DIAMAGNETYZM: MATERIAŁY, ZASTOSOWANIA, PRZYKŁADY - FIZYCZNY - 2026

Diamagnetyzm jest jednym z rozwiązań jest to sprawa w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Charakteryzuje się tym, że jest przeciwne lub przeciwne do tego pola magnetycznego i zwykle, o ile nie jest to jedyna odpowiedź magnetyczna materiału, jego natężenie jest najsłabsze ze wszystkich.

Gdy odpychający efekt jest jedynym, jaki materiał wywiera na magnes, materiał jest uważany za diamagnetyczny. Jeśli przeważają inne efekty magnetyczne, w zależności od tego, co to jest, zostanie uznane za paramagnetyczne lub ferromagnetyczne.

Kawałek bizmutu, materiał diamagnetyczny. Źródło: Pixabay.

Sebaldowi Brugmansowi przypisuje się w 1778 r. Pierwszą wzmiankę o odpychaniu między którymkolwiek z biegunów magnesu a kawałkiem materiału, szczególnie widocznym w elementach takich jak bizmut i antymon.

Później, w 1845 roku, Michael Faraday zbadał ten efekt dokładniej i doszedł do wniosku, że jest to nieodłączna właściwość całej materii.

Materiały diamagnetyczne i ich odpowiedź

Zachowanie magnetyczne bizmutu i antymonu oraz innych, takich jak złoto, miedź, hel i substancje takie jak woda i drewno, różni się znacznie od dobrze znanego i silnego przyciągania magnetycznego, które magnesy wywierają na żelazo, nikiel lub kobalt.

Pomimo generalnie niskiej intensywności odpowiedzi, w obliczu dostatecznie intensywnego zewnętrznego pola magnetycznego, każdy materiał diamagnetyczny, nawet żywa materia organiczna, jest w stanie doświadczyć bardzo niezwykłej przeciwnej magnetyzacji.

Generując pola magnetyczne o mocy 16 tesli (już 1 tesla jest uważane za dość silne), naukowcom z Nijmegen High Field Magnet Laboratory w Amsterdamie w Holandii udało się w latach 90. magnetycznie lewitować truskawki, pizze i żaby.

Możliwe jest również lewitowanie małego magnesu między palcami osoby, dzięki diamagnetyzmowi i wystarczająco silnemu polu magnetycznemu. Samo pole magnetyczne wywiera siłę magnetyczną, która jest w stanie przyciągnąć mały magnes z siłą i można spróbować zmusić tę siłę do kompensacji ciężaru, jednak mały magnes nie pozostaje bardzo stabilny.

Gdy tylko odczuje minimalne przemieszczenie, siła wywierana przez duży magnes szybko go przyciąga. Jednak gdy ludzkie palce wchodzą między magnesy, mały magnes stabilizuje się i lewituje między kciukiem a palcem wskazującym osoby. Magia jest spowodowana efektem odpychania spowodowanym przez diamagnetyzm palców.

Jakie jest pochodzenie odpowiedzi magnetycznej w materii?

Źródłem diamagnetyzmu, który jest podstawową odpowiedzią każdej substancji na działanie zewnętrznego pola magnetycznego, jest fakt, że atomy składają się z cząstek subatomowych, które mają ładunek elektryczny.

Cząsteczki te nie są statyczne, a ich ruch jest odpowiedzialny za wytwarzanie pola magnetycznego. Oczywiście materia jest ich pełna i zawsze można spodziewać się jakiejś odpowiedzi magnetycznej w dowolnym materiale, nie tylko w związkach żelaza.

Elektron jest przede wszystkim odpowiedzialny za właściwości magnetyczne materii. W bardzo prostym modelu można założyć, że cząstka ta okrąża jądro atomowe jednostajnym ruchem kołowym. To wystarczy, aby elektron zachowywał się jak maleńka pętla prądu zdolna do wytworzenia pola magnetycznego.

Namagnesowanie wynikające z tego efektu nazywa się magnetyzacją orbitalną . Jednak elektron ma dodatkowy udział w magnetyzmie atomu: wewnętrzny moment pędu.

Analogią opisującą pochodzenie wewnętrznego momentu pędu jest założenie, że elektron wykonuje ruch obrotowy wokół własnej osi, właściwość zwaną spinem.

Jako ruch i będąc cząstką naładowaną, spin przyczynia się również do tak zwanej magnetyzacji spinowej .

Obydwa składki powodują namagnesowanie netto lub wynikowe, jednak najważniejsza jest właśnie ta spowodowana spinem. Protony w jądrze, pomimo posiadania ładunku elektrycznego i spinu, nie przyczyniają się znacząco do namagnesowania atomu.

W materiałach diamagnetycznych wynikowe namagnesowanie wynosi zero, ponieważ wkłady zarówno momentu orbitalnego, jak i momentu spinowego znoszą się. Pierwsza z powodu prawa Lenza, a druga, ponieważ elektrony na orbitalach układają się w pary o przeciwnym spinie, a powłoki są wypełnione parzystą liczbą elektronów.

