Pourquoi les aimants n'ont aucun effet sur certains métaux

Le magnétisme et l'électricité sont si intimement liés que vous pourriez même les considérer comme les deux faces d'une même pièce. Les propriétés magnétiques présentées par certains métaux sont le résultat des conditions de champ électrostatique dans les atomes qui composent le métal.

En fait, tous les éléments ont des propriétés magnétiques, mais la plupart ne les manifestent pas de manière évidente. Les métaux qui sont attirés par les aimants ont une chose en commun, ce sont les électrons non appariés dans leurs enveloppes externes. Ce n'est qu'une recette électrostatique du magnétisme, et c'est la plus importante.

Les métaux que vous pouvez magnétiser en permanence sont appelésferromagnétiquemétaux, et la liste de ces métaux est petite. Le nom vient deferrum, le mot latin pour fer.​

Il existe une liste beaucoup plus longue de matériaux qui sontparamagnétique, ce qui signifie qu'ils deviennent temporairement magnétisés lorsqu'ils sont en présence d'un champ magnétique. Les matériaux paramagnétiques ne sont pas tous des métaux. Certains composés covalents, tels que l'oxygène (O

Tous les matériaux qui ne sont pas ferromagnétiques ou paramagnétiques sontdiamagnétique, ce qui signifie qu'ils présentent une légère répulsion aux champs magnétiques et qu'un aimant ordinaire ne les attire pas. En fait, tous les éléments et composés sont diamagnétiques dans une certaine mesure.

Pour comprendre les différences entre ces trois classes de magnétisme, il faut regarder ce qui se passe au niveau atomique.

Dans le modèle de l'atome actuellement accepté, le noyau est constitué de protons chargés positivement et neutrons électriquement neutres maintenus ensemble par la force forte, l'une des forces fondamentales de nature. Un nuage d'électrons chargés négativement occupant des niveaux d'énergie discrets, ou coquilles, entoure le noyau, et c'est ce qui confère des qualités magnétiques.

Un électron en orbite génère un champ électrique changeant, et selon les équations de Maxwell, c'est la recette d'un champ magnétique.L'amplitude du champ est égale à la surface à l'intérieur de l'orbite multipliée par le courant.Un électron individuel génère un petit courant, et le champ magnétique résultant, qui est mesuré en unités appeléesmagnétons de Bohr, est également minuscule. Dans un atome typique, les champs générés par tous ses électrons en orbite s'annulent généralement.

Ce n'est pas seulement le mouvement en orbite d'un électron qui crée une charge, mais aussi une autre propriété connue sous le nom detourner. Il s'avère que le spin est beaucoup plus important pour déterminer les propriétés magnétiques que le mouvement orbital, parce que le spin global d'un atome est plus susceptible d'être asymétrique et capable de créer un moment.

Vous pouvez considérer le spin comme le sens de rotation d'un électron, bien que ce ne soit qu'une approximation grossière. Le spin est une propriété intrinsèque des électrons, pas un état de mouvement. Un électron qui tourne dans le sens des aiguilles d'une montre arotation positive, ou tourner, tandis que celui qui tourne dans le sens antihoraire arotation négative, ou tourner vers le bas.

Le spin des électrons est une propriété de la mécanique quantique sans analogie classique, et il détermine le placement des électrons autour du noyau. Les électrons s'organisent en paires de spin-up et de spin-down dans chaque coquille de manière à créer un réseau nulmoment magnétique​.

Les électrons responsables de la création des propriétés magnétiques sont ceux situés le plus à l'extérieur, ouvalence, coquilles de l'atome. En général, la présence d'un électron non apparié dans l'enveloppe externe d'un atome crée un moment magnétique net et confère des propriétés magnétiques, tandis que les atomes avec des électrons appariés dans la couche externe n'ont pas de charge nette et sont diamagnétique. C'est une simplification excessive, car les électrons de valence peuvent occuper des couches d'énergie inférieure dans certains éléments, en particulier le fer (Fe).

