Moment magnétique orbital et spin, exemples

La magnétisation Il s'agit d'une quantité vectorielle qui décrit l'état magnétique d'un matériau et est défini comme la quantité de moments magnétiques dipolaires par unité de volume. Un matériau magnétique peut être considéré - il ou nickel par exemple - comme s'il était constitué par de nombreux petits aimants appelés dipôles.

Normalement, ces dipôles, qui à leur tour ont des pôles magnétiques nord et sud, sont distribués avec un certain degré de trouble dans le volume du matériau. Le trouble est plus faible dans les matériaux à fortes propriétés magnétiques telles que le fer et plus dans d'autres avec un magnétisme moins évident.

Figure 1. Les dipôles magnétiques sont disposés au hasard à l'intérieur d'un matériau. Source: F. Zapata.

Cependant, lors de la place du matériau au milieu d'un champ magnétique externe, comme celui qui se produit à l'intérieur d'un solénoïde, les dipôles sont orientés selon le champ et le matériau est capable de se comporter comme un aimant (figure 2).

Figure 2. Placer un matériau comme un morceau de fer par exemple, à l'intérieur d'un solénoïde à travers lequel un courant je passe, le champ magnétique de ceci aligne les dipôles dans le matériau. Source: F. Zapata.

Être M Le vecteur de magnétisation, qui est défini comme:

Où m_Toi C'est à son tour un autre vecteur, appelé Moment magnétique dipolaire. L'origine de ce vecteur est dans l'atome et sera claire dans la section suivante.

Maintenant, l'intensité de la magnétisation dans le matériau, en raison de sa plage dans le champ extérieur H, Il est donc proportionnel à cela:

M ∝ H

La constante de proportionnalité dépend du matériau, est appelée sensibilité magnétique et dénote χ:

M =χ. H

Les unités de M Dans le système international, ils sont ampères / mètres, ainsi que ceux de H, Par conséquent, χ est sans dimension.

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Moment magnétique orbital et spin

Le magnétisme résulte du déplacement des charges électriques, donc pour déterminer le magnétisme de l'atome, nous devons prendre en compte les mouvements des particules chargées qui le constituent.

Peut vous servir: capacité thermique figure 3. Le mouvement d'électrons autour du noyau contribue au magnétisme avec le moment magnétique orbital. Source: F. Zapata.

À commencer par l'électron, qui est considéré en orbiteux le noyau atomique, est comme une minuscule spirale (circuit fermé ou boucle de courant fermé). Ce mouvement contribue au magnétisme de l'atome grâce au vecteur de moment magnétique orbital m, dont l'ampleur est:

M = I.POUR

Où Toi C'est l'intensité actuelle et POUR C'est la zone verrouillée par la boucle. Par conséquent, les unités de m Dans le système international (SI), ils sont ampères x mètre carré.

Le vecteur m Il est perpendiculaire au plan spase, comme le montre la figure 3 et est dirigé comme indiqué par la règle du pouce droit.

Le pouce est orienté dans le sens du courant et les quatre doigts restants sont roulés autour de la boucle, pointant vers le haut. Ce petit circuit équivaut à un aimant à barre, comme indiqué par la figure 3.

Moment magnétique de Spin

Mis à part le moment magnétique orbital, l'électron se comporte comme s'il se tournait sur lui-même. Cela ne se produit pas exactement de cette manière, mais l'effet résultant est le même, c'est donc une autre contribution qui doit être prise en compte pour le moment magnétique net d'un atome.

En fait, le moment magnétique d'Espín est plus intense que le moment orbital et est le principal responsable du magnétisme net d'une substance.

Figure 4. Le moment magnétique d'Espín est celui qui contribue le plus à la magnétisation nette d'un matériau. Source: F. Zapata.

Les moments d'Espín sont alignés en présence d'un champ magnétique externe et créent un effet de cascade, s'alignant successivement avec les moments voisins.

Tous les matériaux ne présentent pas des propriétés magnétiques. Celles-ci sont dues au fait que les électrons à spin opposés forment des couples et annulent leurs moments magnétiques respectifs d'Espín.

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Seulement si quelqu'un est disparu, il y a une contribution au moment magnétique total. Par conséquent, seuls les atomes avec un nombre impair d'électrons ont la possibilité d'être magnétique.

Les protons du noyau atomique apportent également une petite contribution au moment magnétique total de l'atome, car ils ont également un rotation et donc un moment magnétique associé.

