Является ли графит магнитным?

В материаловедении графит является уникальным углеродный материалБлагодаря своей особой структуре и свойствам. Он играет ключевую роль во многих областях, таких как письменность и промышленность. Однако его магнетизм часто игнорируется, а представления общественности о нем расплывчаты. Исследование магнетизма и природы графита связано не только с совершенствованием базовой теории. Но также имеет большой потенциал в таких развивающихся областях, как квантовые вычисления.

Магнитится ли графит?

Основные свойства графита

Кристалл графита имеет типичную слоистую структуру. Атомы углерода в каждом слое соединены друг с другом ковалентными связями, образуя гексагональную сотовую решетку. Электроны могут свободно перемещаться в слое, что придает графиту хорошую электропроводность, схожую с характеристиками металлических связей. Слой и слой поддерживаются слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, а расстояние между ними велико. Макроскопически графит имеет мягкую текстуру, металлический блеск, относительно стабильные химические свойства, высокую термостойкость. Устойчивость к эрозии различными кислотами и щелочами, уникальная структура и свойства являются основой для изучения его магнетизма.

Природа магнетизма

Магнетизм возникает благодаря движению и вращению электронов внутри атомов. Орбитальный магнитный момент электронов, вращающихся вокруг ядра, похож на миниатюрный кольцевой ток. Сам электрон также обладает спиновым магнитным моментом, похожим на спин крошечной вершины. В большинстве материалов взаимодействие атомных магнитных моментов носит сложный характер. Если атомные магнитные моменты спонтанно выстраиваются в одном направлении в определенном диапазоне, материал проявляет ферромагнетизм, например железо, кобальт, никель. Магнитные моменты некоторых материалов противоположны и параллельны друг другу, но их величина различна. А есть и чистые магнитные моменты, проявляющие ферромагнетизм. Есть также некоторые материалы, у которых атомный магнитный момент обратно параллелен и полностью смещен, макронемагнитные, говорят о диамагнетизме. Когда внешнее магнитное поле, электронная орбита будет производить слабый дополнительный магнитный момент против внешнего поля. Это и есть диамагнитный источник.

Диамагнитные свойства графита

Графит являются по сути диамагнитными веществами. В отсутствие внешнего магнитного поля сумма магнитных моментов каждого атома внутри графита практически равна нулю. Поэтому он не проявляет магнетизма в принципе. Но когда к внешнему миру прикладывается магнитное поле, то, согласно принципу электромагнитной индукции, состояние движения электронов внутри графита меняется. Чтобы предотвратить изменение магнитного потока внешнего магнитного поля, электроны будут генерировать дополнительное движение. Это, в свою очередь, формирует индукционный магнитный момент, противоположный направлению внешнего магнитного поля. Этот индукционный магнитный момент очень слаб, так что антимагнитные свойства графита не очевидны. Его магнитная восприимчивость обычно отрицательна, а значение очень мало, порядка величины -10^-5.

Внешние факторы, влияющие на магнитные свойства графита

Температура оказывает значительное влияние на магнитные свойства графита. При повышении температуры усиливается тепловое движение атомов внутри графита. И это увеличение теплового движения мешает орбитальному движению электронов. Это, в свою очередь, влияет на реакцию электронов на приложенное магнитное поле. В частности, при повышении температуры абсолютное значение диамагнитной восприимчивости графита немного уменьшается. Но это изменение происходит относительно медленно. И можно приблизительно считать, что диамагнетизм графита остается относительно стабильным в определенном диапазоне температур.

Помимо температуры, сила и частота внешнего магнитного поля также влияют на магнитные свойства графита. Когда сила внешнего магнитного поля слабая, диамагнитный отклик графита в основном подчиняется линейному закону. То есть намагниченность пропорциональна напряженности внешнего магнитного поля. Однако когда напряженность внешнего магнитного поля возрастает до определенной степени, начинает проявляться квантово-механический эффект. И диамагнитные свойства графита будут постепенно отклоняться от линейной зависимости, демонстрируя более сложное магнитное поведение. Кроме того, для переменного магнитного поля, если его частота высока, скорость отклика электроны внутри графита может не успевать за изменением магнитного поля. Это приводит к изменению диамагнетизма.

Магнитится ли оксид графита?

Оксид графита это производное графита, получаемое путем окисления графита. В процессе окисления образуется большое количество кислородсодержащих функциональных групп, таких как гидроксилВ структуру графита вводятся карбоксильные, карбоксильные и эпоксидные группы. Существование этих кислородсодержащих функциональных групп сильно меняет первоначальную структуру слоев графита. Это увеличивает расстояние между слоями и разрушает первоначальную систему электронного сопряжения графита. В результате значительно снижается его электропроводность.

Что касается магнетизма, то он обусловлен наличием неспаренных электронов в кислородсодержащих функциональных группах, вводимых в процессе окисления. Эти неспаренные электроны обладают спиновым магнитным моментом, благодаря чему оксид графита обладает определенным парамагнетизмом. При низкой степени окисления оксид графита все еще сохраняет некоторые из первоначальных диамагнитных свойств графита. В это время парамагнетизм и диамагнетизм конкурируют друг с другом, и макроскопические магнитные характеристики не очевидны. Однако с увеличением степени окисления парамагнитный сигнал постепенно усиливается. И когда он превышает определенный порог, парамагнетизм становится доминирующим, в результате чего оксид графита в целом проявляет парамагнетизм. А его магнитная восприимчивость становится положительной.

Заключение

Графит - диамагнитное вещество, и его диамагнетизм возникает благодаря индуцированному электронами магнитному моменту под действием внешнего магнитного поля. Это имеет большое значение для конкретной сцены. Оксид графита парамагнитен, поскольку содержит неспаренные электроны, и его магнетизм меняется в зависимости от степени окисления. Углубленное изучение их магнетизма способствует совершенствованию теории, продвижению инновационных приложений. И помогает развитию новых материалов и технологий.