DIAMAGNETISM: MATERIALE, APLICAȚII, EXEMPLE - FIZIC - 2025

Diamagnetismul este unul dintre răspunsurile este problema în prezența unui câmp magnetic exterior. Se caracterizează prin a fi opus sau opus acestui câmp magnetic și, de obicei, dacă nu este singurul răspuns magnetic al materialului, intensitatea acestuia este cea mai slabă dintre toate.

Când efectul respingător este singurul pe care îl prezintă un material unui magnet, materialul este considerat diamagnetic. Dacă predomină alte efecte magnetice, în funcție de ce este, acesta va fi considerat paramagnetic sau ferromagnetic.

O bucată de bismut, un material diamagnetic. Sursa: Pixabay.

Sebald Brugmans este creditat în 1778 cu prima referire la repulsia dintre oricare dintre poli ai unui magnet și o bucată de material, deosebit de evidentă în elemente precum bismut și antimoniu.

Mai târziu, în 1845, Michael Faraday a studiat mai îndeaproape acest efect și a concluzionat că este o proprietate inerentă a tuturor materiei.

Materiale diamagnetice și răspunsul lor

Comportamentul magnetic al bismutului și antimoniului, precum și alții precum aurul, cuprul, heliul și substanțe precum apa și lemnul, diferă foarte mult de cunoscuta puternică atracție magnetică pe care magneții o exercită asupra fierului, nichelului sau cobalt.

În ciuda faptului că este în general un răspuns de intensitate scăzută, în fața unui câmp magnetic extern suficient de intens, orice material diamagnetic, chiar și materie organică vie, este capabil să experimenteze o magnetizare opusă foarte remarcabilă.

Prin generarea de câmpuri magnetice la fel de puternice ca 16 Tesla (deja 1 Tesla este considerată destul de puternică), cercetătorii de la Laboratorul de magneturi din Nijmegen High Field Magnet din Amsterdam, în Olanda, au putut să leviteze magnetic căpșunile, pizza și broaștele în anii ’90.

De asemenea, este posibil să levităm un mic magnet între degetele unei persoane, datorită diamagnetismului și a unui câmp magnetic suficient de puternic. De la sine, câmpul magnetic exercită o forță magnetică capabilă să atragă un magnet mic cu forță și puteți încerca să faceți această forță să compenseze greutatea, totuși magnetul mic nu rămâne foarte stabil.

De îndată ce are o deplasare minimă, forța exercitată de magnetul mare o atrage rapid. Cu toate acestea, atunci când degetele umane se află între magneți, magnetul mic se stabilizează și se levitează între degetul mare și arătătorul. Magia se datorează efectului de repulsie cauzat de diamagnetismul degetelor.

Care este originea răspunsului magnetic în materie?

Originea diamagnetismului, care este răspunsul fundamental al oricărei substanțe la acțiunea unui câmp magnetic extern, constă în faptul că atomii sunt alcătuiți din particule subatomice care au o sarcină electrică.

Aceste particule nu sunt statice și mișcarea lor este responsabilă de producerea unui câmp magnetic. Desigur, materia este plină de ele și vă puteți aștepta întotdeauna la un fel de răspuns magnetic în orice material, nu doar în compuși de fier.

Electronul este responsabil în primul rând pentru proprietățile magnetice ale materiei. Într-un model foarte simplu, se poate presupune că această particulă orbitează nucleul atomic cu o mișcare circulară uniformă. Acest lucru este suficient pentru ca electronul să se comporte ca o buclă minusculă de curent capabil să genereze un câmp magnetic.

Magnetizarea din acest efect se numește magnetizare orbitală . Dar electronul are o contribuție suplimentară la magnetismul atomului: momentul unghiular intrinsec.

O analogie pentru a descrie originea momentului unghiular intrinsec este să presupunem că electronul are o mișcare de rotație în jurul axei sale, o proprietate care se numește spin.

Fiind o mișcare și fiind o particulă încărcată, spinul contribuie, de asemenea, la așa-numita magnetizare a spinului .

Ambele contribuții dau naștere la o magnetizare netă sau rezultantă, însă cea mai importantă este tocmai aceea datorată spinului. Protonii din nucleu, deși au sarcină electrică și rotire, nu contribuie semnificativ la magnetizarea atomului.

În materialele diamagnetice, magnetizarea rezultată este zero, deoarece contribuțiile atât ale orbitalului, cât și ale momentului de rotire se anulează. Primul din cauza legii lui Lenz și al doilea, deoarece electronii din orbite sunt stabiliți în perechi cu rotiri opuse, iar învelișurile sunt umplute cu un număr egal de electroni.

Magnetismul în materie

Efectul diamagnetic apare atunci când magnetizarea orbitală este influențată de un câmp magnetic extern. Magnetizarea astfel obținută este notată M și este un vector.

Indiferent unde este direcționat câmpul, răspunsul diamagnetic va fi întotdeauna respingător datorită legii lui Lenz, care afirmă că curentul indus se opune oricărei modificări a fluxului magnetic prin buclă.

Dar dacă materialul conține un fel de magnetizare permanentă, răspunsul va fi atracție, așa este cazul paramagnetismului și ferromagnetismului.

Pentru a cuantifica efectele descrise, considerăm un câmp magnetic exterior H , aplicat pe un material izotrop (proprietățile sale sunt aceleași în orice punct în spațiu), în cadrul căruia un magnetizare M provine . Ca urmare, în interiorul unei inducții magnetice create B , ca rezultat al interacțiunii care are loc între H și M .

