Cualquier sustancia en el mundo tiene ciertas propiedades magnéticas. Se miden por permeabilidad magnética. En este artículo veremos las propiedades magnéticas de la materia.
la hipótesis de ampere
La permeabilidad magnética muestra cuántas veces la inducción del campo magnético en un entorno determinado es menor o mayor que la inducción del campo magnético en el vacío.
Una sustancia que crea su propio campo magnético se llama magnetizada. La magnetización ocurre cuando una sustancia se coloca en un campo magnético externo.
El científico francés Ampère estableció la razón, cuya consecuencia es la posesión de propiedades magnéticas por parte de los cuerpos. La hipótesis de Ampere afirma que existen corrientes eléctricas microscópicas dentro de la materia (un electrón tiene su propio momento magnético, que tiene naturaleza cuántica, movimiento orbital en los átomos de electrones). Son ellos los que determinan las propiedades magnéticas de una sustancia. Si las corrientes tienen direcciones desordenadas, entonces campos magnéticos, que generan, se compensan entre sí. El cuerpo no está magnetizado. Un campo magnético externo regula estas corrientes. Como resultado, la sustancia desarrolla su propio campo magnético. Ésta es la magnetización de la sustancia.
Es precisamente por la reacción de las sustancias a un campo magnético externo y por su ordenamiento. estructura interna, determinar las propiedades magnéticas de una sustancia. De acuerdo con estos parámetros, se dividen en los siguientes grupos:
- Paramagnetos
- Diamagnetos
- Ferroimanes
- Antiferromagnetos
Diamagnetos y paramagnetos
- Las sustancias que tienen susceptibilidad magnética negativa, independientemente de la intensidad del campo magnético, se denominan materiales diamagnéticos. Averigüemos qué propiedades magnéticas de una sustancia se denominan susceptibilidad magnética negativa. Esto es cuando un imán se acerca a un cuerpo y es repelido en lugar de atraído. A los diamagnetos pertenecen, por ejemplo, gases inertes, hidrógeno, fósforo, zinc, oro, nitrógeno, silicio, bismuto, cobre y plata. Es decir, se trata de sustancias que se encuentran en estado superconductor o que presentan enlaces covalentes.
- Materiales paramagnéticos. En estas sustancias la susceptibilidad magnética tampoco depende de la intensidad del campo existente. Aunque ella es positiva. Es decir, cuando un paramagnético se acerca a un imán permanente, surge una fuerza de atracción. Estos incluyen aluminio, platino, oxígeno, manganeso y hierro.
Ferroimanes
Las sustancias que tienen una alta susceptibilidad magnética positiva se denominan ferroimanes. En estas sustancias, a diferencia de los materiales diamagnéticos y paramagnéticos, la susceptibilidad magnética depende en gran medida de la temperatura y de la intensidad del campo magnético. Estos incluyen cristales de níquel y cobalto.
Antiferromagnets y ferrimagnets
- Las sustancias en las que, durante el calentamiento, se produce una transición de fase de una sustancia determinada, acompañada de la aparición de propiedades paramagnéticas, se denominan antiferromagnetos. Si la temperatura se vuelve inferior a cierta, no se observarán estas propiedades de la sustancia. Ejemplos de estas sustancias serían el manganeso y el cromo.
- Los ferrimagnetos se caracterizan por la presencia de antiferromagnetismo descompensado en ellos. Su susceptibilidad magnética también depende de la temperatura y de la intensidad del campo magnético. Pero todavía tienen diferencias. Estas sustancias incluyen varios óxidos.
Todos los imanes anteriores se pueden dividir en 2 categorías:
- Materiales magnéticos duros. Estos son materiales de alto valor fuerza coercitiva. Para remagnetizarlos es necesario crear un potente campo magnético. Estos materiales se utilizan en la fabricación de imanes permanentes.
- Los materiales magnéticos blandos, por el contrario, tienen una fuerza coercitiva baja. En campos magnéticos débiles pueden entrar en saturación. Tienen bajas pérdidas debido a la inversión de la magnetización. Debido a esto, estos materiales se utilizan para fabricar núcleos para maquinas electricas para quien trabaja corriente alterna. Se trata, por ejemplo, de un transformador de corriente y tensión, de un generador o de un motor asíncrono.
Observamos todas las propiedades magnéticas básicas de la materia y descubrimos qué tipos de imanes existen.
3.5 Propiedades magnéticas de la materia.
3.5.1 Magnético. Propiedades magnéticas de las sustancias.
En el capítulo anterior se supuso que los cables a través de los cuales fluyen las corrientes, creando un campo magnético, están en el vacío. Si los cables que transportan corriente se encuentran en cualquier entorno, el campo magnético cambia. Esto se explica por el hecho de que toda sustancia es magnética, es decir, capaz de adquirir un momento magnético (magnetizado) bajo la influencia de un campo magnético. Una sustancia magnetizada crea un campo magnético. EN " , que se superpone al campo provocado por las corrientes EN 0 . Ambos campos se suman al campo resultante.
