Propriétés magnétiques de la matière. Perméabilité magnétique. Aimants et propriétés magnétiques de la matière Etude des propriétés magnétiques de la matière

Ministère de l'Éducation et des Sciences de la République du Kazakhstan

Université d'État de Kostanay nommée d'après. Akhmeta Baitursynov

Résumé sur le sujet :

"Propriétés magnétiques de la matière"

Complété par : élève du groupe 08-101-31

Spécialités 050718

Litvinenko R.V.

Vérifié par : Sapa V.Yu.

Kostanaï 2009-2010.

Plan.

1) Classification des substances selon leurs propriétés magnétiques.

2) Classification des matériaux magnétiques.

3) Exigences de base pour les matériaux.

4) Ferromagnétiques.

5) Diamagnétiques et para-aimants dans un champ magnétique.

6) Littérature.

Classification des substances par propriétés magnétiques

Selon la réaction à un champ magnétique externe et la nature de l'ordre magnétique interne, toutes les substances dans la nature peuvent être divisées en cinq groupes : diamagnétiques, paramagnétiques, ferromagnétiques, antiferromagnétiques et ferrimagnétiques. Les types d'aimants répertoriés correspondent à cinq types différents d'états magnétiques de la matière : diamagnétisme, paramagnétisme, ferromagnétisme, antiferromagnétisme et ferrimagnétisme.

Les diamagnétiques comprennent des substances dont la susceptibilité magnétique est négative et ne dépend pas de la force du champ magnétique externe. Les diamagnétiques comprennent les gaz inertes, l'hydrogène, l'azote, de nombreux liquides (eau, pétrole et ses dérivés), de nombreux métaux (cuivre, argent, or, zinc, mercure, gallium, etc.), la plupart des semi-conducteurs (silicium, germanium, composés A3). B 5, A 2 B 6) et composés organiques, cristaux d'halogénures alcalins, verres inorganiques, etc. Les diamagnétiques sont toutes des substances avec une liaison chimique covalente et des substances dans un état supraconducteur.

Les substances paramagnétiques comprennent les substances à susceptibilité magnétique positive, indépendante de la force du champ magnétique externe. Les matériaux paramagnétiques comprennent l'oxygène, l'oxyde d'azote, les métaux alcalins et alcalino-terreux, certains métaux de transition, les sels de fer, le cobalt, le nickel et les terres rares.

Les ferromagnétiques comprennent des substances à susceptibilité magnétique positive élevée (jusqu'à 10 6), qui dépend fortement de l'intensité du champ magnétique et de la température.

Les antiferromagnétiques sont des substances dans lesquelles, en dessous d'une certaine température, apparaît spontanément une orientation antiparallèle des moments magnétiques élémentaires d'atomes ou d'ions identiques du réseau cristallin. Lorsqu'il est chauffé, un antiferromagnétique subit une transition de phase vers un état paramagnétique. L'antiferromagnétisme a été trouvé dans le chrome, le manganèse et un certain nombre d'éléments de terres rares (Ce, Nd, Sm, Tm, etc.). Les antiferromagnétiques typiques sont les composés chimiques les plus simples à base de métaux du groupe de transition tels que les oxydes, les halogénures, les sulfures, les carbonates, etc.

Les ferrimagnétiques comprennent des substances dont les propriétés magnétiques sont dues à un antiferromagnétisme non compensé. Comme les ferromagnétiques, ils ont une susceptibilité magnétique élevée, qui dépend largement de l'intensité du champ magnétique et de la température. Parallèlement à cela, les ferrimagnétiques se caractérisent par un certain nombre de différences significatives par rapport aux matériaux ferromagnétiques.

Certains alliages métalliques ordonnés ont des propriétés ferrimagnétiques, mais principalement divers composés d'oxydes, parmi lesquels les ferrites présentent le plus grand intérêt pratique.

Classification des matériaux magnétiques

Les matériaux magnétiques utilisés en technologie électronique sont divisés en deux groupes principaux : magnétique dur Et magnétique doux. Les matériaux sont inclus dans un groupe distinct but spécial .

