DIAMAGNETISME: MATERIALER, APPLIKATIONER, EKSEMPLER - FYSISK - 2025

Den diamagnetisme er et af svarene er sagen i nærvær af et ydre magnetfelt. Det er kendetegnet ved at være modsat eller modsat dette magnetfelt, og medmindre det er materialets eneste magnetiske respons, er dens intensitet den svageste af alle.

Når den frastødende virkning er den eneste, som et materiale præsenterer for en magnet, betragtes materialet som diamagnetisk. Hvis andre magnetiske effekter dominerer, afhængigt af hvad det er, vil de blive betragtet som paramagnetiske eller ferromagnetiske.

Et stykke vismut, et diamagnetisk materiale. Kilde: Pixabay.

Sebald Brugmans krediteres i 1778 med den første henvisning til frastødelsen mellem en af ​​polterne i en magnet og et stykke materiale, især tydeligt i elementer som vismut og antimon.

Senere, i 1845, studerede Michael Faraday denne effekt nærmere og konkluderede, at det var en iboende egenskab ved al materie.

Diamagnetiske materialer og deres respons

Vismut og antimons magnetiske opførsel og andre som guld, kobber, helium og stoffer som vand og træ adskiller sig meget fra den velkendte kraftige magnetiske tiltrækning, som magneter udøver på jern, nikkel eller kobolt.

På trods af at det generelt er en lav intensitetsrespons, i lyset af et tilstrækkeligt intens eksternt magnetfelt, er ethvert diamagnetisk materiale, endda levende organisk stof, i stand til at opleve en meget bemærkelsesværdig modsat magnetisering.

Ved at generere magnetiske felter så stærke som 16 Tesla (allerede 1 Tesla anses for at være ganske stærk) kunne forskere ved Nijmegen High Field Magnet Laboratory i Amsterdam i Holland magnetisk levitere jordbær, pizzaer og frøer i 1990'erne.

Det er også muligt at løfte en lille magnet mellem en persons fingre takket være diamagnetisme og et tilstrækkeligt stærkt magnetfelt. I sig selv udøver magnetfeltet en magnetisk kraft, der er i stand til at tiltrække en lille magnet med kraft, og du kan prøve at få denne kraft til at kompensere for vægten, men den lille magnet forbliver ikke meget stabil.

Så snart den oplever minimal forskydning, tiltrækker den kraft, der udøves af den store magnet, den hurtigt. Men når menneskelige fingre kommer mellem magneterne, stabiliserer den lille magnet sig og løfter mellem personens tommel og pegefinger. Magien skyldes den frastødende virkning, der er forårsaget af diamagnetismen af ​​fingrene.

Hvad er oprindelsen af ​​den magnetiske respons i stof?

Oprindelsen af ​​diamagnetisme, der er et substans grundlæggende reaktion på virkningen af ​​et ydre magnetfelt, ligger i det faktum, at atomer består af subatomære partikler, der har en elektrisk ladning.

Disse partikler er ikke statiske, og deres bevægelse er ansvarlig for at producere et magnetfelt. Materiale er selvfølgelig fuld af dem, og du kan altid forvente en slags magnetisk respons i ethvert materiale, ikke kun jernforbindelser.

Elektronen er primært ansvarlig for stofens magnetiske egenskaber. I en meget simpel model kan det antages, at denne partikel kredser om atomkernen med en ensartet cirkulær bevægelse. Dette er nok til at elektronet kan opføre sig som en lille strømstrøm, der er i stand til at generere et magnetfelt.

Magnetiseringen fra denne effekt kaldes orbital magnetisering. Men elektronet har et yderligere bidrag til atomets magnetisme: det indre vinkelmoment.

En analogi til at beskrive oprindelsen af ​​det indre vinkelmomentum er at antage, at elektronet har en roterende bevægelse omkring sin akse, en egenskab kaldet spin.

At være en bevægelse og være en ladet partikel bidrager spin også til den såkaldte spin-magnetisering.

Begge bidrag giver anledning til en netto- eller resulterende magnetisering, men det vigtigste er netop det, der skyldes spin. Protonerne i kernen, selvom de har elektrisk ladning og spin, bidrager ikke væsentligt til magnetiseringen af ​​atomet.

I diamagnetiske materialer er den resulterende magnetisering nul, da bidragene fra både kredsløbsmomentet og spin-momentets afbrydelse. Den første på grund af Lenz's lov og den anden, fordi elektronerne i orbitalerne er etableret i par med modsat drejning, og skallerne er fyldt med et jævnt antal elektroner.

Magnetisme i sagen

Den diamagnetiske virkning opstår, når orbitalmagnetisering påvirkes af et eksternt magnetfelt. Den således opnåede magnetisering betegnes M og er en vektor.

Uanset hvor marken er rettet, vil den diamagnetiske reaktion altid være frastødende takket være Lenz's lov, der siger, at den inducerede strøm modsætter sig enhver ændring i magnetisk flux gennem løkken.

Men hvis materialet indeholder en form for permanent magnetisering, vil responsen være tiltrækning, sådan er tilfældet med paramagnetisme og ferromagnetisme.

For at kvantificere de beskrevne effekter, lad os overveje et eksternt magnetfelt H, anvendt på et isotropisk materiale (dets egenskaber er de samme på ethvert punkt i rummet), inden for hvilket en magnetisering M stammer. Som et resultat, inde i en magnetisk induktion skabt B, som et resultat af den interaktion, der forekommer mellem H og M.