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EN = EN 0 + EN " |
Este fenómeno fue descubierto por primera vez por Ampere, quien descubrió que agregar un núcleo de hierro a un solenoide equivalía a aumentar el número de amperios-vueltas de ese solenoide. Posteriormente se descubrió que la inducción EN El campo magnético de una sustancia puede ser mayor o menor que la inducción. B 0 el mismo campo en el vacío. Esto sucede porque cada sustancia, en mayor o menor medida, tiene su propio campo magnético. EN ".
Las sustancias capaces de cambiar los parámetros de un campo magnético suelen denominarse imanes. Para caracterizar las propiedades magnéticas de sustancias, la cantidad. μ = B/ B 0 , llamado permeabilidad magnética de esta sustancia. Según el valor de la permeabilidad magnética, todos los imanes se dividen en tres grupos.
a) Dado que el campo magnético interno en un material diamagnético está dirigido en dirección opuesta al campo externo, el módulo de inducción del campo resultante en un material diamagnético es menor que el módulo de inducción del campo en el vacío, es decir EN<EN 0 . Es por eso sustancias que tienen μ<. yo, llamado materiales diamagnéticos. Entre ellos se encuentran, por ejemplo, los elementos Bi, Cu, Ag, Au, Hg, Be, CI, gases inertes y otras sustancias. Permeabilidad magnética μ El diamagnetismo no depende de la inducción. EN 0 campo magnético externo.
b) Las sustancias paramagnéticas están formadas por átomos en los que los momentos magnéticos orbitales de los electrones no están compensados. Por tanto, los átomos de un material diamagnético tienen momentos magnéticos distintos de cero. Sin embargo, en ausencia de un campo magnético externo, el movimiento térmico de los átomos conduce a una disposición caótica de sus momentos magnéticos, como resultado de lo cual cualquier volumen de material paramagnético en su conjunto no posee momento magnético.
Cuando una sustancia paramagnética se introduce en un campo magnético externo, sus átomos, en mayor o menor medida (dependiendo de la inducción de este campo), se disponen de manera que sus momentos magnéticos estén orientados en la dirección del campo externo. Como resultado, surge un campo magnético interno en el paraimán, cuya inducción B coincide en dirección con la inducción B„ del campo externo. Por lo tanto, el módulo de inducción EN el campo magnético resultante en un material paramagnético es mayor que el módulo de inducción EN 0 campos en el vacío, es decir B>B 0 . Es por eso paramagnético son sustancias para las cuales μ>1. Estos incluyen, en particular, Na, Mg, K, Ca, Al, Mn, Pt, oxígeno y muchos otros elementos, así como soluciones de algunas sales. Permeabilidad magnética μ El paramagnético, como el diamagnético, no depende de la inducción. EN 0 campo magnético externo.
Cabe señalar que el valor μ para los materiales diamagnéticos y paramagnéticos difiere muy poco de la unidad, sólo en una cantidad del orden de 10 -5 - 10 -6 , por lo que los materiales diamagnéticos y paramagnéticos se clasifican como sustancias débilmente magnéticas.
c) A diferencia de los diamagnetos y paramagnetos, cuyas propiedades magnéticas están determinadas por los momentos magnéticos orbitales de los electrones atómicos, las propiedades magnéticas de los ferromagnetos están determinadas por los momentos magnéticos de espín de los electrones. Las sustancias ferromagnéticas (siempre de estructura cristalina) están formadas por átomos en los que no todos los electrones tienen momentos magnéticos de espín mutuamente compensados.
En un ferromagneto hay regiones de espontaneidad. ( espontáneo ) magnetización, que se llama dominios. (El tamaño de los dominios es de aproximadamente 10 -4 - 10 -7 m.) En cada dominio, los momentos magnéticos de espín de los electrones atómicos tienen la misma orientación, como resultado de lo cual el dominio se magnetiza hasta un estado de saturación. Dado que en ausencia de un campo magnético externo los momentos magnéticos de los dominios están orientados aleatoriamente, la muestra ferromagnética en tales condiciones generalmente no está magnetizada.
Bajo la influencia de un campo magnético externo, los momentos magnéticos de los dominios se orientan en la dirección de este campo. Como resultado, se genera un fuerte campo magnético interno con inducción magnética en el ferroimán. EN", coincidiendo en dirección con la inducción magnética del campo externo EN 0 . Por lo tanto, el módulo de inducción EN El campo magnético resultante en un ferroimán es mucho mayor que el campo en el vacío, es decir CAMA Y DESAYUNO 0 . Cuando todos los momentos magnéticos de los dominios bajo la influencia de un campo magnético externo están orientados a lo largo del campo, se produce la saturación de la muestra ferromagnética.