À magnétique dur inclure des matériaux avec une force coercitive N s élevée. Ils sont magnétisés uniquement dans des champs magnétiques très puissants et sont utilisés pour fabriquer des aimants permanents.

À magnétique doux inclure des matériaux à faible force coercitive et à haute perméabilité magnétique. Ils ont la capacité d'être magnétisés jusqu'à saturation dans des champs magnétiques faibles et se caractérisent par une boucle d'hystérésis étroite et de faibles pertes d'inversion de magnétisation. Les matériaux magnétiques doux sont principalement utilisés comme divers noyaux magnétiques : noyaux d'inducteurs, transformateurs, électro-aimants, systèmes magnétiques d'instruments de mesure électriques, etc.

Les matériaux magnétiques conditionnellement doux sont considérés comme ayant H avec< 800 А/м, а магнитотвердыми - с Н с >4 kA/m. Il convient toutefois de noter que dans les meilleurs matériaux magnétiques doux, la force coercitive peut être inférieure à 1 A/m et que dans les meilleurs matériaux magnétiques durs, sa valeur dépasse 500 kA/m. En termes d'échelle d'application en technologie électronique, les matériaux à usage spécial comprennent les matériaux dotés d'une boucle d'hystérésis rectangulaire (RHL), les ferrites pour les appareils à micro-ondes et les matériaux magnétostrictifs.

Au sein de chaque groupe, la division des matériaux magnétiques en genres et types reflète les différences dans leur structure et leur composition chimique, prend en compte les caractéristiques technologiques et certaines propriétés spécifiques.

Les propriétés des matériaux magnétiques sont déterminées par la forme de la courbe de magnétisation et de la boucle d'hystérésis. Des matériaux magnétiques doux sont utilisés pour obtenir des valeurs de flux magnétique élevées. L'ampleur du flux magnétique est limitée par la saturation magnétique du matériau et, par conséquent, la principale exigence des matériaux magnétiques dans l'électrotechnique et l'électronique à courant élevé est une induction à saturation élevée. Les propriétés des matériaux magnétiques dépendent de leur composition chimique, de la pureté des matières premières utilisées et de la technologie de production. Selon les matières premières et la technologie de production, les matériaux magnétiques doux sont divisés en trois groupes : les matériaux métalliques monolithiques, les matériaux métalliques en poudre (magnétodiélectriques) et les matériaux magnétiques oxydés, brièvement appelés ferrites.

Exigences de base pour les matériaux

En plus d'une perméabilité magnétique élevée et d'une faible force coercitive, les matériaux magnétiques doux doivent avoir une induction de saturation élevée, c'est-à-dire faire passer le flux magnétique maximum à travers une section transversale donnée du circuit magnétique. Le respect de cette exigence permet de réduire l'encombrement et le poids du système magnétique.

Le matériau magnétique utilisé dans des champs alternatifs devrait avoir des pertes d'inversion de magnétisation éventuellement inférieures, qui consistent principalement en pertes dues à l'hystérésis et aux courants de Foucault.

Pour réduire les pertes par courants de Foucault dans les transformateurs, des matériaux magnétiques doux à résistivité accrue sont sélectionnés. Généralement, les noyaux magnétiques sont assemblés à partir de feuilles minces distinctes, isolées les unes des autres. Les noyaux de ruban enroulés à partir d'un ruban mince avec une isolation entre spires en vernis diélectrique sont largement utilisés. Les matériaux en feuilles et en bandes doivent avoir une plasticité élevée, ce qui facilite le processus de fabrication de produits à partir de ceux-ci.

Une exigence importante pour les matériaux magnétiques doux est de garantir la stabilité de leurs propriétés, tant dans le temps que par rapport aux influences externes, telles que la température et les contraintes mécaniques. De toutes les caractéristiques magnétiques, la perméabilité magnétique (en particulier dans les champs faibles) et la force coercitive sont sujettes aux changements les plus importants lors du fonctionnement d'un matériau.

Ferromagnétiques.

