es la inducción magnética del campo en el vacío, \(~\vec B_1\) es la inducción magnética del campo resultante de la magnetización de la sustancia. En este caso, la sustancia puede reforzar o debilitar el campo magnético. La influencia de una sustancia sobre un campo magnético externo se caracteriza por el valor μ, que se denomina permeabilidad magnética de la sustancia.

\(~\mu = \dfrac B(B_0).\)

• Permeabilidad magnética es una cantidad escalar física que muestra cuántas veces la inducción del campo magnético en una sustancia dada difiere de la inducción del campo magnético en el vacío.

Dia- y para-imanes

Todas las sustancias tienen ciertas propiedades magnéticas, es decir, son imanes. Para la mayoría de las sustancias, la permeabilidad magnética μ está cerca de la unidad y no depende de la fuerza del campo magnético. Sustancias cuya permeabilidad magnética es ligeramente menor que la unidad (μ< 1), называются materiales diamagnéticos, ligeramente mayor que la unidad (μ > 1) - paramagnético. Las sustancias cuya permeabilidad magnética depende de la intensidad del campo externo y pueden exceder significativamente la unidad (μ » 1) se denominan ferroimanes.

Ejemplos de materiales diamagnéticos son plomo, zinc, bismuto (μ = 0,9998); sustancias paramagnéticas: sodio, oxígeno, aluminio (μ = 1,00023); Ferromagnetos: cobalto, níquel, hierro (μ alcanza un valor de 8⋅10 3).

La primera explicación de las razones por las que los cuerpos tienen propiedades magnéticas la dio Henri Ampère (1820). Según su hipótesis, dentro de las moléculas y átomos circulan corrientes eléctricas elementales, que determinan las propiedades magnéticas de cualquier sustancia.

Tomemos algo de sustancia sólida. Su magnetización está relacionada con las propiedades magnéticas de las partículas (moléculas y átomos) que lo componen. Consideremos qué circuitos actuales son posibles a nivel micro. El magnetismo de los átomos se debe a dos motivos principales:

1) el movimiento de electrones alrededor del núcleo en órbitas cerradas ( momento magnético orbital) (Figura 1);

2) la rotación intrínseca (espín) de los electrones ( momento magnético de giro) (Figura 2).

Dado que los planos orbitales de diferentes electrones en un átomo no coinciden, los vectores de inducción del campo magnético creados por ellos (momentos magnéticos orbitales y de espín) se dirigen en diferentes ángulos entre sí. El vector de inducción resultante de un átomo multielectrónico es igual a la suma vectorial de los vectores de inducción de campo creados por electrones individuales. Los átomos con capas electrónicas parcialmente llenas tienen campos no compensados. En átomos con capas electrónicas llenas, el vector de inducción resultante es 0.

En todos los casos, el cambio en el campo magnético es provocado por la aparición de corrientes de magnetización (se observa el fenómeno de la inducción electromagnética). En otras palabras, el principio de superposición del campo magnético sigue siendo válido: el campo dentro del imán es una superposición del campo externo \(~\vec B_0\) y el campo \(~\vec B"\) de corrientes magnetizantes. i', que surgen bajo la influencia de un campo externo. Si el campo de las corrientes de magnetización se dirige de la misma manera que el campo externo, entonces la inducción del campo total será mayor que el campo externo (Fig.3, a); en este caso decimos que la sustancia amplifica el campo. ; Si el campo de las corrientes de magnetización se dirige en dirección opuesta al campo externo, entonces el campo total será menor que el campo externo (Fig. 3, b); es en este sentido que decimos que la sustancia debilita el campo magnético.

EN materiales diamagnéticos Las moléculas no tienen su propio campo magnético. Bajo la influencia de un campo magnético externo en átomos y moléculas, el campo de corrientes de magnetización se dirige en sentido opuesto al campo externo, por lo tanto, la magnitud del vector de inducción magnética \(~\vec B\) del campo resultante será menor que la magnitud del vector de inducción magnética \(~\vec B_0\) del campo externo.

EN paramagnetos Las moléculas tienen su propio campo magnético. En ausencia de un campo magnético externo, debido al movimiento térmico, los vectores de inducción de los campos magnéticos de átomos y moléculas están orientados aleatoriamente, por lo que su magnetización promedio es cero (Fig. 4, a). Cuando se aplica un campo magnético externo a átomos y moléculas, comienza a actuar un momento de fuerza que tiende a rotarlos de modo que sus campos queden orientados paralelos al campo externo. La orientación de las moléculas paramagnéticas conduce al hecho de que la sustancia está magnetizada (Fig. 4, b).

La orientación completa de las moléculas en un campo magnético se ve impedida por su movimiento térmico, por lo que la permeabilidad magnética de los materiales paramagnéticos depende de la temperatura. Es obvio que al aumentar la temperatura la permeabilidad magnética de los materiales paramagnéticos disminuye.

Ferroimanes

El nombre mismo de esta clase de materiales magnéticos proviene del nombre latino del hierro: Ferrum. La característica principal de estas sustancias es la capacidad de mantener la magnetización en ausencia de un campo magnético externo; todos los imanes permanentes pertenecen a la clase de los ferromagnetos. Además del hierro, sus "vecinos" en la tabla periódica, el cobalto y el níquel, tienen propiedades ferromagnéticas. Los materiales ferromagnéticos encuentran una amplia aplicación práctica en la ciencia y la tecnología, por lo que se ha desarrollado un número importante de aleaciones que tienen diversas propiedades ferromagnéticas.