Al alcanzar ciertos puntos de temperatura para cada sustancia, llamado punto de Curie arriba, la estructura del dominio se destruye y el ferroimán pierde sus propiedades inherentes.
Por tanto, las sustancias para las que μ»1 se denominan ferroimanes. Estos incluyen los elementos Fe, Co, Ni, Gd y muchas aleaciones. En un campo magnético externo, una muestra ferromagnética se comporta como un material paramagnético. Sin embargo, la permeabilidad magnética μ de un ferroimán depende de la fuerza norte campo magnético externo y varía en un rango bastante amplio, como resultado de lo cual la dependencia B =F(h) es no lineal . Los valores μ de algunas aleaciones alcanzan decenas de miles. Por tanto, los ferromagnetos se clasifican como sustancias altamente magnéticas.
Para cada ferroimán existe una temperatura determinada, llamada punto curie, cuando se calienta por encima del cual la sustancia pierde sus propiedades ferromagnéticas y se convierte en paramagnética. Por ejemplo, para Fe el punto Curie es 1043 K y para Ni - 631 K.
Para explicar el proceso de magnetización de los cuerpos, Ampere sugirió que en las moléculas de una sustancia circulan corrientes circulares (corrientes moleculares). Cada una de estas corrientes tiene un momento magnético y crea un campo magnético en el espacio circundante. En ausencia de un campo externo, las corrientes moleculares están orientadas aleatoriamente, como resultado de lo cual el campo resultante debido a ellas es igual a cero. Debido a la orientación caótica de los momentos magnéticos de las moléculas individuales, el momento magnético total del cuerpo también es cero. Bajo la influencia de un campo, los momentos magnéticos de las moléculas adquieren una orientación predominante en una dirección, como resultado de lo cual el imán se magnetiza: su momento magnético total se vuelve distinto de cero. En este caso, los campos magnéticos de las corrientes moleculares individuales ya no se compensan entre sí y surge un campo. EN". Es natural caracterizar la magnetización de un imán por el momento magnético por unidad de volumen. Esta cantidad se llama magnetización y denotado por la letra j. La magnetización generalmente no se asocia con la inducción magnética, sino con la intensidad del campo. Se cree que en cada punto
A diferencia de la susceptibilidad dieléctrica, que sólo puede tener valores positivos (polarización R en un dieléctrico isotrópico siempre se dirige a lo largo del campo mi), Susceptibilidad magnética χ puede ser tanto positivo como negativo. Por tanto, la permeabilidad magnética μ puede ser mayor o menor que uno.
La magnetización de sustancias débilmente magnéticas varía linealmente con la intensidad del campo. La magnetización de los ferromagnetos, pende de norte de manera compleja. En la figura - 3,39 dan curva de magnetización un ferroimán cuyo momento magnético era inicialmente igual a cero. Ya en campos del orden de varios oersteds (~100 A/m), la magnetización j alcanza la saturación. Curva de magnetización básica en diagrama. B-H mostrado en la Fig. 59,2 (curva 0-1). Al llegar a la saturación EN continúa creciendo desde norte según la ley lineal. Si la magnetización llega a la saturación (punto 1 en la Figura - 3.40) y luego reducir la intensidad del campo magnético, luego la inducción EN no sigue la curva original 0-1, a varía según la curva 1-2. Como resultado, cuando la intensidad del campo externo se vuelve cero (punto 2), la magnetización no desaparece y se caracteriza por la magnitud EN r , Lo que es llamado inducción residual. La magnetización importa j r, llamada magnetización residual.
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Figura - 3.39 |
Figura - 3.40 |
Inducción EN Desaparece sólo bajo la influencia del campo. norte Con , teniendo una dirección opuesta al campo que provocó la magnetización. Tensión norte Con llamado fuerza coercitiva.
La existencia de magnetización residual permite fabricar imanes permanentes, es decir, cuerpos que, sin gastar energía para mantener corrientes macroscópicas, tienen un momento magnético y crean un campo magnético en el espacio que los rodea. Un imán permanente conserva mejor sus propiedades cuanto mayor es la fuerza coercitiva del material del que está fabricado.
Cuando un ferroimán se expone a un campo magnético alterno, la inducción cambia de acuerdo con la curva /- 2 -3-4-5-1 (Figura - 3.40), que se llama bucle de histéresis(aparece un bucle similar en el diagrama j- h). Si los valores máximos norte son tales que la magnetización alcanza la saturación, se obtiene el llamado bucle de histéresis máxima (bucle sólido en la Figura 3.40). Si en valores de amplitud norte Si no se logra la saturación, se obtiene un bucle llamado ciclo privado (el bucle punteado en la figura). Hay un número infinito de ciclos privados, todos ellos se encuentran dentro del bucle de máxima histéresis. La histéresis lleva al hecho de que la magnetización de un ferroimán no es una función única NORTE, dependía en gran medida de la prehistoria de la muestra, de en qué campos había estado antes.