Mais cela dépend inversement de la pâte, et celle du proton est beaucoup plus grande que celle de l'électron.

Exemples

À l'intérieur d'une bobine, à travers lequel passe un courant électrique, un champ magnétique uniforme est créé.

Et comme décrit dans la figure 2, lors du placement d'un matériau, les moments magnétiques de cela sont alignés sur le champ de la bobine. L'effet net est de produire un champ magnétique plus intense.

Les transformateurs, dispositifs qui augmentent ou diminuent des tensions alternatives, sont de bons exemples. Ils se composent de deux bobines, primaire et lycée, dépassées sur un noyau de fer sucré.

Figure 5. Dans le cœur du transformateur, une aimantation nette se produit. Source: Wikimedia Commons.

La bobine primaire est faite par un courant changeant qui modifie alternativement les lignes de champ magnétique dans le noyau, qui à son tour induit un courant dans la bobine secondaire.

La fréquence de l'oscillation est la même, mais l'ampleur est différente. De cette façon, des tensions majeures ou mineures peuvent être obtenues.

Au lieu de serrer les bobines à un noyau en fer solide, il est préférable.

La raison est due à la présence des courants de Foucault dans le noyau, qui ont pour effet de le réchauffer considérablement, mais les courants induits dans les feuilles sont plus faibles, et donc le chauffage de l'appareil est minimisé.

Chargeurs sans fil

Un téléphone portable ou une brosse à dents électrique peut être chargé par induction magnétique, appelée charge sans fil ou charge inductive.

Il fonctionne comme suit: Il y a une base ou une station de charge. Dans la poignée de pinceau, une autre bobine est placée (secondaire).

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Le courant dans la bobine primaire à son tour induit un courant dans la bobine de mangue lorsque la brosse est placée dans la station de chargement, et il s'occupe du chargement de la batterie qui se trouve également dans la poignée.

L'ampleur du courant induit augmente lorsqu'un noyau de matériau ferromagnétique est placé dans la bobine principale, qui peut être le fer.

Pour que la bobine primaire détecte la proximité de la bobine secondaire, le système émet un signal intermittent. Une fois la réponse reçue, le mécanisme décrit est activé et le courant commence à être induit sans avoir besoin de câbles.

Ferrofluide

Une autre application intéressante des propriétés magnétiques de la matière est le ferrofluide. Ceux-ci sont constitués de minuscules particules magnétiques d'un composé de ferrite, en suspension dans un milieu liquide, qui peut être organique ou même l'eau.

Les particules sont recouvertes d'une substance qui empêche leur agglomération et reste donc distribuée dans le liquide.

L'idée est que la capacité de s'écouler du fluide est combinée avec le magnétisme des particules de ferrite, qui ne sont pas fortement magnétiques, mais acquièrent une magnétisation en présence d'un champ externe, comme décrit précédemment.

La magnétisation acquise disparaît dès que le champ externe est supprimé.

Les ferrofluides ont été initialement développés par la NASA pour mobiliser le carburant à l'intérieur d'un navire sans gravité, donnant l'impulsion à l'aide d'un champ magnétique.

Actuellement, les ferrofluides ont de nombreuses applications, certaines encore dans une phase expérimentale, comme:

- Réduire la friction dans les locuteurs des haut-parleurs et des écouteurs (éviter la réverbération).

- Autoriser la séparation des matériaux avec une densité différente.

- Agir comme des timbres sur les axes des disques durs et repousser la saleté.

- Comme traitement du cancer (en phase expérimentale). Le ferrofluide est injecté dans des cellules cancéreuses et un champ magnétique est appliqué qui produit de petits courants électriques. La chaleur générée par ces attaques des cellules malignes et les détruit.

Les références

1. Journal brésilien de physique. Ferrofluides: propriétés et applications. Récupéré de: sbfisica.org.BR
2. Figueroa, D. (2005). Série: Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 6. Électromagnétisme. Édité par Douglas Figueroa (USB). 215-221.
3. Giancoli, D.  2006. Physique: principes avec applications. 6e.Ed Prentice Hall. 560-562.
4. Kirkpatrick, L. 2007. Physique: un regard sur le monde. 6e édition abrégée. Cengage Learning. 233.
5. Shipman, J. 2009. Introduction aux sciences physiques. Cengage Learning. 206-208.