Toate aceste cantități sunt vectoriale. B și M sunt proporționale cu H , fiind permeabilitatea materialului μ și susceptibilitatea magnetică χ, constantele de proporționalitate respective, care indică care este răspunsul particular al substanței la influența magnetică externă:

B = μ H

Magnetizarea materialului va fi, de asemenea, proporțională cu H :

M = χ H

Ecuațiile de mai sus sunt valabile în sistemul cgs. Atât B cât și H și M au aceleași dimensiuni, deși unități diferite. Pentru B , gauss-ul este utilizat în acest sistem și pentru H se folosește oersted-ul. Motivul pentru a face acest lucru este să diferențiați câmpul aplicat extern de câmpul generat în interiorul materialului.

În Sistemul Internațional, care este cel frecvent utilizat, prima ecuație are un aspect oarecum diferit:

B = μ _sau μ _r H

μ _o este permeabilitatea magnetică a spațiului gol, care este echivalent cu 4π x 10-7 Tm / A (Teslameter / Ampere), iar μ _r este permeabilitatea relativă a mediului în raport cu vidul, care este fără dimensiuni.

În ceea ce privește susceptibilitatea magnetică χ, care este caracteristica cea mai potrivită pentru a descrie proprietățile diamagnetice ale unui material, această ecuație este scrisă astfel:

B = (1 + χ) μ _sau H

Cu μ _r = 1 + χ

În Sistemul Internațional B vine în Tesla (T), în timp ce H este exprimat în Ampere / metru, o unitate despre care se credea cândva numită Lenz, dar care până acum a fost lăsată în termeni de unități fundamentale.

În acele materiale în care χ este negativ, ele sunt considerate diamagnetice. Și este un parametru bun pentru a caracteriza aceste substanțe, deoarece χ în ele poate fi considerată o valoare constantă independentă de temperatură. Nu este cazul materialelor care au mai multe răspunsuri magnetice.

De obicei χ este de ordinul -10 ^-6 până la -10 ^-5 . Superconductorii se caracterizează prin a avea χ = -1 și, prin urmare, câmpul magnetic intern este complet anulat (efect Meisner).

Sunt materiale diamagnetice perfecte, în care diamagnetismul încetează să mai fie un răspuns slab și devine suficient de puternic pentru a levita obiectele, așa cum este descris la început.

Aplicații: magneto-encefalografie și tratarea apei

Lucrurile vii sunt făcute din apă și materie organică, al căror răspuns la magnetism este în general slab. Cu toate acestea, diamagnetismul, așa cum am spus, este o parte intrinsecă a materiei, inclusiv a materiei organice.

Curenții electrici mici circulă în interiorul oamenilor și animalelor care, fără îndoială, creează un efect magnetic. În acest moment, în timp ce cititorul urmărește aceste cuvinte cu ochii lui, în creierul său circulă mici curenți electrici care îi permit să acceseze și să interpreteze informația.

Magnetizarea slabă care apare în creier este detectabilă. Tehnica este cunoscută sub numele de magneto-encefalografie, care utilizează detectori numite calmari (Superconducting Quantum Interference Devices) pentru a detecta câmpurile magnetice foarte mici, de ordinul a 10 ^-15 T.

SQUID-urile sunt capabile să localizeze surse de activitate ale creierului cu mare precizie. Un software este responsabil pentru colectarea datelor obținute și transformarea acestora într-o hartă detaliată a activității creierului.

Câmpurile magnetice externe pot afecta creierul într-un fel. Cât costă? Unele cercetări recente au arătat că un câmp magnetic destul de intens, în jurul valorii de 1 T, este capabil să afecteze lobul parietal, întrerupând o parte din activitatea creierului pentru scurte momente.

Alții, în schimb, în ​​care voluntarii au petrecut 40 de ore în interiorul unui magnet care produce 4 T de intensitate, au plecat fără a suferi efecte negative observabile. Universitatea din Ohio cel puțin a indicat că până în prezent nu există niciun risc să rămâneți pe câmpuri de 8 T.

Unele organisme precum bacteriile sunt capabile să încorporeze mici cristale de magnetită și să le folosească pentru a se orienta în câmpul magnetic al Pământului. Magnetita a fost găsită și în organisme mai complexe, cum ar fi albinele și păsările, care ar folosi-o în același scop.

Există minerale magnetice în corpul uman? Da, magnetita a fost găsită în creierul uman, deși nu se știe cu ce scop este acolo. S-ar putea specula că aceasta este o abilitate învechită.

În ceea ce privește tratarea apei, se bazează pe faptul că sedimentele sunt substanțial substanțe diamagnetice. Câmpurile magnetice puternice pot fi utilizate pentru a îndepărta sedimentele de carbonat de calciu, ipsos, sare și alte substanțe care provoacă duritate în apă și se acumulează în conducte și containere.

Este un sistem cu multe avantaje pentru a conserva mediul înconjurător și a menține țevile în stare bună de funcționare timp îndelungat și la costuri reduse.

Referințe

1. Eisberg, R. 1978. Fizica cuantică. Limusa. 557 -577.
2. Tânăr, Hugh. 2016. Sears-Zemansky's Physics University with Physics Modern. Ediția a 14-a Pearson. 942
3. Zapata, F. (2003). Studiul mineralogiilor asociate cu godeul de ulei Guafita 8x aparținând câmpului Guafita (Apure State), utilizând măsurători de Mossbauer cu susceptibilitate magnetică și spectroscopie. Lucrare de diploma. Universitatea Centrală din Venezuela.