Debido a la ambigüedad de la dependencia. EN de norte El concepto de permeabilidad magnética se aplica sólo a la curva de magnetización básica. Permeabilidad magnética de los ferromagnetos. μ por lo tanto, la susceptibilidad magnética χ es función de la intensidad del campo. En la foto - 3,41 ,A Se muestra la curva de magnetización principal. (trazamos una línea recta desde el origen de coordenadas, pasando por un punto arbitrario de la curva. La tangente del ángulo de inclinación: la línea recta es proporcional a la relación V/N, t. E. permeabilidad magnética μ, para el valor de tensión correspondiente NORTE. Al aumentar norte desde cero el ángulo de inclinación (y por tanto μ ) primero crece. En el punto 2 alcanza un máximo (recto ACERCA DE es tangente a la curva) y luego disminuye. En la figura - 3,41, b se da un gráfico de dependencia μ de NORTE. La figura muestra que el valor máximo de permeabilidad se alcanza ligeramente antes de la saturación. Con aumento ilimitado norte permeable se acerca asintóticamente a la unidad. Esto se desprende del hecho de que / en la expresión μ = 1 - j/ h no puede exceder el valor 1.
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Figura - 3.41 |
Cantidades EN r (o j r ), norte Con Y μ son las principales características de un ferroimán. Si la fuerza coercitiva norte Con tiene un gran la cantidad de un ferromagneto se llama difícil. Se caracteriza por un amplio bucle de histéresis. Ferromagnético con baja norte Con (y en consecuencia un bucle de histéresis estrecho) se llama suave. Dependiendo de la finalidad se toman ferromagnetos con una u otra característica. Entonces, usé ferroimanes duros para imanes permanentes y ferroimanes blandos para núcleos de transformadores. La presencia del punto de Curie en los ferromagnetos puede entenderse dado que los átomos participan en el movimiento térmico: mientras la temperatura es baja, los átomos mantienen una orientación paralela de sus momentos magnéticos dentro de los dominios. Pero a medida que aumenta la temperatura, también aumenta el movimiento térmico. Cuando una sustancia alcanza una temperatura específica para una sustancia determinada, el movimiento térmico destruye esta orientación: el dominio desaparece. Además, el ferroimán se comporta como un paramagnético.
Los fundamentos de la teoría del ferromagnetismo fueron creados por Ya. I. Frenkel y W. Heisenberg en 1928. Hoy en día, los imanes y sus propiedades magnéticas se utilizan ampliamente en la ciencia y la tecnología.
Si colocas un objeto en un campo magnético, su “comportamiento” y el tipo de cambios estructurales internos dependerán del material del que esté hecho el objeto. Todas las sustancias conocidas se pueden dividir en cinco grupos principales: paramagnetos, ferromagnetos y antiferromagnetos, ferrimagnetos y diamagnéticos. De acuerdo con esta clasificación, se distinguen las propiedades magnéticas de una sustancia. Para entender lo que se esconde detrás de estos términos, veamos cada grupo con más detalle.
Las sustancias que exhiben las propiedades del paramagnetismo se caracterizan por una permeabilidad magnética con un signo positivo, independientemente de la fuerza del campo magnético externo en el que se encuentra el objeto. Mayoría representantes bien conocidos Este grupo incluye oxígeno gaseoso, metales de los grupos alcalinotérreo y álcali, así como sales ferrosas.
Los ferromagnetos tienen una alta susceptibilidad magnética de signo positivo (alcanza 1 millón). Al depender de la intensidad del campo externo y de la temperatura, la susceptibilidad varía ampliamente. Es importante señalar que dado que los momentos de las partículas elementales de diferentes subredes en la estructura son iguales, el valor total del momento es cero.
Tanto en nombre como en algunas propiedades son similares a las sustancias ferrimagnéticas. Los une la alta dependencia de la susceptibilidad al calentamiento y la intensidad del campo, pero también existen diferencias. los átomos ubicados en las subredes no son iguales entre sí, por lo tanto, a diferencia del grupo anterior, el momento total es distinto de cero. La sustancia se caracteriza por una magnetización espontánea. La conexión de las subredes es antiparalela. Las más conocidas son las ferritas. Las propiedades magnéticas de las sustancias de este grupo son altas, por lo que se utilizan a menudo en tecnología.
