Aimants et Magnétisme, le champ magnétique
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introduction
Les anciens Grecs savaient qu'un type de roche avec des propriétés magnétiques appelées magnétite ou de magnétite attiré fer. La boussole, un dispositif important pour la navigation, a un aimant suspendu qui aligne parallèlement au champ magnétique produit par la Terre et en tant que points de résultat au pôle nord de la boussole a été documentée dès 1040. La Ching Tsung Yao décrit comment le fer peut être magnétisé par chauffage et trempe à l'eau. On sait que les Vikings utilisé Lodestone pour naviguer. A la fin du XIIe siècle, les Européens utilisaient cette simple boussole pour faciliter la navigation. Une aiguille en acier frotté avec un tel « magnétite » devient « magnétique » aussi bien.
En 1600, William Gilbert (également connu sous le nom Gilberd) de Colchester a proposé une explication dans son œuvre De Aimant pour le fonctionnement de la boussole et que la terre elle-même était un aimant géant, avec ses pôles magnétiques à quelque distance de ses celles géographiques (c.-à- à proximité des points définissant l'axe autour duquel tourne la Terre). Il a fait un modèle expérimental de la terre en créant une sphère Lodestone.
Propriétés des aimants
William Gilbert a également expérimenté sur des aimants de bar et a trouvé les propriétés suivantes:
Un aimant aura toujours deux pôles que nous appelons arbitraire du Nord et du Sud. Je l'aimant est cassé en deux cela va créer deux nouveaux aimants avec pôles Nord (N) et du Sud (S). Si un aimant est cassé en deux, à la fracture de nouveaux pôles nord et sud sont formés au point de rupture.
Propriétés des aimants
- Les pôles se repoussent. Si un pôle N est amené à proximité du pôle N d'un deuxième aimant se fera sentir une force de répulsion. De même, si un pôle S est amené à proximité du pôle S d'un autre aimant, les deux aimants se repoussent.
- Contrairement à pôles d'attirer et de se tenir ensemble.
- Aimants attirent des matériaux riches en fer et comme pôles et la répulsion entre les pôles comme peuvent être réduits si une bande de fer est placé entre eux.
La théorie du domaine de Magnétisme
Comment pouvons-nous expliquer ces propriétés intéressantes? La théorie de domaine indique que l'intérieur d'un aimant il y a des petites régions dans lesquelles la direction magnétique de tous les atomes sont alignées dans la même direction. Ces régions sont appelées domaines.
Pourquoi est-ce formulaire Domaines magnétiques?
Considérons un aimant qui a été été magnétisé de telle sorte que l'ensemble de l'aimant forme un seul domaine magnétique. Les frais de surface apparaissent à chaque extrémité du cristal. Associé aux charges de surface est un champ magnétique secondaire appelé le champ de démagnétisation qui agit pour réduire le champ magnétique. L'énergie des charges de surface est appelée l'énergie magnétostatique.
Formation de domaine dans un aimant
Bien entendu, on peut se demander, si l'énergie magnétostatique est réduite par la formation de domaines, peuvent-ils continuer à former indéfiniment? Pour que la réponse est non. La raison en est que l'énergie est nécessaire pour produire et maintenir la zone de transition d'un domaine à un autre, la paroi de domaine. L'équilibre sera atteint lorsque l'énergie magnétostatique est égale à l'énergie nécessaire pour maintenir les parois de domaines. Cependant, les domaines sont beaucoup plus grandes que les molécules individuelles dans l'aimant.
Il n'y a que 4 éléments ferromagnétiques à température ambiante. Parmi ceux-ci, le fer (Fe), le nickel (Ni) et le cobalt (Co) sont présentés ci-dessus. Le quatrième est le gadolinium (Gd).
Les images ci-dessous montrent la formation rendue visible avec l'utilisation de suspensions colloïdales magnétiques qui se concentrent le long des limites du domaine. Les limites du domaine peut être imagée par la lumière polarisée, et aussi avec l'utilisation de la diffraction d'électrons. Observation du mouvement des limites de domaine sous l'influence des champs magnétiques appliqués a contribué au développement de traitements théoriques. Il a été démontré que la formation de domaines minimise la contribution magnétique à l'énergie libre.