La division des substances en dia-, para- et ferromagnétiques est en grande partie conditionnelle, car les deux premiers types de substances diffèrent par leurs propriétés magnétiques du vide de moins de 0,05 %. En pratique, toutes les substances sont généralement divisées en ferromagnétiques (ferromagnétiques) et non ferromagnétiques, pour lesquelles la perméabilité magnétique relative m peut être prise égale à 1,0.

Les matériaux ferromagnétiques comprennent le fer, le cobalt, le nickel et leurs alliages. Ils ont une perméabilité magnétique qui dépasse de plusieurs milliers de fois la perméabilité du vide. Par conséquent, tous les appareils électriques qui utilisent des champs magnétiques pour convertir l'énergie doivent avoir éléments structurels en matériau ferromagnétique et conçus pour conduire le flux magnétique . De tels éléments sont appelés noyaux magnétiques .

En plus d'une perméabilité magnétique élevée, les ferromagnétiques ont une dépendance non linéaire fortement prononcée à l'induction B sur l'intensité du champ magnétique H, et lors de l'inversion de l'aimantation, la connexion entre B Et H devient ambigu. Les fonctions B (H) revêtent une importance particulière car Ce n'est qu'avec leur aide qu'il sera possible d'étudier les processus électromagnétiques dans des circuits contenant des éléments dans lesquels le flux magnétique passe dans un milieu ferromagnétique. Ces fonctions sont de deux types : courbes de magnétisation et boucles d'hystérésis .

Considérons le processus d'inversion de magnétisation d'un ferromagnétique. Laissez-le d'abord être complètement démagnétisé. Au début, l'induction augmente rapidement du fait que les dipôles magnétiques sont orientés le long des lignes de champ, ajoutant leur propre flux magnétique au flux magnétique externe. Ensuite, sa croissance ralentit à mesure que le nombre de dipôles non orientés diminue et, enfin, lorsque presque tous sont orientés le long du champ externe, la croissance de l'induction s'arrête et le régime commence saturation (Fig. 1).

Si, au cours du processus de magnétisation, l'intensité du champ est portée à une certaine valeur puis commence à diminuer, alors la diminution de l'induction se produira plus lentement que pendant la magnétisation et la nouvelle courbe sera différente de celle d'origine. La courbe des changements d'induction avec l'augmentation de l'intensité du champ pour une substance précédemment complètement démagnétisée est appelée courbe de magnétisation initiale . En figue. 1, il est représenté par un trait épais.

Après plusieurs (environ 10) cycles de changement de tension de valeurs maximales positives à négatives, la dépendance B =F (H) va commencer à se répéter et prendre l’aspect caractéristique d’une courbe fermée symétrique, appelée boucle d'hystérésis . L'hystérésis est le décalage entre le changement d'induction et l'intensité du champ magnétique. . Le phénomène d'hystérésis est caractéristique en général de tous les processus dans lesquels il existe une dépendance d'une quantité à l'égard de la valeur d'une autre, non seulement dans l'état actuel, mais aussi dans l'état précédent, c'est-à-dire B 2 =F (H 2 ,H 1) - où H 2 et H 1 - valeurs de tension actuelles et précédentes, respectivement.

Des boucles d'hystérésis peuvent être obtenues à différentes valeurs de l'intensité de champ externe maximale H m(Fig.2). Le lieu géométrique des points sommets des cycles d’hystérésis symétriques est appelé courbe de magnétisation principale . La courbe d'aimantation principale coïncide pratiquement avec la courbe initiale.

Boucle d'hystérésis symétrique obtenue à l'intensité de champ maximale H m(Fig. 2), correspondant à la saturation du ferromagnétique, est appelé cycle limite .

Pour le cycle limite, des valeurs d'induction sont également fixées B rà H= 0, qui s'appelle induction résiduelle , et la valeur H cà B= 0, appelé force coercitive . La force coercitive (contenante) montre quelle intensité de champ externe doit être appliquée à une substance afin de réduire l'induction résiduelle à zéro.