De particular interés es el grupo de los antiferroimanes. Cuando tales sustancias se enfrían por debajo de un cierto límite de temperatura, los átomos y sus iones ubicados en la estructura de la red cristalina cambian naturalmente sus momentos magnéticos, adquiriendo una orientación antiparalela. Cuando se calienta una sustancia tiene lugar un proceso completamente diferente: exhibe propiedades magnéticas características del grupo de sustancias paramagnéticas. Los ejemplos incluyen carbonatos, óxidos, etc.
Numerosos experimentos indican que todas las sustancias colocadas en un campo magnético se magnetizan y crean su propio campo magnético, cuya acción se suma a la acción de un campo magnético externo:
¿Dónde está la inducción del campo magnético en una sustancia? - inducción magnética de un campo en el vacío, - inducción magnética de un campo que surge debido a la magnetización de una sustancia.
En este caso, la sustancia puede reforzar o debilitar el campo magnético. La influencia de una sustancia sobre un campo magnético externo se caracteriza por un valor llamado permeabilidad magnética de la sustancia.
Permeabilidad magnética es una cantidad escalar física que muestra cuántas veces la inducción del campo magnético en una sustancia dada difiere de la inducción del campo magnético en el vacío.
Las sustancias que debilitan un campo magnético externo se llaman materiales diamagnéticos(bismuto, nitrógeno, helio, dióxido de carbono, agua, plata, oro, zinc, cadmio, etc.).
Sustancias que mejoran el campo magnético externo. paramagnetos(sales de aluminio, oxígeno, platino, cobre, calcio, cromo, manganeso, cobalto, etc.).
Para materiales diamagnéticos >1. Pero en ambos casos la diferencia con respecto a 1 es pequeña (unas pocas diezmilésimas o cienmilésimas de unidad). Entonces, por ejemplo, para bismuto = 0,9998 = 1,000.
Algunas sustancias (hierro, cobalto, níquel, gadolinio y diversas aleaciones) provocan una intensificación muy grande del campo externo. Se les llama ferroimanes. Para ellos = 10 3 -10 5.
Ampere fue el primero en explicar las razones por las que los cuerpos tienen propiedades magnéticas. Según su hipótesis, dentro de las moléculas y átomos circulan corrientes eléctricas elementales, que determinan las propiedades magnéticas de cualquier sustancia.
Ahora se ha establecido que todos los átomos y partículas elementales tienen realmente propiedades magnéticas. Las propiedades magnéticas de los átomos están determinadas principalmente por los electrones que contienen.
Según el modelo atómico semiclásico propuesto por E. Rutherford y N. Bohr, los electrones de los átomos se mueven alrededor del núcleo en órbitas cerradas (en una primera aproximación, podemos suponer que son circulares). El movimiento de un electrón se puede representar como una corriente circular elemental, donde e es la carga del electrón, v es la frecuencia de rotación del electrón en su órbita. Esta corriente forma un campo magnético, que se caracteriza por un momento magnético; su módulo está determinado por la fórmula donde S es el área orbital.
El momento magnético de un electrón debido a su movimiento alrededor del núcleo se llama momento magnético orbital. El momento magnético orbital es una cantidad vectorial y la dirección está determinada por la regla del tornillo correcto. Si el electrón se mueve en el sentido de las agujas del reloj (Fig.1), entonces las corrientes se dirigen en sentido antihorario (en la dirección del movimiento Carga positiva), y el vector es perpendicular al plano orbital.
Dado que los planos orbitales de diferentes electrones en un átomo no coinciden, sus momentos magnéticos se dirigen en diferentes ángulos entre sí. El momento magnético orbital resultante de un átomo multielectrónico es igual a la suma vectorial de los momentos magnéticos orbitales de los electrones individuales.
Los átomos con capas electrónicas parcialmente llenas tienen un momento magnético orbital descompensado. En átomos con capas electrónicas llenas es igual a 0.
Además del momento magnético orbital, el electrón también tiene momento magnético intrínseco (espín), que fue establecido por primera vez por O. Stern y W. Gerlach en 1922. La existencia de un campo magnético en un electrón se explica por su rotación alrededor de su propio eje, aunque no se debe comparar literalmente el electrón con una bola cargada en rotación (arriba ).
Se ha establecido de forma fiable que el campo magnético de un electrón es la misma propiedad integral que su masa y carga. Un electrón, en una aproximación muy aproximada, puede imaginarse como una bola muy pequeña rodeada de campos eléctricos y magnéticos (Fig. 2). Los campos magnéticos de todos los electrones son los mismos, al igual que sus masas y cargas. El momento magnético de espín es un vector dirigido a lo largo del eje de rotación. Solo se puede orientar de dos maneras: a lo largo... o en contra... Si en el lugar donde se encuentra el electrón hay un campo magnético externo, entonces a lo largo del campo o contra el campo. Como se muestra en física cuántica, sólo dos electrones pueden estar en el mismo estado energético, cuyos momentos magnéticos de espín son opuestos (principio de Pauli).
