O grafite é magnético?

Na ciência dos materiais, o grafite é um material de carbonoA fibra óptica é um elemento importante na construção de um sistema de comunicação, devido à sua estrutura e propriedades especiais. Ele desempenha um papel fundamental em muitos campos, como a escrita e a indústria. Entretanto, seu magnetismo é frequentemente ignorado e o conhecimento do público é vago. A pesquisa sobre o magnetismo e a natureza do grafite não está relacionada apenas ao aprimoramento da teoria básica. Mas também tem grande potencial em campos emergentes, como a computação quântica.

O grafite é magnético?

Propriedades básicas do grafite

O cristal de grafite tem uma estrutura típica em camadas. E os átomos de carbono em cada camada são conectados uns aos outros por ligações covalentes, formando uma grade hexagonal plana em forma de favo de mel. Os elétrons podem se mover livremente na camada, o que confere ao grafite boa condutividade elétrica, semelhante às características das ligações metálicas. A camada e a camada são mantidas pela fraca força de van der Waals, e a distância é grande. Macroscopicamente, o grafite tem textura macia, brilho metálico, propriedades químicas relativamente estáveis e resistência a altas temperaturas. A resistência a uma variedade de erosão ácida e alcalina, a estrutura e as propriedades exclusivas são a base para a exploração de seu magnetismo.

A natureza do magnetismo

O magnetismo vem do movimento e do giro dos elétrons dentro dos átomos. O momento magnético orbital dos elétrons que orbitam o núcleo é como uma corrente em anel em miniatura. O próprio elétron também tem um momento magnético de spin, semelhante ao spin de um pião minúsculo. Na maioria dos materiais, a interação dos momentos magnéticos atômicos é complexa. Se os momentos magnéticos atômicos se alinharem espontaneamente na mesma direção dentro de uma determinada faixa, o material exibirá ferromagnetismo, como ferro, cobalto e níquel. Os momentos magnéticos de alguns materiais são opostos e paralelos entre si, mas o tamanho é diferente. E há momentos magnéticos líquidos, mostrando ferromagnetismo. Há também alguns materiais com momento magnético atômico reverso paralelo e completamente deslocado, macro não magnético, o chamado diamagnetismo. Quando o campo magnético externo, a órbita do elétron produzirá um momento magnético adicional fraco contra o campo externo. Essa é a fonte diamagnética.

As propriedades diamagnéticas do grafite

Grafite são substâncias essencialmente diamagnéticas. Na ausência de um campo magnético externo, a soma dos momentos magnéticos de cada átomo dentro do grafite é quase zero. Portanto, ele não apresenta magnetismo em geral. Mas quando um campo magnético é aplicado ao mundo externo, de acordo com o princípio da indução eletromagnética, o estado de movimento dos elétrons dentro do grafite muda. Para evitar a alteração do fluxo magnético do campo magnético externo, os elétrons geram um movimento adicional. Isso, por sua vez, forma um momento magnético de indução oposto à direção do campo magnético externo. Esse momento magnético de indução é muito fraco, de modo que o desempenho antimagnético do grafite não é óbvio. Sua suscetibilidade magnética é geralmente negativa e o valor é muito pequeno, da ordem de grandeza de -10^-5.

Fatores externos que afetam as propriedades magnéticas do grafite

A temperatura tem um efeito significativo sobre as propriedades magnéticas do grafite. À medida que a temperatura aumenta, o movimento térmico dos átomos dentro do grafite se intensifica. E esse aumento no movimento térmico interfere no movimento orbital dos elétrons. Isso, por sua vez, afeta a resposta dos elétrons ao campo magnético aplicado. Especificamente, à medida que a temperatura aumenta, o valor absoluto da suscetibilidade diamagnética do grafite diminui ligeiramente. Mas essa mudança é relativamente lenta. E pode-se considerar que o diamagnetismo do grafite permanece relativamente estável em uma determinada faixa de temperatura.

Além da temperatura, a força e a frequência do campo magnético externo também afetam as propriedades magnéticas do grafite. Quando a intensidade do campo magnético externo é fraca, a resposta diamagnética do grafite está basicamente em conformidade com a lei linear. Ou seja, a magnetização é proporcional à intensidade do campo magnético externo. Entretanto, quando a intensidade do campo magnético externo aumenta até certo ponto, o efeito mecânico quântico começa a aparecer. E as propriedades diamagnéticas do grafite se desviarão gradualmente da relação linear, mostrando um comportamento magnético mais complexo. Além disso, para campos magnéticos alternados, se a frequência for alta, a velocidade de resposta do elétrons dentro do grafite pode não ser capaz de acompanhar a mudança no campo magnético. Isso resulta em uma mudança em seu diamagnetismo.

O óxido de grafite é magnético?

Óxido de grafite é um derivado de grafite obtido pela oxidação do grafite. Durante o processo de oxidação, um grande número de grupos funcionais contendo oxigênio, como hidroxilaOs grupos de grafite, carboxila e epóxi são introduzidos na estrutura do grafite. A existência desses grupos funcionais contendo oxigênio altera muito a estrutura original da camada de grafite. Isso aumenta o espaçamento entre as camadas e destrói o sistema original de conjugação de elétrons do grafite. Isso resulta em uma diminuição significativa de sua condutividade elétrica.

Em termos de magnetismo, devido à existência de elétrons desemparelhados nos grupos funcionais contendo oxigênio introduzidos no processo de oxidação. Esses elétrons desemparelhados têm um momento magnético de spin, fazendo com que o óxido de grafite tenha um certo paramagnetismo. Quando o grau de oxidação é baixo, o óxido de grafite ainda retém algumas das propriedades diamagnéticas originais do grafite. Nesse momento, o paramagnetismo e o diamagnetismo competem entre si, e o desempenho magnético macroscópico não é óbvio. Entretanto, com o aprofundamento do grau de oxidação, o sinal paramagnético é gradualmente aprimorado. E quando ele ultrapassa um determinado limite, o paramagnetismo predomina, fazendo com que o óxido de grafite como um todo apresente paramagnetismo. E sua suscetibilidade magnética se torna positiva.

Conclusão

O grafite é uma substância diamagnética, e seu diamagnetismo é gerado pelo momento magnético induzido por elétrons sob o campo magnético externo. Ele é de grande importância em um cenário específico. O óxido de grafite é paramagnético porque contém elétrons desemparelhados, e o magnetismo varia de acordo com o grau de oxidação. Uma pesquisa aprofundada sobre o magnetismo dos dois conduz ao aprimoramento da teoria, promovendo aplicações inovadoras. E ajuda no desenvolvimento de novos materiais e tecnologias.