La forme et les points caractéristiques du cycle limite déterminent les propriétés du ferromagnétique. Les substances avec une induction résiduelle importante, une force coercitive et une zone de boucle d'hystérésis importante (courbe 1, Fig. 3) sont appelées magnétiquement dur . Ils sont utilisés pour fabriquer des aimants permanents. Les substances avec une faible zone d'induction résiduelle et de boucle d'hystérésis (courbe 2 Fig. 3) sont appelées magnétiquement doux et sont utilisés pour la fabrication de noyaux magnétiques d'appareils électriques, en particulier ceux fonctionnant avec un flux magnétique changeant périodiquement.

Lorsqu'un ferromagnétique est remagnétisé, une conversion irréversible de l'énergie en chaleur s'y produit.

Supposons que le champ magnétique soit créé par un enroulement à travers lequel circule le courant je. Alors le travail de la source d'énergie du bobinage consacré à un changement élémentaire du flux magnétique est égal à

Graphiquement, ce travail représente l'aire de la bande élémentaire de la boucle d'hystérésis (Fig. 4 a)).

Le travail total d'inversion de magnétisation par unité de volume d'une substance est déterminé comme une intégrale le long du contour de la boucle d'hystérésis

Le contour d'intégration peut être divisé en deux sections correspondant au changement d'induction de - B m avant B m et changer de B m avant - B m. Les intégrales dans ces zones correspondent aux zones ombrées de la Fig. 4a) et b). Dans chaque section, une partie de l'aire correspond au travail négatif, et après l'avoir soustraite de la partie positive, dans les deux sections on obtient l'aire limitée par la courbe de boucle d'hystérésis (Fig. 4 c)).

Désignant l'énergie par unité de volume d'une substance dépensée pour l'inversion de la magnétisation dans un cycle symétrique complet, à travers W" h =UN" on a

Il existe une relation empirique pour calculer les pertes d'énergie spécifiques dues à l'inversion de la magnétisation

où h est un coefficient dépendant de la substance ; B m- valeur maximale de l'induction ; n- exposant en fonction de B m et généralement accepté

n=1,6 à 0,1T< B m < 1,0 Тл и n=2 à 0<B m < 0,1 Тл или 1,0 Тл <B m < 1,6 Тл.

Le phénomène d'hystérésis et les pertes d'énergie associées peuvent s'expliquer par l'hypothèse des aimants élémentaires. Les aimants élémentaires de la matière sont des particules qui possèdent un moment magnétique. Il peut s'agir des champs magnétiques des électrons tournant sur des orbites, ainsi que de leurs moments magnétiques de spin. Ce sont d’ailleurs ces derniers qui jouent le rôle le plus important dans les phénomènes magnétiques.

À température normale, la matière ferromagnétique est constituée de régions (domaines) spontanément magnétisées dans une certaine direction, dans lesquelles des aimants élémentaires sont situés presque parallèlement les uns aux autres et sont maintenus dans cette position par des forces magnétiques et des forces d'interaction électrique.

Les champs magnétiques de régions individuelles ne sont pas détectés dans l'espace extérieur, car ils sont tous magnétisés dans des directions différentes. Intensité de magnétisation spontanée des domaines J. dépend de la température et au zéro absolu est égal à l'intensité de la saturation complète. Le mouvement thermique détruit la structure ordonnée et à une certaine température q, caractéristique d'une substance donnée, l'arrangement ordonné est complètement détruit. Cette température est appelée pointe Curie . Au-dessus du point de Curie, la substance possède des propriétés paramagnétiques.

Sous l’influence d’un champ extérieur, l’état d’une substance peut changer de deux manières. L'aimantation peut changer soit en raison de la réorientation des domaines, soit en raison du déplacement de leurs limites vers une région avec une composante d'aimantation plus petite, coïncidant en direction avec le champ externe. Le déplacement de la limite du domaine n'est réversible que jusqu'à une certaine limite, après quoi une partie ou la totalité de la région est réorientée de manière irréversible. Avec une réorientation rapide et brusque du domaine, des courants de Foucault sont créés, provoquant des pertes d'énergie lors de l'inversion de la magnétisation.

