Les espèces paramagnétiques sont partout. Dans le bon cadre et exprimée sur un ton bien sombre, cette phrase pourrait invoquer des images d'étranges envahisseurs extraterrestres se déchaînant dans le monde entier. Au lieu de cela, il s'agit d'une déclaration de base sur une certaine qualité partagée par un ensemble bien défini de particules sur et autour de la Terre, et défini à l'aide de critères objectifs et facilement déterminés.
Vous avez sans doute utilisé des aimants dans votre vie, et dans la plupart des cas, vous avez opéré dans un champ magnétique non négligeable, vous n'en avez pas été conscient. Vous savez peut-être même que certains matériaux fonctionnent comme des aimants permanents et que ceux-ci peuvent attirer des métaux même si ces métaux ne sont apparemment pas eux-mêmes des aimants. Ou sont-ils?
Il se trouve que le monde de la physique, en particulier la sous-discipline de l'électromagnétisme, comprend une variété de types de magnétisme. L'un d'eux est paramagnétisme, et c'est une propriété qui est souvent facilement vérifiée à vue, car les matériaux paramagnétiques sont attirés par un champ magnétique appliqué de l'extérieur. Mais comment cela se produit-il et d'où viennent les "champs" magnétiques, de toute façon? La chance d'apprendre tout cela et plus devrait vous pousser fortement à continuer à lire !
Qu'est-ce que le magnétisme ?
À la fin des années 1700, il a été observé qu'une aiguille de boussole, qui pointe vers le nord en raison du champ magnétique terrestre, peut être déviée par la présence d'un courant électrique à proximité.
C'est la première preuve connue que l'électricité et le magnétisme étaient liés d'une manière ou d'une autre. En effet, les charges en mouvement (c'est la définition du courant électrique) génèrent des champs magnétiques avec des "lignes" dépendant de la géométrie du circuit électrique.
Lorsqu'un fil porteur de courant est enroulé ou enroulé plusieurs fois autour de certains types de métal, cela peut induire la propriété du magnétisme dans ces métaux, au moins pendant que le courant est en cours appliqué. Certains d'entre eux sont utilisés dans des endroits comme les parcs à ferraille et sont suffisamment puissants pour soulever des automobiles entières.
L'interaction du courant électrique et des champs magnétiques est un sujet qui peut remplir et remplit des manuels entiers, mais pour l'instant, vous devez savoir que la raison pour laquelle certains matériaux réagissent différemment aux champs magnétiques que d'autres a à voir avec les propriétés des électrons dans la couche d'énergie la plus élevée ("la plus externe") des atomes dans ces matériaux.
La magnétisation des solides
Si une substance solide est placée dans un champ magnétique appliqué, vous pouvez vous attendre à ce que le comportement des molécules de la substance dépende dans une certaine mesure de l'état du matériau. C'est un gaz, qui a des molécules qui se déplacent assez librement, et un liquide, dans lequel les molécules restent ensemble mais sont libres de glisser les unes sur les autres, pourrait se comporter différemment d'un solide, dont les molécules sont verrouillées en place, généralement dans une structure de type treillis.
Si vous imaginez la structure cristalline de base d'un solide (et la nature de ce motif répétitif peut varier d'une substance à l'autre), vous pouvez imaginer les noyaux des atomes étant au centre des cubes, les électrons occupant des espaces entre les deux, libres de vibrer et, dans le cas des solides métalliques, libres de se déplacer sans être enchaînés à leur parent noyaux.
Lorsque les électrons d'un solide font de la substance un aimant permanent ou qui peut être transformé en un tel aimant, la substance est appelée ferromagnétique (du latin fer, signifiant fer). En plus du fer, les éléments cobalt, nickel et gadolinium sont ferromagnétiques.
La plupart des substances, cependant, présentent d'autres réponses aux champs magnétiques, rendant la plupart des atomes paramagnétiques ou diamagnétiques. Ces propriétés peuvent être trouvées à différents degrés dans les mêmes matériaux, et des facteurs tels que la température peuvent affecter la réponse d'un matériau aux champs magnétiques appliqués.
Comparaison du diamagnétisme, du paramagnétisme et du ferromagnétisme
Considérez trois amis différents que vous avez choisis comme candidats pour tester votre nouvelle application de jeu scientifique.
