Paramagnétisme

Nous expliquons ce qu'est le paramagnétisme, ses caractéristiques, les applications et donnons plusieurs exemples

Les moments magnétiques permanents sont orientés au hasard, mais s'alignent avec le champ magnétique appliqué. Source: Wikimedia Commons / F. Zapata.

Qu'est-ce que le paramagnétisme?

Il paramagnétisme C'est l'attraction que certains matériaux éprouvent en présence d'un champ magnétique externe. Les substances paramagnétiques sont faiblement attirées par les régions où ce champ est plus intense.

L'origine du paramagnétisme est le mouvement des électrons dans l'atome, car toute charge électrique en mouvement se comporte comme une minuscule spira actuelle, générant son propre champ magnétique.

Le magnétisme de l'électron et de l'atome est caractérisé à travers l'ampleur du vecteur appelé Moment magnétique. Les atomes des matériaux paramagnétiques ont des moments magnétiques nets, car ils ont des électrons manquants, c'est-à-dire des électrons solitaires dans une orbitale et dont le moment magnétique net n'est pas annulé par un autre.

C'est ce qui se passe en aluminium, une substance paramagnétique dont l'orbital 3p contient un seul électron qui donne à l'atome son moment magnétique net. Le fer, en revanche, dont la réponse magnétique est encore plus intense, a 4 électrons manquants à son dernier niveau.

Avant d'appliquer le champ externe, les moments magnétiques d'un matériau sont orientés au hasard et donc son aimantation, qui est le moment magnétique net par unité de volume, est vide. Mais une fois le champ externe appliqué, les moments magnétiques ont tendance à être orientés dans la même direction du champ, bien que l'agitation thermique des atomes soit opposée, empêchant un alignement complet.

Lorsque le matériau est retiré du champ externe ou que cela disparaît, les moments magnétiques d'une substance paramagnétique reviennent à l'état initial de désordre. Mais alors qu'ils restent alignés, la substance se comporte comme un aimant faible.

Caractéristiques du paramagnétisme

Les matériaux paramagnétiques sont caractérisés par la présentation:

1.- Couche électronique plus externe partiellement pleine.

2.- Moments magnétiques nets permanents, en raison de la présence d'électrons manquants, dont le moment magnétique n'est pas annulé avec celui d'un autre électron.

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3.- Moments magnétiques orientés au hasard en l'absence d'un champ magnétique externe.

4.- Aimétisation nette en présence d'un champ externe, qui disparaît dès que le champ est supprimé. Il arrive que l'alignement avec le champ externe favorise l'état d'énergie minimum des électrons.

5.- Sensibilité positive et petite magnétique: entre 10⁻⁶ et 10⁻². La sensibilité magnétique est l'indicateur sans dimension de la facilité de la substance à magnétiser en présence d'un champ extérieur.

6.- Diminution de l'aimantation avec la température. En effet, les matériaux paramagnétiques obéissent à la loi de Curie:

Lorsque χ est la sensibilité magnétique, t est la température de Kelvin et C est une constante du matériau.

Applications de paramagnétisme

Résonance paramagnétique électronique

Cette technique détecte les espèces paramagnétiques lors de l'application d'un champ magnétique externe aux molécules d'un solide paramagnétique, de cette manière, certains changements dans les états de spin sont induits, appelés transitions.

En appliquant ensuite une énergie électromagnétique dans la plage de micro-ondes, il est possible de produire un spectre d'absorption particulier, appelé Résonance de spin électronique.

Ce spectre permet d'étudier des molécules d'origine organique, telles que les radicaux libres de l'interaction entre la matière organique et les rayonnements ionisants, l'offre, entre autres, des informations précieuses sur les dommages produits par ces radiations dans les tissus biologiques.

Les échantillons inorganiques peuvent également être analysés via des ions de métaux de transition.

Refroidissement magnétique

Une application très intéressante de certains sels paramagnétiques, tels que le nitrate de magnésium, le sulfate de fer-ammonium et le sulfate de fer-potassium, se trouve dans la zone des basses températures.

Lors de l'application d'un champ magnétique externe variable, la température de ces sels peut varier, phénomène appelé Effet magnétocalical, observé pour la première fois à la fin du 19e siècle en fer métallique. De cette façon, les températures de l'ordre de 0 peuvent être atteintes.01 K.