En los átomos multielectrónicos, los momentos magnéticos de espín de los electrones individuales, al igual que los momentos orbitales, se suman como vectores. En este caso, el momento magnético de espín resultante del átomo para átomos con capas electrónicas llenas es igual a 0.
El momento magnético total de un átomo (molécula) es igual a la suma vectorial de los momentos magnéticos (orbital y de espín) de los electrones que ingresan al átomo (molécula):
Los diamagnetos están formados por átomos que, en ausencia de un campo magnético externo, no tienen sus propios momentos magnéticos, ya que todos los momentos magnéticos de espín y orbitales están compensados por ellos.
Un campo magnético externo no actúa sobre todo el átomo de un material diamagnético, sino que actúa sobre los electrones individuales del átomo, cuyos momentos magnéticos son distintos de cero. Dejar entrar este momento la velocidad del electrón forma un cierto ángulo (Fig. 3) con la inducción magnética del campo externo.
Gracias al componente, la fuerza de Lorentz (dirigida hacia nosotros en la Fig. 3) actuará sobre el electrón, lo que provocará un movimiento adicional (además de otros movimientos en los que participa el electrón en ausencia de un campo) en un círculo. Pero este movimiento representa una corriente circular adicional, que creará un campo magnético caracterizado por un momento magnético (inducido), dirigido según la regla del tornillo derecho hacia. Como resultado, los materiales diamagnéticos debilitan el campo magnético externo.
Los paramagnetos están formados por átomos cuyo momento magnético atómico neto es. En ausencia de un campo externo, estos momentos están orientados aleatoriamente y la sustancia en su conjunto no crea un campo magnético a su alrededor. Cuando se colocan materiales paramagnéticos en un campo magnético, preferente Orientación de los vectores a lo largo del campo (esto se evita mediante el movimiento térmico de las partículas). Así, el material paramagnético se magnetiza, creando su propio campo magnético, que coincide en dirección con el campo externo y lo potencia. Este efecto se llama paramagnético. Cuando el campo magnético externo se debilita a cero, la orientación de los momentos magnéticos debido a movimiento térmico se interrumpe y el paraimán se desmagnetiza. En los materiales paramagnéticos también se observa un efecto diamagnético, pero es mucho más débil que el efecto paramagnético.
PROPIEDADES MAGNÉTICAS Y ESTRUCTURA DE LAS SUSTANCIAS
La magnetoquímica es una rama de la química que estudia las propiedades magnéticas de las sustancias, así como su relación con la estructura de las moléculas. Su formación como ciencia se remonta a principios del siglo XX, cuando se descubrieron las leyes básicas del magnetismo.
PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LAS SUSTANCIAS
Magnetismo – propiedad fundamental asunto. La capacidad de los imanes permanentes para atraer objetos de hierro se conoce desde la antigüedad. El desarrollo del electromagnetismo permitió crear electroimanes más fuertes que los permanentes existentes en la naturaleza. En general, diversos instrumentos y dispositivos basados en el uso de fenómenos electromagnéticos están tan extendidos que ahora es imposible imaginar la vida sin ellos.
Sin embargo, no sólo los imanes permanentes interactúan con el campo magnético, sino también todas las demás sustancias. El campo magnético, al interactuar con la materia, cambia su valor en comparación con el vacío (en adelante, todas las fórmulas están escritas en el sistema SI):
donde µ 0 es la constante magnética igual a 4p 10 -7 H/m, µ es la permeabilidad magnética de la sustancia, B es la inducción magnética (en T), H es la intensidad del campo magnético (en A/m). Para la mayoría de las sustancias, m está muy cerca de la unidad, por lo que en magnetoquímica, donde el objeto principal es una molécula, es más conveniente utilizar el valor c, que se llama susceptibilidad magnética. Puede atribuirse a una unidad de volumen, masa o cantidad de una sustancia y, en consecuencia, se denomina volumétrico (adimensional). CV, específico CD(en cm3/g) o molar cm(en cm3/mol) susceptibilidad magnética.
Las sustancias se pueden dividir en dos categorías: aquellas que debilitan el campo magnético (c< 0), называются диамагнетиками, те, которые усиливают (c >0), – paramagnético. Se puede imaginar que en un campo magnético no uniforme, una fuerza actúa sobre un material diamagnético que lo empuja fuera del campo, mientras que una fuerza actúa sobre un material paramagnético, por el contrario, atrayendolo hacia adentro. En esto se basan los métodos que se describen a continuación para medir las propiedades magnéticas de sustancias. Los diamagnetos (y esta es la gran mayoría de compuestos orgánicos y de alto peso molecular) y principalmente los paramagnetos son objetos de estudio de la magnetoquímica.