L'une d'elles ne répond à vos envies d'essayer qu'en devenant plus résistante qu'elle ne l'était au jeu au départ. Le second accepte d'installer l'application et de jouer, mais arrête rapidement de jouer et désinstalle l'application chaque fois que vous le laissez seul, pour la réinstaller et continuer à jouer chaque fois que vous réapparaissez; et le troisième ami devient immédiatement accro à l'application et jamais cesse de l'utiliser.
C'est grosso modo comment les trois types de magnétisme dont vous êtes le plus susceptible d'entendre parler à la fête de bureau fonctionnent les uns par rapport aux autres. Alors que le ferromagnétisme, déjà décrit, est un état de magnétisme permanent, comment cela se produit-il et quelles sont les alternatives ?
Il se trouve qu'il existe quatre alternatives bien comprises au ferromagnétisme. Le paramagnétisme, encore une fois, est la propriété d'être attiré par un champ magnétique et s'applique à une large gamme de métaux, y compris la plupart des réfrigérateurs modernes. Le diamagnétisme est le contraire, une tendance à être repoussé par un champ magnétique. Tous les matériaux présentent un certain degré de diamagnétisme. Dans les deux cas, de manière critique, le matériau revient à son état antérieur lorsque le champ est supprimé.
- À haute voix, le « ferromagnétisme » et le « paramagnétisme » se ressemblent beaucoup, alors soyez prudent lorsque vous discutez de ces sujets dans votre groupe d'étude de physique.
Ferrimagnétisme et antiferromagnétisme sont des types de magnétisme moins courants. Les matériaux ferrimagnétiques se comportent un peu comme les matériaux ferromagnétiques et comprennent la jacobsite et la magnétite. L'hématite et la troilite sont deux composés qui démontrent un antiferromagnétisme, où aucun moment magnétique n'est généré.
Caractéristiques des composés paramagnétiques et des atomes
Les éléments paramagnétiques et les molécules paramagnétiques partagent un trait principal et c'est d'avoir électrons non appariés. Plus il y en a, plus l'atome ou la molécule est susceptible de montrer du paramagnétisme. En effet, ces électrons s'alignent de manière fixe avec l'orientation d'un champ magnétique appliqué, créant ce qu'on appelle des moments dipolaires magnétiques autour de chaque atome ou molécule.
Si vous connaissez les règles de "remplissage" d'électrons, vous savez que les orbitales à l'intérieur des sous-couches peuvent contenir deux électrons chacun, et qu'il y en a un pour une sous-couche s, trois pour une sous-couche p et cinq pour une d sous-shell. Cela permet une capacité de deux, six et 10 électrons dans chaque sous-couche, mais ceux-ci se rempliront de sorte que chaque orbitale ne contient qu'un électron aussi longtemps que possible jusqu'à ce que l'électron qui y soit doive accueillir un voisin.
Cela signifie que vous pouvez utiliser les informations d'un tableau périodique des éléments pour déterminer si un matériau sera paramagnétique et, heureusement, si il sera faiblement paramagnétique (comme dans Cl, qui a un électron non apparié) ou fortement paramagnétique (comme le platine, qui a deux électrons non appariés).
Liste des atomes et molécules diamagnétiques et paramagnétiques
Une façon de quantifier le magnétisme consiste à utiliser le paramètre appelé susceptibilité magnétique χm, qui est une quantité sans dimension reliant la réponse d'un matériau à un champ magnétique appliqué. L'oxyde de fer, FeO, a une valeur très élevée de 720.
D'autres matériaux considérés comme fortement paramagnétiques comprennent le fer, l'alun d'ammonium (66), l'uranium (40), le platine (26), tungstène (6,8), césium (5,1), aluminium (2,2), lithium (1,4) et magnésium (1,2), sodium (0,72) et oxygène gazeux (0.19).
Ces valeurs varient largement et celle de l'oxygène gazeux peut sembler modeste, mais certains matériaux paramagnétiques présentent des valeurs bien inférieures à celles énumérées ci-dessus. La plupart des solides à température ambiante ont χm valeurs inférieures à 0,00001, ou 1 x 10-5.
La susceptibilité, comme on peut s'y attendre, est donnée comme une valeur négative lorsque le matériau est diamagnétique. Les exemples incluent l'ammoniac (−.26) le bismuth (−16,6) le mercure (−2.9) et le carbone dans le diamant (−2.1).