Les recherches montrent que la deuxième méthode de changement d'orientation est caractéristique d'une section raide de la courbe de magnétisation et la première est caractéristique d'une section de la région de saturation.

Après avoir réduit l’intensité du champ magnétique externe à zéro, certains domaines conservent la nouvelle direction d’aimantation préférentielle, qui se manifeste par une magnétisation résiduelle.

Diamagnétiques et para-aimants dans un champ magnétique

Les densités de courant microscopiques dans la matière magnétisée sont extrêmement complexes et varient considérablement même au sein d'un seul atome. Mais dans de nombreux problèmes pratiques, une description aussi détaillée est inutile et nous nous intéressons aux champs magnétiques moyens créés par un grand nombre d’atomes.

Comme nous l'avons déjà dit, les aimants peuvent être divisés en trois groupes principaux : diamagnétiques, paramagnétiques et ferromagnétiques.

Diamagnétisme (du grec jour – divergence et magnétisme) - la propriété des substances d'être magnétisées vers un champ magnétique appliqué.

Diamagnets sont appelés substances dont les moments magnétiques des atomes en l'absence de champ extérieur sont égaux à zéro, car les moments magnétiques de tous les électrons d'un atome se compensent mutuellement(son propre champ magnétique créé par un matériau diamagnétique lorsqu'il est magnétisé dans un champ extérieur, etc.

« Physique - 11e année"

Le champ magnétique est créé par des courants électriques et des aimants permanents.
Toutes les substances placées dans un champ magnétique créent leur propre champ magnétique.

Magnétisation de la matière.

Toutes les substances placées dans un champ magnétique sont magnétisées, c'est-à-dire qu'elles deviennent elles-mêmes sources d'un champ magnétique.
En conséquence, le vecteur induction magnétique en présence de matière diffère du vecteur induction magnétique dans le vide.

L'hypothèse d'Ampère

La raison pour laquelle les corps ont des propriétés magnétiques a été établie par le physicien français Ampère : les propriétés magnétiques d'un corps peuvent s'expliquer par les courants qui y circulent.

À l'intérieur des molécules et des atomes, il existe des courants électriques élémentaires qui se forment en raison du mouvement des électrons dans les atomes.
Si les plans dans lesquels circulent ces courants sont situés de manière aléatoire les uns par rapport aux autres en raison du mouvement thermique des molécules, alors leurs actions se compensent mutuellement et le corps ne présente aucune propriété magnétique.

Dans un état magnétisé, les courants élémentaires du corps sont orientés de telle manière que leurs actions s'additionnent.

Les champs magnétiques les plus puissants sont créés par des substances appelées ferromagnétiques.
Ils sont utilisés pour fabriquer des aimants permanents, car le champ ferromagnétique ne disparaît pas une fois le champ magnétisant désactivé.

Les champs magnétiques sont créés par les ferromagnétiques non seulement en raison de la rotation des électrons autour des noyaux, mais également en raison de leur propre rotation. Dans les ferromagnétiques, il existe des régions appelées domaines d'une taille d'environ 0,5 micron.

Si le ferromagnétique n'est pas magnétisé, alors l'orientation des domaines est chaotique et le champ magnétique total créé par les domaines est nul.
Lorsqu'un champ magnétique externe est activé, les domaines sont orientés le long des lignes d'induction magnétique de ce champ et l'induction du champ magnétique dans les ferromagnétiques augmente, devenant des milliers, voire des millions de fois, supérieure à l'induction du champ externe.

Température de Curie.

À des températures supérieures à certaines valeurs spécifiques d'un ferromagnétique donné, ses propriétés ferromagnétiques disparaissent.
Cette température est appelée Température de Curie du nom du scientifique français qui a découvert ce phénomène.
Lorsqu'ils sont chauffés, les corps magnétisés perdent leurs propriétés magnétiques.
Par exemple, la température de Curie du fer est de 753 °C.
Il existe des alliages ferromagnétiques ayant une température de Curie inférieure à 100 °C.

