Les propietats magnètiques d'un material són una classe de fenòmens físics mediats per camps. Els corrents elèctrics i els moments magnètics de les partícules elementals generen un camp que actua sobre altres corrents. Els efectes més coneguts es produeixen en materials ferromagnètics, que són fortament atrets pels camps magnètics i es poden magnetitzar permanentment, creant els mateixos camps carregats.
Només algunes substàncies són ferromagnètiques. Per determinar el nivell de desenvolupament d'aquest fenomen en una substància determinada, hi ha una classificació dels materials segons les propietats magnètiques. Els més comuns són el ferro, el níquel i el cob alt i els seus aliatges. El prefix ferro- es refereix al ferro perquè el magnetisme permanent es va observar per primera vegada en el ferro buit, una forma de mineral de ferro natural anomenada propietats magnètiques del material, Fe3O4.
Materials paramagnètics
Tot i queEl ferromagnetisme és responsable de la majoria dels efectes del magnetisme que es troben a la vida quotidiana, tots els altres materials es veuen afectats pel camp fins a cert punt, així com alguns altres tipus de magnetisme. Les substàncies paramagnètiques com l'alumini i l'oxigen són feblement atretes per un camp magnètic aplicat. Les substàncies diamagnètiques com el coure i el carboni es repel·leixen dèbilment.
Mentre que els materials antiferromagnètics com el crom i els vidres de spin tenen una relació més complexa amb el camp magnètic. La força d'un imant sobre materials paramagnètics, diamagnètics i antiferromagnètics sol ser massa feble per sentir-se i només es pot detectar amb instruments de laboratori, de manera que aquestes substàncies no s'inclouen a la llista de materials que tenen propietats magnètiques.
Condicions
L'estat (o fase) magnètic d'un material depèn de la temperatura i d' altres variables com la pressió i el camp magnètic aplicat. Un material pot mostrar més d'una forma de magnetisme a mesura que aquestes variables canvien.
Història
Les propietats magnètiques d'un material es van descobrir per primera vegada al món antic quan la gent es va adonar que els imants, peces de minerals magnetitzades de manera natural, podien atreure el ferro. La paraula "imant" prové del terme grec Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "pedra magnèsica, pedra del peu".
A l'antiga Grècia, Aristòtil va atribuir la primera del que es podria anomenar una discussió científica sobre les propietats magnètiques dels materials,filòsof Tales de Milet, que va viure des del 625 aC. e. abans del 545 aC e. L'antic text mèdic indi Sushruta Samhita descriu l'ús de la magnetita per eliminar les fletxes incrustades al cos humà.
Xina antiga
A l'antiga Xina, la referència literària més antiga a les propietats elèctriques i magnètiques dels materials es troba en un llibre del segle IV aC que porta el nom del seu autor, El savi de la vall dels fantasmes. La primera menció de l'atracció de l'agulla es troba a l'obra del segle I Lunheng (sol·licituds equilibrades): "L'imant atrau l'agulla".
El científic xinès del segle XI Shen Kuo va ser la primera persona que va descriure, a l'assaig de la piscina dels somnis, una brúixola magnètica amb agulla i que millorava la precisió de la navegació mitjançant mètodes astronòmics. concepte de nord veritable. Al segle XII, se sabia que els xinesos utilitzaven la brúixola imant per a la navegació. Van fer la cullera guia amb pedra perquè el mànec de la cullera sempre anés cap al sud.
Edat Mitjana
Alexander Neckam, el 1187, va ser el primer a Europa a descriure la brúixola i el seu ús per a la navegació. Aquest investigador per primera vegada a Europa va establir a fons les propietats dels materials magnètics. L'any 1269 Peter Peregrine de Maricourt va escriure l'Epistola de magnete, el primer tractat supervivent que descrivia les propietats dels imants. El 1282, al-Ashraf, un físic, astrònom i geògraf iemenita, va descriure les propietats de les brúixoles i els materials amb propietats magnètiques especials.