Les boucles de courant créées par les électrons en orbite rendent chaque matériau diamagnétique, car lorsqu'un champ magnétique est appliqué, les boucles de courant s'alignent toutes en opposition avec lui et s'opposent au champ. Il s'agit d'une application deLa loi de Lenz, qui stipule qu'un champ magnétique induit s'oppose au champ qui le crée. Si le spin des électrons n'entrait pas dans l'équation, ce serait la fin de l'histoire, mais le spin y entre.

Le totalmoment magnétique J​d'un atome est la somme de sesmoment angulaire orbitalet sonmoment angulaire de rotation. LorsqueJ= 0, l'atome est non magnétique, et quandJ≠ 0, l'atome est magnétique, ce qui se produit lorsqu'il y a au moins un électron non apparié.

Par conséquent, tout atome ou composé avec des orbitales complètement remplies est diamagnétique. L'hélium et tous les gaz nobles en sont des exemples évidents, mais certains métaux sont également diamagnétiques. Voici quelques exemples:

• Zinc
• Mercure
• Étain
• Tellure
• Or
• Argent
• Cuivre

Le diamagnétisme n'est pas le résultat net de certains atomes d'une substance entraînés dans un sens par un champ magnétique et d'autres dans une autre direction. Chaque atome d'un matériau diamagnétique est diamagnétique et subit la même faible répulsion vis-à-vis d'un champ magnétique externe. Cette répulsion peut créer des effets intéressants. Si vous suspendez une barre d'un matériau diamagnétique, tel que l'or, dans un champ magnétique puissant, elle s'alignera perpendiculairement au champ.

Si au moins un électron dans l'enveloppe externe d'un atome n'est pas apparié, l'atome a un moment magnétique net et il s'alignera sur un champ magnétique externe. Dans la plupart des cas, l'alignement est perdu lorsque le champ est supprimé. Il s'agit d'un comportement paramagnétique, et les composés peuvent le présenter ainsi que des éléments.

Certains des métaux paramagnétiques les plus courants sont :

• Magnésium
• Aluminium
• Tungstène
• Platine

Certains métaux sont si faiblement paramagnétiques que leur réponse à un champ magnétique est à peine perceptible. Les atomes s'alignent avec un champ magnétique, mais l'alignement est si faible qu'un aimant ordinaire ne l'attire pas.

Vous ne pouviez pas ramasser le métal avec un aimant permanent, peu importe à quel point vous essayiez. Cependant, vous seriez en mesure de mesurer le champ magnétique généré dans le métal si vous disposiez d'un instrument suffisamment sensible. Lorsqu'elle est placée dans un champ magnétique d'intensité suffisante, une barre d'un métal paramagnétique s'alignera parallèlement au champ.

Lorsque vous pensez à une substance ayant des caractéristiques magnétiques, vous pensez généralement à un métal, mais quelques non-métaux, tels que le calcium et l'oxygène, sont également paramagnétiques. Vous pouvez démontrer la nature paramagnétique de l'oxygène par vous-même avec une expérience simple.

Versez de l'oxygène liquide entre les pôles d'un puissant électro-aimant, et l'oxygène s'accumulera sur les pôles et se vaporisera, produisant un nuage de gaz. Essayez la même expérience avec de l'azote liquide, qui n'est pas paramagnétique, et rien ne se passera.

Certains éléments magnétiques sont si sensibles aux champs externes qu'ils deviennent magnétisés lorsqu'ils y sont exposés, et ils conservent leurs caractéristiques magnétiques lorsque le champ est supprimé. Ces éléments ferromagnétiques comprennent :

• Le fer
• Nickel
• Cobalt
• Gadolinium
• Ruthénium

Ces éléments sont ferromagnétiques car les atomes individuels ont plus d'un électron non apparié dans leurs couches orbitales. mais il se passe autre chose aussi. Les atomes de ces éléments forment des groupes appelésdomaines, et lorsque vous introduisez un champ magnétique, les domaines s'alignent sur le champ et restent alignés, même après avoir supprimé le champ. Cette réponse différée est appeléehystérésis,et cela peut durer des années.

