Capitolul

PROPRIETILE MAGNETICEALE SUBSTANELOR

PROPRIETILE MAGNETICE ALESUBSTANELOR

Proprietile magnetice sunt proprletl fundamentaleale substantelor care apar n lnteraclunea acestora cu uncmp magnetic exterior.

MAGNETISMUL ELECTRONIC

Atomii sau agregatele de atomi introduse n cmpmagnetic se magnetizeaz, capt un moment magneticindus.

Intensitatea de magnetizare (1)este direct proporionalcu intensitatea cmpului inductor (H) :

I =X moi" H

Constanta de proporionalitate (sau magnetizarea produs de unitatea decmp magnetic raportat la unitatea de mas), 'X, reprezintsusceptibilitatea magnetic specific, 'X S' care amplificat cu masamolecular, M, cu masa atomic, A, sau cu ionul-gram, exprim:

- susceptibilitatea magnetic molar: 'X m= X s M- susceptibilitatea magnetic atomic: 'X A = 'Xs A- susceptibilitatea magnetic ionic: 'X i= h ion-gram

1..mol- susceptibilitatea magnetic molar, ce cuprinde

susceptibilitatea diamagnetic 'Xdia i susceptibilitatea paramagnetic1.. para'X =X.+'Xmoi dia para

1..di; - reprezint momentul magnetic indus ntr-un mal de substan ceconine numai electroni cuplai i care i compenseaz reciproc momenteleorbitale i de spin. 1..dia are sens invers sensului crnpulul inductor;

'X para - reprezint momentul magnetic indus ntr-un moi de substan ceconine electroni necuplai. 'Xpara are acelai sens cu cmpul inductor;

'X moi - este o mrime caracteristic fiecrei substane i reprezintmomentul magnetic indus intr-un moi de substan de un cmp magnetic H =1Gauss.

Proprietile magnetice ale atomilor i moleculelor sunt dependente detemperatur i de structura electronic, respectiv dac electronii suntcuplai sau necuplal,

Momentul magnetic al unui sistem, exprimat n magneton Bohr-Procopiu (i o), este dat de relaia:

n care: J - numr cuantic intern total (J = L S);9 - factor giromagnetic care indic contributia momentelor

magnetice totale date de 5 i L (in general, 5 are o contributie de 2 ori maimare ca L, astfel c pentru atomii cu electroni d necuplal se poateconsidera L = 0, 9 = 2);

f.1 o - magneton Bohr-Procopiu, reprezint valoarea minim amomentului magnetic al electronului ntr-un atom.

2

i = 2 ~J(J+1) . lo = 2 ~S(S+1) . i o

Pentru un atom cu n electroni necuptai fiecare cus =~ , atunci S = ~ :

i = 2~~[~+1l .l o =.Jn(n+2) l o

Cu aceast relaie teoretic se obtin valori apropiate de celeexperimenta le.

Dup valorile susceptibitttsit magnetice, dup sensul iintensifatea magnetizrii, substanele se clasific n:

1. Diamagnetice

2. Paramagnetice

3. Feromagnetice

4. Antiferomagnetice

5. Metamagnetice

6. Ferimagnetice

3

1. Substanele diamagnetice introduse in cmp magneticneomogen, sunt respinse spre regiunea de intensitate minim aliniilor de cmp i se orienteaz perpendicular pe liniile de for.Diamagnetismul este caracteristic elementelor sau substanelorcare au toti electronii cuplai, momentele orbitale i de spin secompenseaz reciproc, compensarea menlnndu-se i n cmpmagnetic.

sN

Orientarea substanelor diamagnetice in cmp magnetic

n categoria substanelor (atomi ioni, molecule) diamagnetice sencadreaz:- moleculele gazelor rare: H2,CI2, N2, S02;

- atomii metalelor: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra;

- atomii metalelor: Zn, Cd, Hg;

- ionii cu configuratie electronic saturat de 2 electroni:H-, u-, 8e2+;

- ionii cu configuratie electronic saturat de 8 electroni:Na+ K+ Rb+ Cs+ Fr+ Mg2+ Ca2+ Sr2+ 8a2+ Ra2+ AP+ Sc3+ Y3+, , , , , , , , , , , , ,

La3+ Ac3+ 02- 52- Se2- Te2- F- CI- Br: 1-', , , , ,1'" , , ,

- ionii cu configuratie electronic pseudosaturat:cu-, Ag+, Au+, Zn2+, Cd2+, Hg2+, Ga3+, In3+, TP+;

II! ionii cu configuratie electronic special:Ga+, In+, TI+, Ge2+, 5n2+, Pb2+, AS3+, Sb3+, 8i3+.

4

2. Substanele paramagnetice, introduse n cmp magneticneomogen, sunt atrase spre regiunea de densitate maxim a liniilorde cmp i se orienteaz paralel cu liniile de cmp; orientarea semenine atta timp ct acioneaz cmpul magnetic exterior.

Paramagnetismul este oproprietate a substanelordependent de temperatur ivariaz invers proporional cuaceasta, ca i polarizaia deorientare.