Renaixement
L'any 1600, va publicar William Gilbertel seu "Corpus magnètic" i "Telluri magnètic" ("Sobre l'imant i els cossos magnètics, i també sobre el gran imant terrestre"). En aquest article, descriu molts dels seus experiments amb el seu model de terra, anomenat terrella, amb el qual va dur a terme investigacions sobre les propietats dels materials magnètics.
A partir dels seus experiments, va arribar a la conclusió que la Terra mateixa és magnètica i que per això les brúixoles apuntaven cap al nord (abans, alguns creien que era l'estrella polar (Polaris) o una gran illa magnètica al nord). Pal que va atreure la brúixola).
Hora nova
La comprensió de la relació entre l'electricitat i els materials amb propietats magnètiques especials va aparèixer l'any 1819 en l'obra de Hans Christian Oersted, professor de la Universitat de Copenhaguen, que va descobrir, movent accidentalment una agulla de la brúixola a prop d'un cable que un El corrent pot crear un camp magnètic. Aquest experiment històric es coneix com l'experiment d'Oersted. Van seguir diversos experiments amb André-Marie Ampère, que va descobrir el 1820 que un camp magnètic que circulava en un camí tancat estava relacionat amb un corrent que circulava pel perímetre del camí.
Carl Friedrich Gauss es va dedicar a l'estudi del magnetisme. Jean-Baptiste Biot i Felix Savart el 1820 van plantejar la llei de Biot-Savart, que dóna l'equació desitjada. Michael Faraday, que va descobrir l'any 1831 que un flux magnètic variable en el temps a través d'un bucle de cable provocava una tensió. I altres científics han trobat més connexions entre el magnetisme i l'electricitat.
Segle XX i el nostretemps
James Clerk Maxwell va sintetitzar i ampliar aquesta comprensió de les equacions de Maxwell unificant l'electricitat, el magnetisme i l'òptica en el camp de l'electromagnetisme. L'any 1905, Einstein va utilitzar aquestes lleis per motivar la seva teoria de la relativitat especial exigint que les lleis siguin certes en tots els marcs de referència inercials.
L'electromagnetisme ha continuat evolucionant fins al segle XXI, incorporant-se a les teories més fonamentals de la teoria gauge, l'electrodinàmica quàntica, la teoria electrodèbil i, finalment, el model estàndard. Avui en dia, els científics ja estan estudiant les propietats magnètiques dels materials nanoestructurats amb força i principal. Però els descobriments més grans i sorprenents en aquest camp probablement encara ens esperen.
Essència
Les propietats magnètiques dels materials es deuen principalment als moments magnètics dels electrons orbitals dels seus àtoms. Els moments magnètics dels nuclis atòmics solen ser milers de vegades més petits que els dels electrons i, per tant, són insignificants en el context de la magnetització dels materials. No obstant això, els moments magnètics nuclears són molt importants en altres contextos, especialment en la ressonància magnètica nuclear (RMN) i la imatge per ressonància magnètica (MRI).
Normalment, l'enorme nombre d'electrons d'un material està disposat de manera que els seus moments magnètics (tant orbitals com interns) queden anul·lats. Fins a cert punt, això es deu al fet que els electrons es combinen en parells amb moments magnètics intrínsecs oposats com a resultat del principi de Pauli (vegeu Configuració electrònica) i es combinen en subcapses plenes amb moviment orbital net zero.
BEn ambdós casos, els electrons utilitzen principalment circuits en què el moment magnètic de cada electró s'anul·la pel moment oposat de l' altre electró. A més, fins i tot quan la configuració d'electrons és tal que hi ha electrons no aparellats i/o subcapas sense omplir, sovint es dóna el cas que diferents electrons en un sòlid aportin moments magnètics que apunten en diferents direccions aleatòries, de manera que el material no serà magnètic.