Échantillons de datation

Dans cette application, les principes de la résonance paramagnétique électronique sont utilisés pour étudier les matériaux exposés au rayonnement ionisant. Lorsqu'un objet reçoit un rayonnement ionisant, qui peut provenir de minéraux radioactifs de la croûte terrestre, il y a une trace, composée de charges électriques piégées dans les défauts de la structure cristalline du matériau.

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Cette empreinte est appelée centre paramagnétique Et il est détectable par le biais de techniques de résonance paramagnétique électronique.

Il est possible d'offrir une datation sachant que la valeur des charges électriques dans les centres paramagnétiques dépend, à la fois le moment où l'échantillon a été exposé à la radioactivité et à la dose (énergie par unité de masse reçue).

De cette façon, des échantillons plus anciens peuvent être datés que la méthode de radiocarbone permet, par exemple, de dents squelettiques de l'ère quaternaire, qui contiennent des minéraux sensibles aux rayonnements.

Capteurs paramagnétiques en oxygène

Ils sont utilisés pour détecter la quantité d'oxygène dans un échantillon, puisque l'oxygène est paramagnétique, c'est-à-dire qu'il est attiré par le champ magnétique d'un aimant.

Le capteur se compose d'un aimant qui agit comme une source du champ magnétique, deux sphères pleines d'azote (un matériau non paramagnétique) placée sur un support rotatif entre les pôles de l'aimant et un miroir au milieu du support et.

Un faisceau de lumière est influencé sur le miroir, qui se reflète vers les cellules photoélectriques. Une fois que l'oxygène est attiré par les poteaux aimant, il y a un couple qui tourne les sphères avec de l'azote.

Grâce au miroir, ce mouvement est détecté par les cellules photoélectriques, qui émettent immédiatement un signal vers un système qui génère le courant électrique nécessaire pour contrer le virage. Ce courant est proportionnel à la quantité d'oxygène présente et est facilement mesuré à l'aide d'un ampère.

Peinture paramagnétique automobile

Cette peinture de voiture fait changer la couleur de la voiture simplement en appuyant sur un bouton, grâce à un polymère spécial qui contient un oxyde de fer paramagnétique.

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En appliquant un courant électrique, les particules paramagnétiques sont alignées sur le champ d'une certaine manière, affectant la façon dont le polymère absorbe et reflète la lumière, produisant des changements de couleur.

Bien sûr, pour que la couleur change la voiture doit être sur. Lorsque le moteur est éteint, sa couleur de base est généralement blanche.

Exemples de matériaux paramagnétiques

Les matériaux suivants ont un comportement paramagnétique:

Oxygène (gazeux et liquide)

L'oxygène liquide adhère aux pôles des aimants. Source: Jefferson Lab via YouTube.

L'oxygène est gazeux à température ambiante et l'un des principaux composants de l'atmosphère. Une expérience simple en laboratoire montre que l'oxygène liquide qui est versé entre les pôles d'un aimant s'accumule dans ces.

Sulfate de tasse

Ce composé a des applications agricoles, telles que le fongicide, pour éliminer les ravageurs qui affectent les cultures et comme un saké. Un aimant attire facilement un échantillon de ce composé.

Aluminium

L'aluminium est un métal léger, résistant et économique avec de nombreuses applications. Il fait partie des véhicules, des avions, des ustensiles ménagers et est très utilisé dans la construction. Une balle en papier d'aluminium est également attirée par un aimant.

Hydrogène

L'hydrogène atomique est l'élément le plus simple et le plus abondant de l'univers, et est paramagnétique en raison du moment magnétique net de son seul électron.

Acier austénitique

L'un des aciers inoxydables les plus utilisés est l'acier inoxydable austénitique (qui contient de l'austénite, un composé de fer et de carbone), avec des propriétés paramagnétiques faibles.

Les références

1. Notes électromédicines. Capteurs: analyse paramagnétique de l'oxygène. Récupéré de: Pardell.est.
2. Cenam. Mesure de la sensibilité magnétique. Récupéré de: Cenam.mx.
3. Cours des fondamentaux de la science des matériaux. Récupéré de: upv.est.
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