Magnétisme et moment magnétique
Toutes les choses dans le monde ont du magnétisme, des tables et des chaises qui nous entourent aux planètes et au soleil dans l'univers. Quel que soit leur état (cristallin, amorphe, liquide ou gazeux), leur température élevée ou basse, leur pression élevée ou basse, ils ont tous du magnétisme. La différence est que certaines substances ont un magnétisme fort, tandis que d'autres ont un magnétisme faible. Cependant, on peut dire que les substances sans magnétisme n'existent pas. Les substances peuvent être classées en cinq catégories en fonction de leurs caractéristiques dans un champ magnétique externe : les substances paramagnétiques, les substances diamagnétiques, les substances ferromagnétiques, les substances ferrimagnétiques et les substances antiferromagnétiques. Qu'est-ce qui fait que toutes les substances ont du magnétisme ? Quelles sont les raisons pour lesquelles différentes substances ont les caractéristiques différentes ci-dessus ? Cela commence par la base de la matière : les atomes. La matière est composée d'atomes, et les atomes sont composés de noyaux atomiques et d'électrons. Dans les atomes, les électrons ont des moments magnétiques orbitaux dus à leur mouvement autour du noyau atomique ; Les électrons ont des moments magnétiques de spin en raison de leur spin, et les moments magnétiques des atomes proviennent principalement des moments magnétiques orbitaux et de spin des électrons, qui sont la source de tout magnétisme matériel. Le moment magnétique d'un noyau atomique n'est que de 1/1836,5 de celui d'un électron, donc le moment magnétique d'un noyau atomique est généralement ignoré
Moment magnétique d'un atome isolé
Le moment magnétique est un vecteur directionnel. Le mode de rotation des électrons dans les atomes peut être divisé en deux types : vers le haut et vers le bas. Dans la plupart des substances, il y a autant d'électrons avec un spin vers le haut et vers le bas, et les moments magnétiques qu'ils produisent s'annulent. L'atome entier n'a aucun magnétisme envers le monde extérieur. Seuls quelques atomes de substance ont un nombre différent d'électrons dans différentes directions de spin. Par conséquent, après que les moments magnétiques des électrons avec des spins opposés se sont annulés, il existe encore des électrons dont les moments magnétiques de spin s'annulent, et l'atome entier a un moment magnétique total. Le moment magnétique d'un seul atome dépend de sa structure atomique, à savoir de la disposition et du nombre d'électrons. Tous les atomes des éléments du tableau périodique ont leurs propres moments magnétiques. Le moment magnétique des atomes dans un cristal dont nous avons parlé ci-dessus est le moment magnétique d'un seul atome, mais dans les cristaux solides ou non-cristaux, les atomes sont situés aux nœuds cristallins et sont affectés par le champ électrique nucléaire et le champ électrostatique électronique des atomes voisins. Par conséquent, le moment magnétique des atomes dans un cristal est différent de celui d'un seul atome isolé. Par exemple, le fer, le cobalt et le nickel sont connus comme des métaux de transition 3D. Dans un cristal, les électrons de certains atomes deviennent des électrons publics d'atomes adjacents, provoquant un changement dans la structure électronique des atomes. Certains moments magnétiques orbitaux sont gelés, ne laissant que le moment magnétique de spin contribuant au moment magnétique atomique dans le cristal. En conséquence, le moment magnétique des atomes dans le cristal s'écarte de la valeur théorique. Nous savons déjà d'après le contenu précédent que toutes les choses dans l'univers ont du magnétisme, et que le magnétisme provient principalement du magnétisme atomique. En raison des différents moments magnétiques des différents atomes, l'interaction entre les moments magnétiques atomiques dans les substances macroscopiques est provoquée. La disposition des moments magnétiques atomiques à température ambiante est différente. Nous divisons les substances macroscopiques en substances paramagnétiques, substances diamagnétiques, substances ferromagnétiques, substances sous-ferromagnétiques et substances antiferromagnétiques en fonction de leurs propriétés magnétiques, y compris les trois caractéristiques suivantes. 