De vegades, ja sigui espontàniament o a causa d'un camp magnètic extern aplicat, cadascun dels moments magnètics dels electrons s'alinearà de mitjana. Aleshores, el material adequat pot crear un camp magnètic net fort.
El comportament magnètic d'un material depèn de la seva estructura, en particular de la seva configuració electrònica, per les raons esmentades anteriorment, i també de la temperatura. A altes temperatures, el moviment tèrmic aleatori dificulta l'alineació dels electrons.
Diamagnetisme
El diamagnetisme es troba en tots els materials i és la tendència d'un material a resistir un camp magnètic aplicat i, per tant, repel·lir el camp magnètic. Tanmateix, en un material amb propietats paramagnètiques (és a dir, amb tendència a reforçar un camp magnètic extern), el comportament paramagnètic domina. Així, malgrat l'ocurrència universal, el comportament diamagnètic només s'observa en un material purament diamagnètic. No hi ha electrons no aparellats en un material diamagnètic, de manera que els moments magnètics intrínsecs dels electrons no poden crearqualsevol efecte de volum.
Si us plau, tingueu en compte que aquesta descripció només és una heurística. El teorema de Bohr-Van Leeuwen mostra que el diamagnetisme és impossible segons la física clàssica i que una comprensió correcta requereix una descripció de la mecànica quàntica.
Tingueu en compte que tots els materials passen per aquesta resposta orbital. Tanmateix, en les substàncies paramagnètiques i ferromagnètiques, l'efecte diamagnètic es suprimeix per efectes molt més forts causats per electrons no aparellats.
Hi ha electrons no aparellats en un material paramagnètic; és a dir, orbitals atòmics o moleculars amb exactament un electró en ells. Tot i que el principi d'exclusió de Pauli requereix que els electrons aparellats tinguin els seus propis moments magnètics ("spin") que apunten en direccions oposades, fent que els seus camps magnètics s'anul·lin, un electró no aparellat pot alinear el seu moment magnètic en qualsevol direcció. Quan s'aplica un camp extern, aquests moments tendiran a alinear-se en la mateixa direcció que el camp aplicat, reforçant-lo.
Ferroimants
Un ferroimant, com a substància paramagnètica, té electrons no aparellats. Tanmateix, a més de la tendència del moment magnètic intrínsec dels electrons a ser paral·lel al camp aplicat, en aquests materials també hi ha una tendència que aquests moments magnètics s'orientin paral·lels entre si per mantenir un estat de reducció. energia. Així, fins i tot en absència d'un camp aplicatels moments magnètics dels electrons del material s'alineen espontàniament paral·lels entre si.
Cada substància ferromagnètica té la seva pròpia temperatura individual, anomenada temperatura de Curie, o punt de Curie, per sobre de la qual perd les seves propietats ferromagnètiques. Això es deu al fet que la tendència tèrmica al desordre aclapara la reducció d'energia a causa de l'ordre ferromagnètic.
El ferromagnetisme només es produeix en poques substàncies; El ferro, el níquel, el cob alt, els seus aliatges i alguns aliatges de terres rares són habituals.
Els moments magnètics dels àtoms en un material ferromagnètic fan que es comportin com petits imants permanents. S'uneixen i es combinen en petites regions d'alineació més o menys uniforme anomenades dominis magnètics o dominis de Weiss. Els dominis magnètics es poden observar mitjançant un microscopi de força magnètica per revelar els límits del domini magnètic que s'assemblen a línies blanques en un esbós. Hi ha molts experiments científics que poden mostrar físicament camps magnètics.
Papel dels dominis
Quan un domini conté massa molècules, es torna inestable i es divideix en dos dominis alineats en direccions oposades per unir-se de manera més estable, com es mostra a la dreta.
Quan s'exposen a un camp magnètic, els límits del domini es mouen de manera que els dominis alineats magnèticament creixen i dominen l'estructura (àrea groga amb punts), tal com es mostra a l'esquerra. Quan s'elimina el camp magnetitzador, és possible que els dominis no tornin a un estat no magnetitzat. Això porta aperquè el material ferromagnètic està magnetitzat, formant un imant permanent.