Application des ferromagnétiques

Il n’existe pas beaucoup de corps ferromagnétiques dans la nature, mais ils sont largement utilisés.
Par exemple, un noyau installé dans une bobine améliore le champ magnétique qu’il crée sans augmenter le courant dans la bobine.
Les noyaux des transformateurs, générateurs, moteurs électriques, etc. sont constitués de ferromagnétiques.

Lorsque le champ magnétique externe est désactivé, le ferromagnétique reste magnétisé, c'est-à-dire qu'il crée un champ magnétique dans l'espace environnant.
C'est pourquoi les aimants permanents existent.

Les ferrites sont largement utilisées - des matériaux ferromagnétiques qui ne conduisent pas le courant électrique ; ce sont des composés chimiques d'oxydes de fer avec des oxydes d'autres substances.
L'un des matériaux ferromagnétiques connus - le minerai de fer magnétique - est la ferrite.

Les ferromagnétiques sont utilisés pour l'enregistrement magnétique des informations.
Les bandes magnétiques et les films magnétiques sont fabriqués à partir de ferromagnétiques, qui sont utilisés pour l'enregistrement sonore dans les magnétophones et pour l'enregistrement vidéo dans les magnétoscopes.

Le son est enregistré sur bande à l'aide d'un électro-aimant dont le champ magnétique change avec le temps en fonction des vibrations sonores.
Au fur et à mesure que la bande se déplace près de la tête magnétique, diverses sections du film sont magnétisées.

Circuit de tête à induction magnétique

Où
1 - noyau d'électro-aimant ;
2 - bande magnétique ;
3 - écart de travail ;
4 enroulements électro-aimants.

Le développement de la technologie d'enregistrement magnétique a conduit à l'émergence de microtêtes magnétiques, utilisées dans les ordinateurs, permettant de créer une haute densité d'enregistrement magnétique, de sorte que jusqu'à plusieurs téraoctets (10 12 octets) d'informations sont stockés sur un support ferromagnétique. disque dur d'un diamètre de plusieurs centimètres. La lecture et l'écriture des informations sur un tel disque s'effectuent à l'aide d'une microtête. Le disque tourne à grande vitesse et la tête flotte au-dessus de lui dans le flux d'air, ce qui évite tout risque de dommage mécanique au disque.

Propriétés magnétiques de la matière

Dans tous les corps placés dans un champ magnétique, un moment magnétique apparaît. Ce phénomène est appelé magnétisation.

Un corps magnétisé (aimant) crée un champ magnétique supplémentaire avec induction B′, qui interagit avec l'induction B 0 = μa H, provoqué par des courants macroscopiques. Les deux champs donnent le champ résultant avec induction B, qui est obtenu à la suite de l'addition de vecteurs B' Et B 0 .

Des courants fermés circulent dans les molécules d'une substance ; chacun de ces courants a un moment magnétique ; en l'absence de champ magnétique externe, les courants moléculaires sont orientés de manière aléatoire et le champ moyen qu'ils créent sera nul. Sous l'influence d'un champ magnétique, les moments magnétiques des molécules sont orientés principalement le long du champ, ce qui entraîne une magnétisation de la substance. La mesure de la magnétisation d'une substance (aimant) est le vecteur magnétisation. Magnétisation vectorielle jeégal à la somme vectorielle de tous les moments magnétiques p m molécules contenues dans une unité de volume d'une substance :

La quantité χ est appelée susceptibilité magnétique– quantité sans dimension.

	Dans le système SI :	Dans le système SGSM :
	B′ = μ je	B′ = 4χ je	2)
	B = μ 0 H + μ je	B = H+ 4χ je	3)
	µ = 1 + χ	µ = 1 + 4πχ	4)

Courbe exprimant la relation entre H Et B ou H Et je, appelé courbe de magnétisation.

Les substances pour lesquelles χ > 0 (mais seulement légèrement) sont dites paramagnétiques ( paramagnétique); substances pour lesquelles χ< 0, называются диамагнитными (matériaux diamagnétiques). Les substances pour lesquelles χ est bien supérieur à l'unité sont appelées ferromagnétiques.