Si un champ magnétique est appliqué au cristal, les domaines qui correspondent au champ magentic augmentera à mesure que la charge des domaines qui pointent dans d'autres directions.
Théorie atomique du Magnétisme
On connaît le modèle de l'atome avec un noyau qui contient les protons et les neutrons et orbite d'électrons du noyau. Au sein de l'atome, les électrons se comportent comme si elles sont des aimants. Electrons, protons et neutrons ont tous un moment dipolaire magnétique mais le moment magnétique d'un électron est le plus important. En fait, il est avantageusement associé un appareil appelé le magnéton de Bohr, qui est égal au moment de dipôle magnétique d'un électron. (ΜB = m / 2e = 9,274 x 10 -24 J T -1)
En plus du moment de dipôle magnétique des électrons, le fait que les électrons en orbite autour du noyau donnent naissance à un second champ magnétique produit par la charge en mouvement autour du noyau.
Le champ magnétique
Propriétés des aimants
l'intensité du champ magnétique est donnée le symbole H à l'unité Tesla
la densité de flux magnétique est donné le symbole B et a l'unité (W m -2)
Pour mesurer le champ magnétique provoqué par une la loi actuelle est Savart Biot utilisé
Le champ magnétique est un champ de vecteurs qui signifie qu'il a une amplitude et une direction pour chaque point dans l'espace. La force et la direction du champ magnétique en un point quelconque est défini en termes de la force sur une particule chargée se déplaçant comme un électron. La force du champ magnétique créé provient de l'équation de Lorentz sans champ électrique. en mesurant la force sur une charge d'essai de l'unité. Le magnetude et la direction proviennent de l'équation de la force de Lorentz.
Étant donné que nous avons affaire à un contre-produit, la direction de la force est une direction perpendiculaire au plan du V et B. et la grandeur de la force est alors F = q v B sin θ
où thêta est l'angle entre B et v
Un champ magnétique est les lignes de force magnétique générée par un. Depuis un monopôle magnétique n'a jamais été trouvé, il n'a pas de sens de parler d'une charge ponctuelle magnétique. Au lieu de cela, les lignes de champ magnétique sous forme de boucles fermées le long de la ligne de force magnétique égale. La force du champ magnétique est déterminée par le nombre de lignes de champ passant d'une unité de surface. Plus les lignes de champ plus le champ magnétique. Une unité de force du champ magnétique est connue sous le nom de Gauss est définie comme une ligne de champ magnétique par centimètre carré. La direction de la ligne de champ pourrait être déterminée en utilisant une aiguille de compas. Sa direction crée une ligne tangente au champ magnétique en ce point.
Par convention, la pointe de la flèche sur les lignes de champ magnétique pointe vers le pôle magnétique sud et loin du pôle nord magnétique. Les pôles magnétiques se alway par paires, personne n'a jamais trouvé un monopôle magnétique, bien qu'il y ait des recherches sur leur existance es posible.
L'image montre les lignes de champ produites par un barreau magnétique. limaille de fer sont sprinked sur un morceau de papier et la barre-aimant est placé sous le papier. Les remplissages de fer alignent et montrent l'intensité du champ magnétique.
Ampleur de B (T)
Types de Magnétisme
Avant d'aborder les différents types de magnétisme nous avons besoin d'éclaircir quelques définitions qui sont utilisées pour classer les types de magnétisme.