N

Orientarea substanelor paramagnetice in cmpmagnetic

n categoria substanelor (atomi ioni, molecule) paramagnetice sencadreaz: atomii metalelor alcaline toti atomii metalelor tranzitonale ce posed cel putin unelectron nelmperecheat (Ag, Au, Se, Ti, V, cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu,ete.) ioniimonoatomici, eu cel puin un eleetron neimpereeheat(Cu2+, TP~, V2+, Cr2+, Cr3+, Mn2+, Fe2+, f'e3+, C02+, Co3+, Ni2+, Ag2+,etc.) molecule cu electroni nernperecheal: NO, N02, CI02, etc. atomii nemetalelor: S (vapori), CI (vapori) radicalii organici liberi.

Paramagnetlsmul subatanelor se poate determina prin metodadenumit rezonan electronic de spin (RES) sau rezonanparamagnetic electric, care utilizeaz spectrometrul RES.Metoda este foarte sensibil, permite determinarea electronilornecuplal n molecule i ionl, proprietile paramagnetice, respectivIdentificarea subetanelor paramaqnetlce (sensibilitate 10-12 mol/L).

L- ~ ~ ~ 5

---------

3. Substanele feromagnetice au un paramagnetism pronuntat carese manifest i n absena cmpului exterior, deosebindu-se desubstanele paramagnetice la care aceste proprletl dispar cndse ndeprteaz cmpul magnetic.Feromagnetismul este o proprietate a unor substante de a semagnetiza foarte puternic chiar ntr-un cmp magnetic exteriorslab.

Orientarea spinilorelectronici nsubstantele

feromag netice r flffl1Substanta

magnetizat

Exemple de substane feromagnetice: Fe i alte aliaje, Co, Ni, unelelantanoide, unii oxizi ca Fe304, Mn304, Ni02, Fe203, CoO'Pe203,CuO'Fe203, unele aliaje.

4. Substane/e antiferomagnetice sunt substante paramagnetlce acror susceptibilitate magnetic are o valoare maxim la otemperatur denumit de tranziie antiferomagnetic sau punctNee/.Antiferomagnetismul apare n absenta unui cmp magneticexterior.

Orientarea spontan avectorilor n substanele

antiferomagnetice

Exemple de substante antiferomagnetice: Cr, unele aliaje de Fe iMn, oxizi - MnO, NiO, CoO, FeO, sulfuri - FeS, halogenuri" NiCI2 .a.

6

Ferimagnetismul este caracterizat prin aranjarea antiparalel aspinilor electronici n atomi i anume: o parte sunt orlental paralelintr-un sens iar cealalt parte sunt orlentaf paralel dar n sensopus, astfel ca momentul rezultant s fie diferit de zero.

S = 5/2

8Fe3+

nnnn< 111111111~~~11

8Fe3+

Orientarea antiparalel avectorilor magneilor

elementari n substaneferimagnetice

~xemple de substane ferimagnetice: ferite - oxizi micti ai Fe(lII) cumetale divalente: Ni, Mn, Zn, Mg .a., cu formula general: (MIIO)(Fe203)

5. Metamagnetismul sau antiferomagnetismul spiralic - secaracterizeaz prin variatia ausceptlbllltil magnetice cutemperatura i cu cmpul magnetic exterior aplicat.

Orientarea elicoidal a spinilor electronici la

substanele metamagnetice

Substane/e metamagnetice se magnetizeaz numai n anumiteintervale de temperatur i sub actiunea cmpurilor magneticeputernice.

Exemple de substane metamagnetice:unele sruri de Fe, Mn, unelealiaje de Mn (MnAu2), Dy, Ho, Er, Fm, Sa.

7

------

MAGNETISMUL NUCLEAR

Acest tip de magnetism apare la nucleele atomilor ceposed un numr impar de nucleoni i se datoreaz spinuluinuclear caracterizat la rndul su de un numr cuantic de spinnuclear (1)ce poate lua valorile intregi i multipli de % (1, 3/2; 2.a.).

Pe baza proprletltor magnetice, numeroase substante, ngeneral soli de, sunt folosite ca materiale magnetice.

Materialele magnetice solide se clasific n:materiale magnetice moi, care se magnetizeaz i

demagnetizeaz uor. Exemple: aliaje Fe-Si, unele ferite:6Fe203NiO, 6Fe203MnO etc

- materiale magnetice dure sau permanente, care semagnetizeaz greu, dar retin magnetismul. Exemple: aliaje de Cr,aliaje de Ni, feritele de Ba.

lichidele pure au proprletl magnetice slabe. S-au obtinut lichidecu proprletl magnetice remarcabile, cunoscute sub denumirea(improprie) de ferofluide.

Ferofluidele se obtin prin dispersia unor particule feromagneticede dimensiuni 30-150 A ntr-un lichid (petrol, ulei, ap etc.), laconcentrall de 1017 partlcule/crn''.

lichidul obtinut devine un material feromagnetic, cu proprlettlasemntoare solidelor feromagnetice, dar pstreaz icaracteristicile lichidului din punct de vedere mecanic, electric ichimic.

Magnetizarea ferofluidelor crete cu creterea intensittii cmpuluimagnetic aplicat, pn la o valoare de saturaie. Ferofluidele aumultiple aplicatii practice, ferolubrlflani, lichide magneticeamortizoare, pentru modularea lntensltil radlalllorelectromagnetice etc.