Les ferromagnétiques diffèrent des para-aimants et des dia-aimants par un certain nombre de propriétés.

UN) La courbe d'aimantation des ferromagnétiques est complexe (Fig. 1) ; pour les para-aimants, elle représente une droite avec une angulaire positive ;
coefficient, pour les matériaux diamagnétiques – une ligne droite avec une pente négative. La susceptibilité magnétique et la perméabilité des ferromagnétiques dépendent de l'intensité du champ ; Les matériaux paramagnétiques et diamagnétiques n'ont pas cette dépendance.

Pour les ferromagnétiques, la perméabilité magnétique initiale (μ init) est généralement indiquée - la valeur limite de la perméabilité magnétique lorsque l'intensité du champ et l'induction sont proches de zéro, c'est-à-dire

Courbe de μ vs. H pour les ferromagnétiques, elle passe par un maximum. Les tableaux indiquent généralement la valeur maximale (μ max).

b) La susceptibilité magnétique des ferromagnétiques augmente avec l'augmentation de la température. A une certaine température T un ferromagnétique se transforme en paramagnétique ; cette température est appelée Température de Curie (pointe Curie). Aux températures supérieures au point de Curie, la substance est paramagnétique. A proximité de la température de Curie, la susceptibilité magnétique du ferromagnétique de coupe augmente.

La susceptibilité magnétique des matériaux diamagnétiques et de certains matériaux paramagnétiques (par exemple dans les métaux alcalins) ne dépend pas de la température. La susceptibilité magnétique des matériaux paramagnétiques (à quelques exceptions près) varie inversement avec la température absolue.

V) Un ferromagnétique démagnétisé est magnétisé par un champ magnétique ; dépendance B(ou je) depuis H pendant la magnétisation sera exprimé par la courbe 0–1 (Fig. 1). Cette courbe est appelée courbe d'aimantation initiale. La magnétisation dans les champs faibles augmente rapidement, puis la croissance ralentit et, enfin, un état de saturation se produit dans lequel la magnétisation reste pratiquement constante avec une nouvelle augmentation du champ.

La valeur maximale de l'aimantation est appelée magnétisation à saturation (Est).

En diminuant Hà zéro B(Et je) changera le long de la courbe 1–2 ; il existe un décalage entre le changement d'induction et le changement d'intensité de champ. Ce phénomène est appelé hystérésis magnétique.

La quantité d'induction qui reste dans un ferromagnétique après la suppression du champ (lorsque H= 0), est appelée induction résiduelle ( B r). Dans la figure 1 B régal au segment 0–2. Pour démagnétiser un ferromagnétique, vous devez supprimer l'induction résiduelle. Pour ce faire, vous devez créer un champ dans le sens opposé. Le changement d’induction dans la crosse dans la direction opposée sera représenté par la courbe 2-3-4.

Intensité du champ Hc(le segment 0–3 sur la figure 8), auquel l'induction est nulle, est appelé intensité coercitive (force).

Dépendance B(ou je) en changeant périodiquement l'intensité du champ magnétique de + H avant - H est exprimé par une courbe fermée 1–2–3–4–5–6–1. Cette courbe est appelée boucle d'hystérésis.

Pour un cycle de modification de l'intensité du champ de + H avant - H l'énergie est consommée proportionnellement à la surface de la boucle d'hystérésis.

Les propriétés des ferromagnétiques s'expliquent par la présence en eux de régions qui, en l'absence de champ magnétique externe, sont spontanément magnétisées jusqu'à saturation. Ces zones sont appelées domaines. Mais la localisation et l'aimantation de ces zones sont telles que même en l'absence de champ, l'aimantation globale de l'ensemble du corps est nulle.

Lorsqu'un ferromagnétique est dans un champ magnétique, les limites entre les domaines se déplacent (dans les champs faibles) et les vecteurs de magnétisation des domaines tournent dans la direction du champ magnétisant (dans les champs plus forts), ce qui entraîne la magnétisation du ferromagnétique.