Comme le champ magnétique augmente, le flux magnétique augmente. On note l'intensité de champ magnétique H et par un flux magnétique B par la constante de proportionnalité est μ0 ceci est connu comme la permittivité magnétique
Dans le vide, μ0 a une valeur de 4π x 10 -7 m -1 H en unités SI
Pour d'autres matériaux de cette proportionnalité est exprimée avec la permittivité relative, μr
Le χ de sensibilité est définie en fonction de la permittivité relative. χ = (μr - 1)
ferromagnétisme
Ceci est lorsqu'une grande proportion des momements individuels magnétiques atomiques aligner et à produire un fort champ magnétique. Fer a fortement ferroaimant. Un champ de magnétisme externe peut être utilisé pour aligner les momements magnétiques atomiques. Lorsque le champ magnétique externe est supprimé les moments magnétiques restent dans la même direction à condition qu'ils ne reçoivent pas de choc ou sont chauffés au-dessus de la température Currie où le mouvement thermique peut randomiser l'alignement magnétique.
Anti Ferromagnetism
ferrimagnétisme
paramagnétisme
Les matériaux paramagnétiques tels que l'oxygène liquide et de l'aluminium présentent une attraction magnétique faible lorsqu'il est placé à proximité d'un aimant. Des atomes ou des ions dans le matériau ont un moment magentic net dû à des électrons non appariés dans les orbitales partiellement remplis. En présence d'un champ, il y a un alignement partiel des moments magnétiques atomiques dans la direction du champ résultant en une aimantation nette positive et la susceptibilité positive.
Dans un fort champ magnétique, les matériaux paramagnétiques deviennent magentic et resteront magnétiques alors que le champ est présent. Lorsque le champ magnétique est retiré de l'alignement magnétique net est perdue et les dipôles magnétiques se détendre à un mouvement aléatoire.
diamagnetism
Les matériaux diamagnétiques sont composés d'atomes qui ont pas de moments magnétiques nets. Cependant, quand il est exposé à un champ un faible magnétisation négatif est produit qui provoque la répulsion au lieu d'attraction. Les matériaux diamagnétiques ont susceptibilité négatif avec magnetitude de l'ordre de -10 à -10 -4
De nombreux matériaux communs sont diamagnétiques et, par conséquent, en présence de très forts champs Infamous la répulsion causée par diamagnetism peut provoquer des objets à léviter même des grenouilles.
Propriétés magnétiques des éléments du tableau périodique
Théorie quantique de Magnétisme
Tout cela est très bien mais il est un peu bizarre pourquoi seuls quelques éléments sont magnétiques, mais d'autres ne sont pas. Pour expliquer pourquoi il faut des informations sur la structure atomique des éléments et comment ils interagissent. Nous avons besoin de la physique quantique pour expliquer.
Le moment magnétique est constitué de deux sources distinctes. L'électron est une particule qui a son propre spin qui peut prendre des valeurs de ± 1/2 # X0127 ;. Le noyau a aussi des protons et des neutrons qui ont également leurs propres tours intrinsèques, mais le moment magnétique est inversement proportionnelle à la masse si par rapport à l'électron du moment magnétique du noyau est minime.
Le magnéton de Bohr est l'unité donnée au moment de dipôle magnétique d'électrons:
En unités SI ce μB = 9,274 x 10 -24 m 2 A
Il y a aussi une contribution au moment magnétique produit par l'électron se déplaçant autour du noyau peut être considéré agir comme une boucle de courant. L'amplitude du moment magnétique est liée à la vitesse angulaire de l'électron voyager autour du noyau.
Nous pouvons calculer la contribution au moment magnétique de l'électron. Considérons un électron de mas m et e de charge en orbite autour d'une orbite fixe, circulaire d'une distance R du centre. L'électron se déplace à vitesse constante v
Le moment cinétique de l'électron, est alors
Le courant produit par la mise en orbite d'électrons est donnée à partir de la définition d'un courant de flux de charge par unité de temps ou
Où T est la période de l'orbite électronique.
On peut réécrire le moment magnétique en termes de J comme γJ (si on laisse = gamma - e / (2me))
Nous appelons γ le rapport gyromagnétique
Rerefences
- Notes de Magnétisme - Université de Birmingham.
- Magnet Man expériences avec des aimants fraîches
- Cambridge Département de génie de l'Université
- Université du Delaware - magnétisme
- Kittel Physique de l'état solide
- L'état solide - de Supraconducteurs à superalliages