1. Le magnétisme macroscopique d'une substance est apporté par les moments magnétiques de ses atomes ou molécules constitutifs. Nous désignons le moment magnétique total d'un matériau par unité de volume par le terme de magnétisation, noté M et mesuré en A/m. Si le volume d'une substance est V, qu'elle possède n atomes et que le moment magnétique de chaque atome est μ J, alors M=μ J1+μ J2+...+μ Jn, c'est-à-dire M=∑ μ J/v. 2. La courbe de magnétisation (courbe M~H) de l'intensité de magnétisation : Lorsque le champ magnétique externe est nul, les moments magnétiques atomiques peuvent être disposés de manière aléatoire. Cependant, lorsque nous appliquons un champ magnétique externe non nul, chaque moment magnétique atomique peut tourner dans la direction du champ magnétique externe,et l'intensité de magnétisation M de la substance change. La courbe de relation entre l'intensité de magnétisation M et le champ magnétique externe H est appelée courbe de magnétisation, abrégée en courbe de magnétisation M~H. Les courbes de magnétisation de différentes substances sont également différentes.
3. Susceptibilité magnétique x2
Sur la courbe de magnétisation M~H, le rapport entre M et H en tout point est appelé susceptibilité magnétique, représentée par chi. χ=M/H , L'unité de M est A/m, L'unité de H est également A/m, il s'agit donc d'une susceptibilité magnétique relative et n'a pas d'unité. Nous utilisons la taille et la disposition des moments magnétiques atomiques, la forme de la courbe de magnétisation M~H et des paramètres tels que la susceptibilité magnétique pour décrire le magnétisme des substances et les classer.
Les substances paramagnétiques sont des substances qui peuvent magnétiser selon la direction du champ magnétique lorsqu'elles sont rapprochées de celui-ci, mais elles sont très faibles et ne peuvent être mesurées qu'avec des instruments de précision ; si le champ magnétique externe est supprimé, le champ magnétique interne reviendra également à zéro, ce qui entraînera son absence de magnétisme. Comme l'aluminium, l'oxygène, etc. Chaque atome des matériaux paramagnétiques a un moment magnétique, ce qui confère aux matériaux paramagnétiques un moment magnétique atomique inhérent ; il n'y a pas d'interaction entre les atomes adjacents dans les matériaux paramagnétiques, donc à température ambiante, les moments magnétiques atomiques sont disposés de manière aléatoire et la valeur de projection du moment magnétique atomique μ J dans n'importe quelle direction est nulle. Lorsqu'elles sont soumises à un champ magnétique externe H, le moment magnétique atomique de ces substances ne peut tourner que d'un très petit angle dans la direction du champ magnétique externe, et leur force de magnétisation augmente lentement avec l'augmentation du champ magnétique externe. Sa susceptibilité magnétique est supérieure à 0, avec une valeur généralement comprise entre 10-5 et 10-3. Pour aligner complètement les moments magnétiques atomiques des substances paramagnétiques dans la direction du champ magnétique externe, on estime qu'une intensité de champ magnétique externe de 109-1010 A/m est nécessaire, ce qui est actuellement difficile à atteindre avec des champs magnétiques artificiels. Les substances antimagnétiques sont des substances à susceptibilité magnétique négative, ce qui signifie que la direction du champ magnétique après magnétisation est opposée à la direction du champ magnétique externe. Tous les composés organiques ont un diamagnétisme, comme le graphite, le plomb, l'eau, etc. La projection du moment magnétique orbital atomique et du moment magnétique de spin des substances diamagnétiques dans un champ magnétique est nulle, ce qui signifie que les substances diamagnétiques n'ont pas de moment magnétique atomique net. Cependant, sous l'action d'un champ magnétique externe, l'orbitale