El diamagnetismo es la propiedad más importante de la materia, debido al hecho de que bajo la influencia de un campo magnético, los electrones en capas llenas de electrones (que pueden considerarse como pequeños conductores) comienzan a precesar y, como saben, cualquier movimiento carga eléctrica provoca un campo magnético que, según la regla de Lenz, se dirigirá de manera que se reduzca la influencia del campo externo. En este caso, la precesión electrónica puede considerarse como corrientes circulares. El diamagnetismo es característico de todas las sustancias excepto del hidrógeno atómico, porque todas las sustancias tienen pares de electrones y capas electrónicas llenas.
El paramagnetismo es causado por electrones no apareados, llamados así porque su propio momento magnético (espín) no está equilibrado de ninguna manera (en consecuencia, los espines de los electrones apareados se dirigen en direcciones opuestas y se anulan entre sí). En un campo magnético, los espines tienden a alinearse en la dirección del campo, fortaleciéndolo, aunque este orden se ve alterado por el movimiento térmico caótico. Por tanto, está claro que la susceptibilidad paramagnética depende de la temperatura: cuanto menor es la temperatura, mayor es el valor de la susceptibilidad.
Este tipo de susceptibilidad magnética también se denomina paramagnetismo orientacional, ya que su causa es la orientación de los momentos magnéticos elementales en un campo magnético externo.
Las propiedades magnéticas de los electrones de un átomo se pueden describir de dos formas. En el primer método, se cree que el momento magnético (de espín) del electrón no afecta el momento orbital (debido al movimiento de los electrones alrededor del núcleo) o viceversa. Más precisamente, este Influencia mutua siempre existe (interacción espín-órbita), pero para los iones 3d es pequeña y las propiedades magnéticas se pueden describir con suficiente precisión mediante dos números cuánticos L (orbital) y S (espín). Para átomos más pesados, tal aproximación se vuelve inaceptable y se introduce otro número cuántico del momento magnético total J, que puede tomar valores de | L+S | antes | L-S |
Se debe prestar atención a la pequeñez de la energía de interacción magnética (para temperaturas ambiente y campos magnéticos comunes en el laboratorio, la energía de las interacciones magnéticas es de tres a cuatro órdenes de magnitud menor que la energía del movimiento térmico de las moléculas).
Hay bastantes sustancias que, cuando la temperatura disminuye, primero se comportan como paramagnetos y luego, al alcanzar una determinada temperatura, cambian bruscamente sus propiedades magnéticas. El ejemplo más famoso son los ferromagnetos y la sustancia que les da nombre, el hierro, cuyos momentos magnéticos atómicos por debajo de la temperatura de Curie se alinean en una dirección, provocando una magnetización espontánea. Sin embargo, la magnetización macroscópica no ocurre en ausencia de un campo, ya que la muestra se divide espontáneamente en regiones de aproximadamente 1 μm de tamaño, llamadas dominios, dentro de las cuales los momentos magnéticos elementales se dirigen de la misma manera, pero las magnetizaciones de diferentes Los dominios están orientados aleatoriamente y, en promedio, se compensan entre sí. Las fuerzas que provocan la transición ferromagnética sólo pueden explicarse mediante las leyes de la mecánica cuántica.
Los antiferroimanes se caracterizan por el hecho de que los momentos magnéticos del espín a la temperatura de transición antiferromagnética (temperatura de Néel TN) están ordenados de tal manera que se anulan entre sí.
Si la compensación de los momentos magnéticos es incompleta, estas sustancias se denominan ferrimagnetos, por ejemplo Fe2O3 y FeCr2O4. Las últimas tres clases de compuestos son sólidos y los estudian principalmente los físicos. Durante las últimas décadas, físicos y químicos han creado nuevos materiales magnéticos.
En una molécula que contiene un electrón desapareado, los electrones restantes (emparejados) debilitan el campo magnético, pero la contribución de cada uno de ellos es de dos a tres órdenes de magnitud menor. Sin embargo, si queremos medir con mucha precisión las propiedades magnéticas de los electrones desapareados, debemos introducir las llamadas correcciones diamagnéticas, especialmente para grandes moléculas orgánicas, donde pueden alcanzar decenas de por ciento. Las susceptibilidades diamagnéticas de los átomos de una molécula se suman entre sí según la regla de aditividad de Pascal-Langevin. Para ello, la susceptibilidad diamagnética de los átomos de cada tipo se multiplica por el número de dichos átomos en la molécula y luego se introducen correcciones constitutivas según las características estructurales (dobles y triples enlaces, anillos aromáticos, etc.). Pasemos a considerar cómo se estudian experimentalmente las propiedades magnéticas de las sustancias.
MEDICIÓN EXPERIMENTAL DE SUSPITIVIDAD MAGNÉTICA
Los principales métodos experimentales para determinar la susceptibilidad magnética se crearon en el siglo pasado. Según el método de Gouy, se mide el cambio en el peso de una muestra en un campo magnético en comparación con su ausencia.