Alle disse mængder er vektor. B og M er proportional med H, idet det er permeabiliteten for materialet μ og den magnetiske følsomhed χ, de respektive proportionalitetskonstanter, som angiver, hvad der er stoffets særlige reaktion på ekstern magnetisk påvirkning:

B = μ H

Magnetiseringen af ​​materialet vil også være proportional med H:

M = χ H

Ovenstående ligninger er gyldige i cgs-systemet. Både B og H og M har de samme dimensioner, selvom forskellige enheder. For B bruges gauss i dette system, og for H bruges det udstødte. Årsagen til at gøre dette er at differentiere det anvendte felt eksternt fra det felt, der genereres inde i materialet.

I det internationale system, som er det, der ofte bruges, får den første ligning et noget andet udseende:

B = μ _eller μ _r H

μ _o er den magnetiske permeabilitet af tomt rum, der svarer til 4π x 10-7 Tm / A (Teslameter / Ampere), og μ _r er den relative permeabilitet for mediet med henvisning til vakuum, som er dimensionsløs.

Med hensyn til den magnetiske følsomhed χ, som er den mest egnede egenskab til at beskrive de materiales diamagnetiske egenskaber, skrives denne ligning sådan:

B = (1 + χ) μ _eller H

Med μ _r = 1 + χ

I det internationale system kommer B i Tesla (T), mens H udtrykkes i Ampere / meter, en enhed, der engang blev antaget at blive kaldt Lenz, men som indtil nu har været tilbage med hensyn til grundlæggende enheder.

I de materialer, hvor χ er negativ, betragtes de som diamagnetiske. Og det er en god parameter at karakterisere disse stoffer, da χ i dem kan betragtes som en konstant værdi uafhængig af temperaturen. Dette er ikke tilfældet for materialer, der har flere magnetiske reaktioner.

Normalt er on i størrelsesordenen -10 ^-6 til -10 ^-5. Superledere er kendetegnet ved at have χ = -1, og derfor er det indre magnetiske felt helt annulleret (Meisner-effekt).

Det er de perfekte diamagnetiske materialer, hvor diamagnetisme holder op med at være en svag reaktion og bliver stærk nok til at levituere genstande, som beskrevet i starten.

Anvendelser: magneto-encefalografi og vandbehandling

Levende ting er lavet af vand og organisk stof, hvis reaktion på magnetisme generelt er svag. Imidlertid er diamagnetisme, som vi har sagt, en iboende del af materien, herunder organisk stof.

Små elektriske strømme cirkulerer inde i mennesker og dyr, der uden tvivl skaber en magnetisk effekt. I dette øjeblik, mens læseren følger disse ord med øjnene, cirkulerer små elektriske strømme i hans hjerne, der giver ham adgang til og fortolker informationen.

Den svage magnetisering, der forekommer i hjernen, er detekterbar. Teknikken er kendt som magneto-encefalografi, der bruger detektorer kaldet SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) til at detektere meget små magnetiske felter i størrelsesordenen ^10-15 T.

SQUID'er er i stand til at lokalisere kilder til hjerneaktivitet med stor præcision. En software er ansvarlig for at indsamle de opnåede data og omdanne dem til et detaljeret kort over hjerneaktivitet.

Eksterne magnetiske felter kan påvirke hjernen på en eller anden måde. Hvor meget? Nogle nylige undersøgelser har vist, at et relativt intensivt magnetfelt, omkring 1 T, er i stand til at påvirke parietalben og afbryde en del af hjerneaktiviteten i korte øjeblikke.

Andre på den anden side, hvor frivillige har tilbragt 40 timer inde i en magnet, der producerer 4 T intensitet, har forladt uden at have lidt nogen observerbar negativ effekt. University of Ohio har i det mindste angivet, at der hidtil ikke er nogen risiko ved at forblive inden for felter fra 8 T.

Nogle organismer såsom bakterier er i stand til at inkorporere små krystaller af magnetit og bruge dem til at orientere sig i Jordens magnetfelt. Magnetit er også fundet i mere komplekse organismer som bier og fugle, som ville bruge det til samme formål.

Er der magnetiske mineraler i den menneskelige krop? Ja, magnetit er fundet i den menneskelige hjerne, selvom det ikke er ukendt til hvilket formål det er der. Man kunne spekulere i, at dette er en forældet færdighed.

Med hensyn til vandbehandling er det baseret på det faktum, at sedimenter er dybest set diamagnetiske stoffer. Stærke magnetfelter kan bruges til at fjerne calciumcarbonatsedimenter, gips, salt og andre stoffer, der forårsager hårdhed i vand og ophobes i rør og containere.

Det er et system med mange fordele til at bevare miljøet og holde rørene i god drift i lang tid og til lave omkostninger.

Referencer

1. Eisberg, R. 1978. Kvantefysik. Limusa. 557 -577.
2. Ung, Hugh. 2016. Sears-Zemanskys universitetsfysik med moderne fysik. 14. ed. Pearson. 942
3. Zapata, F. (2003). Undersøgelse af mineralogier forbundet med Guafita 8x oliebrønde, der hører til Guafita-feltet (Apure State) ved anvendelse af Mossbauer magnetisk følsomheds- og spektroskopimålinger. Grad afhandling. Det centrale universitet i Venezuela.