électronique va générer un moment magnétique supplémentaire induit, et ce moment magnétique induit est de direction opposée au champ magnétique externe, ce qui entraîne un magnétisme négatif. La direction de magnétisation des substances diamagnétiques est négative, opposée au champ magnétique externe, et sa valeur absolue augmente linéairement avec l'augmentation du champ magnétique externe. Une substance ferromagnétique est une substance qui peut conserver son état magnétique même lorsque le champ magnétique externe disparaît après avoir été magnétisée par un champ magnétique externe. Jusqu'à présent, 83 éléments métalliques ont été découverts, dont 4 sont des éléments ferromagnétiques au-dessus de la température ambiante, à savoir le fer, le cobalt, le nickel et le gadolinium ; À des températures extrêmement basses, cinq éléments peuvent se transformer en éléments ferromagnétiques, à savoir le terbium, le dysprosium, l'holmium, l'erbium et le thulium. Dans les matériaux ferromagnétiques, les atomes ont des moments magnétiques atomiques inhérents et certains électrons sont partagés.Les moments magnétiques de spin des atomes adjacents sont disposés parallèlement les uns aux autres dans la même direction (également connu sous le nom de magnétisation spontanée). La courbe de magnétisation M~H des matériaux ferromagnétiques est non linéaire et la susceptibilité magnétique x varie avec le champ magnétique. La susceptibilité magnétique x des matériaux ferromagnétiques est très grande, atteignant jusqu'à 105~107. Substance antiferromagnétique
Français Il ne génère pas de champ magnétique et cette substance est relativement rare. De nouvelles substances antiferromagnétiques sont encore en cours de découverte. La plupart des matériaux antiferromagnétiques n'existent qu'à basse température et, en supposant que la température dépasse une certaine valeur, ils deviennent généralement paramagnétiques. Par exemple, le chrome, le manganèse, etc. ont tous des propriétés antiferromagnétiques. Les atomes des matériaux antiferromagnétiques ont également des moments magnétiques atomiques inhérents, certains électrons étant partagés, mais les atomes adjacents ayant des moments magnétiques opposés (également appelés ordre antiferromagnétique). La courbe de magnétisation M~H des matériaux ferromagnétiques est linéaire, avec un taux de magnétisation de χ>0 et une valeur d'environ 10-4~10-5, ce qui est très petit et constant. Cela signifie que lorsque les matériaux antiferromagnétiques sont magnétisés dans un champ magnétique externe, leur moment magnétique atomique change très peu avec le champ magnétique externe, comme les matériaux paramagnétiques, et appartient au magnétisme faible. La susceptibilité magnétique des matériaux antiferromagnétiques varie avec la température, comme le montre la figure ci-dessous, où Tn est appelé température de Niel. Le magnétisme macroscopique des matériaux ferromagnétiques est le même que celui du ferromagnétisme, à l'exception du fait que leur susceptibilité magnétique est plus faible (avec une susceptibilité de 102~105). Les matériaux ferromagnétiques typiques, tels que les ferrites, diffèrent le plus significativement des matériaux ferromagnétiques par leur structure magnétique interne (agencement des moments magnétiques). Les moments magnétiques atomiques des matériaux ferromagnétiques ne sont pas nuls, et il existe un échange indirect ou échange RKKY entre les moments magnétiques atomiques adjacents, ce qui entraîne l'agencement parallèle inverse des moments magnétiques atomiques des sous-réseaux adjacents, mais les moments magnétiques atomiques des sous-réseaux adjacents sont de tailles différentes (comme le montre la figure ci-dessus). Ce phénomène est également connu sous le nom d'ordre ferromagnétique ou de magnétisation spontanée ferromagnétique. La courbe de magnétisation M~H des matériaux ferromagnétiques est non linéaire, similaire à celle des matériaux ferromagnétiques, à l'exception d'une susceptibilité magnétique légèrement inférieure, mais appartient toujours au magnétisme fort.