Todos los ejemplos dados de ferromagnetos se refieren a metales del grupo de transición, cuya capa electrónica contiene varios electrones desapareados, lo que lleva al hecho de que estos átomos tienen un campo magnético propio importante. En el estado cristalino, debido a la interacción entre los átomos de los cristales, surgen áreas de magnetización espontánea (dominios). Las dimensiones de estos dominios son décimas y centésimas de milímetro (10 -4 - 10 -5 m), lo que excede significativamente el tamaño de un átomo individual (10 -9 m). Dentro de un dominio, los campos magnéticos de los átomos están orientados estrictamente paralelos; la orientación de los campos magnéticos de otros dominios en ausencia de un campo magnético externo cambia arbitrariamente (Fig. 5).

Así, incluso en un estado no magnetizado, dentro de un ferroimán existen fuertes campos magnéticos, cuya orientación cambia de forma aleatoria y caótica durante la transición de un dominio a otro. Si las dimensiones de un cuerpo exceden significativamente las dimensiones de sus dominios individuales, entonces el campo magnético promedio creado por los dominios de este cuerpo está prácticamente ausente.

Si coloca un ferroimán en un campo magnético externo EN 0, entonces los momentos magnéticos de los dominios comienzan a reorganizarse. Sin embargo, no se produce rotación espacial mecánica de secciones de la sustancia. El proceso de inversión de la magnetización está asociado con un cambio en el movimiento de los electrones, pero no con un cambio en la posición de los átomos en los nodos de la red cristalina. Los dominios que tienen la orientación más favorable en relación con la dirección del campo aumentan su tamaño a expensas de los dominios vecinos "mal orientados", absorbiéndolos. En este caso, el campo en la sustancia aumenta de manera bastante significativa.

Propiedades de los ferromagnetos

1) las propiedades ferromagnéticas de una sustancia aparecen solo cuando se ubica la sustancia correspondiente en estado cristalino;

2) las propiedades magnéticas de los ferromagnetos dependen en gran medida de la temperatura, ya que el movimiento térmico impide la orientación de los campos magnéticos de los dominios. Para cada ferroimán existe una determinada temperatura a la que la estructura del dominio se destruye por completo y el ferroimán se convierte en un paraimán. Este valor de temperatura se llama punto curie. Así, para el hierro puro, la temperatura de Curie es de aproximadamente 900°C;

3) los ferromagnetos están magnetizados hasta la saturación en campos magnéticos débiles. La Figura 6 muestra cómo cambia el módulo de inducción del campo magnético. B en acero con un cambio en el campo externo B 0 ;

4) la permeabilidad magnética de un ferroimán depende del campo magnético externo (Fig. 7).

Esto se explica por el hecho de que inicialmente, con un aumento B 0 inducción magnética B crece con más fuerza y, por lo tanto, μ aumentará. Entonces, al valor de la inducción magnética. B´ Se produce saturación 0 (μ en este momento es máximo) y con un aumento adicional B 0 inducción magnética B 1 en una sustancia deja de cambiar y la permeabilidad magnética disminuye (tiende a 1):

\(~\mu = \dfrac B(B_0) = \dfrac (B_0 + B_1)(B_0) = 1 + \dfrac (B_1)(B_0);\)

5) los ferromagnetos exhiben magnetización residual. Si, por ejemplo, se coloca una varilla ferromagnética en un solenoide a través del cual pasa corriente y se magnetiza hasta la saturación (punto A) (Fig. 8), y luego reducir la corriente en el solenoide, y con ella B 0, entonces se puede observar que la inducción de campo en la varilla durante su desmagnetización siempre sigue siendo mayor que durante el proceso de magnetización. Cuando B 0 = 0 (la corriente en el solenoide se apaga), la inducción será igual a B r(inducción residual). La varilla se puede quitar del solenoide y usarse como imán permanente. Para finalmente desmagnetizar la varilla, es necesario hacer pasar una corriente en la dirección opuesta a través del solenoide, es decir aplicar un campo magnético externo con la dirección opuesta al vector de inducción. Ahora aumentando el módulo de inducción de este campo a Boc, desmagnetizar la varilla ( B = 0).).

Así, al magnetizar y desmagnetizar un ferroimán, la inducción B se queda atrás B 0. Este retraso se llama fenómeno de histéresis. La curva que se muestra en la Figura 8 se llama bucle de histéresis.

La forma de la curva de magnetización (bucle de histéresis) varía significativamente para los diferentes materiales ferromagnéticos, que han encontrado un uso muy amplio en aplicaciones científicas y técnicas. Algunos materiales magnéticos tienen un bucle ancho con altos valores de remanencia y coercitividad, estos se denominan magnéticamente duro y se utilizan para fabricar imanes permanentes. Otras aleaciones ferromagnéticas se caracterizan por valores bajos de fuerza coercitiva; dichos materiales se magnetizan y remagnetizan fácilmente incluso en campos débiles. Estos materiales se llaman magnéticamente suave y se utilizan en diversos dispositivos eléctricos: relés, transformadores, circuitos magnéticos, etc.

Literatura

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