Un ferromagnétique placé dans un champ magnétique change ses dimensions linéaires, c'est-à-dire qu'il se déforme. Ce phénomène est appelé magnétostriction. L'allongement relatif dépend de la nature du ferromagnétique et de l'intensité du champ magnétique.

L'ampleur de l'effet de magnétostriction ne dépend pas de la direction du champ ; Certaines substances subissent un raccourcissement (nickel), d'autres un allongement (fer dans les champs faibles) le long du zéro. Ce phénomène est utilisé pour produire des vibrations ultrasonores avec des fréquences allant jusqu'à 100 kHz.

PROPRIÉTÉS MAGNÉTIQUES ET STRUCTURE DES SUBSTANCES

La magnétochimie est une branche de la chimie qui étudie les propriétés magnétiques des substances, ainsi que leur relation avec la structure des molécules. Sa formation en tant que science remonte au début du 20e siècle, lorsque les lois fondamentales du magnétisme ont été découvertes.

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. 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 µ 0 est la constante magnétique égale à 4p 10 -7 H/m, µ 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 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, appelée susceptibilité magnétique. Il peut être attribué à une unité de volume, de masse ou de quantité d'une substance, on l'appelle alors volumétrique (sans dimension) en conséquence. CV, spécifique CD(en cm3/g) ou molaire cm(en cm3/mol) susceptibilité magnétique.

Les substances peuvent être divisées en deux catégories : celles qui affaiblissent le champ magnétique (c< 0), называются диамагнетиками, те, которые усиливают (c >0), – paramagnétique. On peut imaginer que dans un champ magnétique non uniforme, une force agit sur un matériau diamagnétique qui le pousse hors du champ, tandis qu'une force agit sur un matériau paramagnétique, au contraire, en l'entraînant. 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 de susceptibilité est élevée.

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 |

Il convient de prêter attention à 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).

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 qui leur donne leur nom, le fer, dont les moments magnétiques atomiques inférieurs à la température de Curie 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.

Si la compensation des moments magnétiques est incomplète, ces substances sont appelées ferrimagnétiques, par exemple Fe2O3 et FeCr2O4. Les trois dernières classes de composés 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.

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, on mesure la variation du poids d'un échantillon dans un champ magnétique par rapport à son absence.

La méthode Faraday mesure la force agissant sur un échantillon dans un champ magnétique non uniforme.

La principale différence entre la méthode Gouy et la méthode 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 est utilisée uniquement pour les liquides et les solutions. Il mesure la variation de 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 ; c'est l'inverse.

La susceptibilité magnétique peut également être mesurée à l'aide d'un spectromètre RMN. Remarque : 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 susceptibilité magnétique de l'échantillon.

La valeur obtenue de susceptibilité magnétique pour les matériaux paramagnétiques est déterminée par le nombre d'électrons non appariés (pour un électron non apparié)

Les études magnétochimiques permettent d'établir la configuration électronique des composés de métaux de transition, qui constituent la base de la chimie des composés de coordination (complexes).

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.

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. 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 modifient leurs propriétés. Par conséquent, on suppose que la susceptibilité magnétique de la solution est égale à la somme des susceptibilités magnétiques des composants individuels, en tenant compte de la concentration

L'étude des propriétés magnétiques d'une même substance dans différents solvants montre clairement 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.

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 qu'il en est ainsi, alors il faut reconnaître que l'énergie des interactions entre l'individu Les composants de la solution et l'ensemble des molécules d'eau sont assez élevés, puis sont comparables ou dépassent 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 « assemblages » 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 » avec le temps.

En sélectionnant avec précision 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 de la même manière que dans le vide. Cette propriété intéressante n’a pas encore trouvé d’application technologique.

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 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 électroaimant 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 20ème 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, une). 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 aujourd’hui 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 contenant deux et la seconde huit électrons. 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, tels que 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 l'on détermine la magnétisation de l'échantillon. La seconde comprend les mesures des fréquences « de résonance » associées à l’aimantation de la matière. Les atomes sont de minuscules « gyroscopes » et se trouvent 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 tesla. 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. Typiquement, 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 max. 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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