Quan la magnetització era prou forta perquè el domini dominant es superposava a tots els altres, donant lloc a la formació d'un sol domini separat, el material estava saturat magnèticament. Quan un material ferromagnètic magnetitzat s'escalfa a la temperatura del punt Curie, les molècules es barregen fins al punt en què els dominis magnètics perden organització i les propietats magnètiques que provoquen cessen. Quan el material es refreda, aquesta estructura d'alineació del domini torna espontàniament, aproximadament de manera anàloga a com un líquid es pot congelar en un sòlid cristal·lí.
Antiferromagnètic
En un antiferroimant, a diferència d'un ferroimant, els moments magnètics intrínsecs dels electrons de valència veïns tendeixen a apuntar en direccions oposades. Quan tots els àtoms estan disposats en una substància de manera que cada veí sigui antiparal·lel, la substància és antiferromagnètica. Els antiferroimants tenen un moment magnètic net de zero, la qual cosa significa que no creen cap camp.
Els antiferroimants són més rars que altres tipus de comportament i s'observen amb més freqüència a temperatures baixes. A diferents temperatures, els antiferroimants presenten propietats diamagnètiques i ferromagnètiques.
En alguns materials, els electrons veïns prefereixen apuntar en direccions oposades, però no hi ha cap disposició geomètrica en què cada parell de veïns estigui antialineat. Es diu spin glass iés un exemple de frustració geomètrica.
Propietats magnètiques dels materials ferromagnètics
Com el ferromagnetisme, els ferriimants conserven la seva magnetització en absència de camp. Tanmateix, com els antiferroimants, els parells adjacents d'espins d'electrons tendeixen a apuntar en direccions oposades. Aquestes dues propietats no es contradiuen mútuament perquè, en una disposició geomètrica òptima, el moment magnètic d'una subreticula d'electrons que apunten en la mateixa direcció és més gran que d'una subreixa que apunta en sentit contrari.
La majoria de ferrites són ferrimagnètiques. Les propietats magnètiques dels materials ferromagnètics avui es consideren innegables. La primera substància magnètica descoberta, la magnetita, és una ferrita i originalment es pensava que era un ferroimant. Tanmateix, Louis Neel va desmentir això en descobrir el ferrimagnetisme.
Quan un ferroimant o ferriimant és prou petit, actua com un únic gir magnètic que està subjecte al moviment brownià. La seva resposta a un camp magnètic és qualitativament similar a la d'un paraimant, però molt més.
Electroimants
Un electroimant és un imant en el qual es crea un camp magnètic per un corrent elèctric. El camp magnètic desapareix quan s'apaga el corrent. Els electroimants solen consistir en un gran nombre de voltes de cable molt espaciades que creen un camp magnètic. Les bobines de filferro sovint s'enrotllen al voltant d'un nucli magnètic fet de material ferromagnètic o ferrimagnètic.un material com el ferro; el nucli magnètic concentra el flux magnètic i crea un imant més fort.
El principal avantatge d'un electroimant sobre un imant permanent és que el camp magnètic es pot canviar ràpidament controlant la quantitat de corrent elèctric a l'enrotllament. Tanmateix, a diferència d'un imant permanent, que no requereix energia, un electroimant requereix un subministrament continu de corrent per mantenir el camp magnètic.
Els electroimants s'utilitzen àmpliament com a components d' altres dispositius elèctrics com ara motors, generadors, relés, solenoides, altaveus, discs durs, màquines de ressonància magnètica, instruments científics i equips de separació magnètica. Els electroimants també s'utilitzen a la indústria per agafar i moure objectes pesats de ferro com ara ferralla i acer. L'electromagnetisme es va descobrir l'any 1820. Al mateix temps, es va publicar la primera classificació de materials segons les propietats magnètiques.