Certains des aimants permanents les plus puissants sont connus sous le nom deaimants de terres rares. Deux des plus courants sontnéodymedes aimants, qui consistent en une combinaison de néodyme, de fer et de bore, etsamarium cobaltaimants, qui sont une combinaison de ces deux éléments. Dans chaque type d'aimant, un matériau ferromagnétique (fer, cobalt) est renforcé par une terre rare paramagnétique.

​Ferritedes aimants, qui sont en fer, etalnicoles aimants, qui sont fabriqués à partir d'une combinaison d'aluminium, de nickel et de cobalt, sont généralement plus faibles que les aimants de terres rares. Cela les rend plus sûrs à utiliser et plus adaptés aux expériences scientifiques.

Chaque matériau magnétique a une température caractéristique au-dessus de laquelle il commence à perdre ses caractéristiques magnétiques. Ceci est connu comme lePoint de Curie, du nom de Pierre Curie, le physicien français qui a découvert les lois qui relient la capacité magnétique à la température. Au-dessus du point de Curie, les atomes d'un matériau ferromagnétique commencent à perdre leur alignement et le matériau devient paramagnétique ou, si la température est suffisamment élevée, diamagnétique.

Le point de Curie pour le fer est de 1418 F (770 C) et pour le cobalt, de 2 050 F (1 121 C), ce qui est l'un des points de Curie les plus élevés. Lorsque la température descend en dessous de son point de Curie, le matériau retrouve ses caractéristiques ferromagnétiques.

La magnétite, également connue sous le nom de minerai de fer ou d'oxyde de fer, est le minéral gris-noir de formule chimique Fe₃O₄ c'est la matière première de l'acier. Il se comporte comme un matériau ferromagnétique, devenant magnétisé en permanence lorsqu'il est exposé à un champ magnétique externe. Jusqu'au milieu du vingtième siècle, tout le monde supposait qu'il était ferromagnétique, mais c'est en faitferrimagnétique, et il y a une différence significative.

Le ferrimagnétisme de la magnétite n'est pas la somme des moments magnétiques de tous les atomes du matériau, ce qui serait vrai si le minéral était ferromagnétique. C'est une conséquence de la structure cristalline du minéral lui-même.

La magnétite se compose de deux structures de réseau distinctes, une octaédrique et une tétraédrique. Les deux structures ont des polarités opposées mais inégales, et l'effet est de produire un moment magnétique net. D'autres composés ferrimagnétiques connus comprennent le grenat de fer yttrium et la pyrrhotite.

Au-dessous d'une certaine température, appeléeTempérature de Néeld'après le physicien français Louis Néel, certains métaux, alliages et solides ioniques perdent leurs qualités paramagnétiques et deviennent insensibles aux champs magnétiques externes. Ils se démagnétisent essentiellement. Cela se produit parce que les ions dans la structure en treillis du matériau s'alignent dans des arrangements antiparallèles dans toute la structure, créant des champs magnétiques opposés qui s'annulent.

Les températures de Néel peuvent être très basses, de l'ordre de -150 C (-240 F), rendant les composés paramagnétiques à toutes fins pratiques. Cependant, certains composés ont des températures de Néel dans la plage de température ambiante ou au-dessus.

A très basse température, les matériaux antiferromagnétiques ne présentent aucun comportement magnétique. À mesure que la température augmente, certains atomes se libèrent de la structure en réseau et s'alignent avec le champ magnétique, et le matériau devient faiblement magnétique. Lorsque la température atteint la température de Néel, ce paramagnétisme atteint son maximum, mais au fur et à mesure que la température s'élève au-delà de cette point, l'agitation thermique empêche les atomes de maintenir leur alignement avec le champ, et le magnétisme diminue régulièrement désactivé.

Peu d'éléments sont antiferromagnétiques - seulement le chrome et le manganèse. Les composés antiferromagnétiques comprennent l'oxyde de manganèse (MnO), certaines formes d'oxyde de fer (Fe₂O₃) et ferrite de bismuth (BiFeO₃).