El método de Faraday mide la fuerza que actúa sobre una muestra en un campo magnético no uniforme.
La principal diferencia entre el método de Gouy y el método de Faraday es que en el primer caso la falta de homogeneidad se mantiene según un patrón (extendido) y, en el segundo, según el campo magnético.
El método Quincke se utiliza únicamente para líquidos y soluciones. Mide el cambio de altura de una columna de líquido en un capilar bajo la influencia de un campo magnético.
En este caso, para líquidos diamagnéticos la altura de la columna disminuye, para líquidos paramagnéticos aumenta.
El método del viscosímetro mide el tiempo que pasa el líquido a través de un pequeño orificio con el campo magnético activado (tH) y desactivado (t0). El tiempo de flujo de los líquidos paramagnéticos en un campo magnético es notablemente más corto que en ausencia de campo; en el caso de los líquidos diamagnéticos ocurre lo contrario.
La susceptibilidad magnética también se puede medir utilizando un espectrómetro de RMN. Nota: la magnitud del desplazamiento químico de la señal de RMN en el caso general está determinada no solo por la constante de detección, que es una medida de la densidad electrónica en el núcleo en estudio, sino también por la susceptibilidad magnética de la muestra.
El valor obtenido de susceptibilidad magnética para materiales paramagnéticos está determinado por el número de electrones desapareados (por un electrón desapareado)
Los estudios magnetoquímicos permiten establecer la configuración electrónica de los compuestos de metales de transición, que forman la base de la química de los compuestos (complejos) de coordinación.
Midiendo la susceptibilidad magnética se puede juzgar fácilmente el grado de oxidación y la geometría de la primera esfera de coordinación del complejo.
Se sabe que lo más importante en la práctica. reacciones químicas ocurren en soluciones, estas también incluyen reacciones de formación de complejos, por lo que en la siguiente sección consideraremos las propiedades magnéticas de las soluciones en las que los compuestos de metales de transición se realizan en forma de complejos.
SUSPECTIVIDAD MAGNÉTICA DE LAS SOLUCIONES
Al pasar de sólido a una solución, se debe tener en cuenta la susceptibilidad magnética del disolvente y de todos los solutos. En este caso, la forma más sencilla de tener esto en cuenta es sumar las contribuciones de todos los componentes de la solución según la regla de aditividad. El principio de aditividad es uno de los principios fundamentales en el procesamiento de datos experimentales. Cualquier desviación de él suele estar asociada con el hecho de que se cumple el principio de aditividad en sí y los componentes de la solución cambian sus propiedades. Por lo tanto, se supone que la susceptibilidad magnética de la solución es igual a la suma de las susceptibilidades magnéticas de los componentes individuales, teniendo en cuenta la concentración.
Del estudio de las propiedades magnéticas de la misma sustancia en diferentes disolventes se desprende claramente que pueden depender significativamente de la naturaleza del disolvente. Esto puede explicarse por la entrada de moléculas de disolvente en la primera esfera de coordinación y el correspondiente cambio en la estructura electrónica del complejo, las energías de los orbitales d (D) y otras propiedades del complejo de solvato. Así, la magnetoquímica también permite estudiar la solvatación, es decir, la interacción de un soluto con un disolvente.
Si un campo magnético afecta las propiedades de una solución, y numerosos hechos experimentales (mediciones de densidad, viscosidad, conductividad eléctrica, concentración de protones, susceptibilidad magnética) indican que esto es así, entonces se debe reconocer que la energía de las interacciones entre los individuos componentes de la solución y el conjunto de moléculas de agua es bastante alto, entonces es comparable o excede la energía del movimiento térmico de las partículas en una solución, lo que promedia cualquier efecto sobre la solución. Recordemos que la energía de interacción magnética de una partícula (molécula) es pequeña en comparación con la energía del movimiento térmico. Tal interacción es posible si aceptamos que en el agua y en soluciones acuosas, debido a la naturaleza cooperativa de los enlaces de hidrógeno, se forman grandes conjuntos estructurales de moléculas de agua similares al hielo, que pueden fortalecerse o destruirse bajo la influencia de sustancias disueltas. La energía de formación de tales "conjuntos" es aparentemente comparable a la energía del movimiento térmico y, bajo influencia magnética, la solución puede recordarla y adquirir nuevas propiedades, pero el movimiento browniano o el aumento de la temperatura eliminan esta "memoria" con el tiempo.
Seleccionando con precisión las concentraciones de sustancias paramagnéticas en un disolvente diamagnético, es posible crear un líquido no magnético, es decir, uno cuya susceptibilidad magnética promedio sea cero o en el que los campos magnéticos se propaguen de la misma manera que en el vacío. Esta interesante propiedad aún no ha encontrado aplicación en la tecnología.
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