Magnetyzm w materii

Efekt diamagnetyczny pojawia się, gdy na magnetyzację orbitalną wpływa zewnętrzne pole magnetyczne. Uzyskane w ten sposób namagnesowanie jest oznaczone jako M i jest wektorem.

Niezależnie od tego, dokąd skierowane jest pole, odpowiedź diamagnetyczna zawsze będzie odpychająca dzięki prawu Lenza, zgodnie z którym indukowany prąd przeciwstawia się jakiejkolwiek zmianie strumienia magnetycznego w pętli.

Ale jeśli materiał zawiera jakiś rodzaj trwałego namagnesowania, odpowiedzią będzie przyciąganie, tak jest w przypadku paramagnetyzmu i ferromagnetyzmu.

W celu ilościowego opisano skutki, za zewnętrznego pola magnetycznego H , zastosowanego materiału izotropowego (jej właściwości są takie same w każdym punkcie w przestrzeni), wewnątrz którego magnetyzacja M pochodzi . Jako skutek, wewnątrz indukcji magnetycznej utworzony B , w wyniku interakcji następuje pomiędzy H a M .

Wszystkie te wielkości są wektorami. B i M są proporcjonalne do H , będąc przepuszczalnością materiału μ i podatnością magnetyczną χ, odpowiednimi stałymi proporcjonalności, które wskazują, jaka jest konkretna reakcja substancji na zewnętrzny wpływ magnetyczny:

B = μ H

Namagnesowanie materiału będzie również proporcjonalne do H :

M = χ H.

Powyższe równania obowiązują w systemie CGS. Zarówno B, jak i H i M mają te same wymiary, chociaż różne jednostki. Dla B w tym systemie używa się gausów, a dla H - oersteda. Ma to na celu odróżnienie pola zastosowanego zewnętrznie od pola wytworzonego wewnątrz materiału.

W systemie międzynarodowym, który jest powszechnie używany, pierwsze równanie przybiera nieco inny wygląd:

B = μ _lub μ _r H

μ _o to przenikalność magnetyczna pustej przestrzeni, która jest równoważna 4π x 10-7 Tm / A (Teslametr / Amper), a μ _r to względna przepuszczalność medium w odniesieniu do próżni, która jest bezwymiarowa.

W odniesieniu do podatności magnetycznej χ, która jest najbardziej odpowiednią cechą do opisania diamagnetycznych właściwości materiału, równanie to jest zapisane w następujący sposób:

B = (1 + χ) μ _lub H.

Przy μ _r = 1 + χ

W międzynarodowym systemie B występuje w Tesli (T), podczas gdy H jest wyrażane w amperach / metr, jednostce, która kiedyś uważana była za Lenz, ale do tej pory pozostawiano ją w kategoriach jednostek podstawowych.

W tych materiałach, w których χ jest ujemne, uważa się je za diamagnetyczne. I jest to dobry parametr do scharakteryzowania tych substancji, ponieważ χ w nich można uznać za stałą wartość niezależną od temperatury. Nie dotyczy to materiałów, które mają więcej odpowiedzi magnetycznych.

Zazwyczaj χ jest rzędu -10 ^-6 do -10 ^-5 . Nadprzewodniki charakteryzują się tym, że χ = -1, a zatem wewnętrzne pole magnetyczne jest całkowicie znoszone (efekt Meisnera).

Są idealnymi materiałami diamagnetycznymi, w których diamagnetyzm przestaje być słabą reakcją, a staje się wystarczająco silny, aby lewitować obiekty, jak opisano na początku.

Zastosowania: magnetoencefalografia i uzdatnianie wody

Żywe istoty są zbudowane z wody i materii organicznej, której odpowiedź na magnetyzm jest na ogół słaba. Jednak, jak już powiedzieliśmy, diamagnetyzm jest nieodłączną częścią materii, w tym materii organicznej.

W ludziach i zwierzętach krążą małe prądy elektryczne, które niewątpliwie wywołują efekt magnetyczny. W tym momencie, gdy czytelnik śledzi te słowa wzrokiem, w jego mózgu krążą małe prądy elektryczne, które pozwalają mu na dostęp do informacji i ich interpretację.

Wykrywalne jest słabe namagnesowanie, które występuje w mózgu. Technika ta jest znana jako magneto-encephalography, który wykorzystuje czujniki zwane Kalmary (Nadprzewodnikowe Quantum Interference Devices) do wykrywania bardzo małych pól magnetycznych, rzędu 10 ^-15 T.

SQUIDs są zdolne do bardzo precyzyjnego lokalizowania źródeł aktywności mózgu. Oprogramowanie jest odpowiedzialne za zbieranie uzyskanych danych i przekształcanie ich w szczegółową mapę aktywności mózgu.

Zewnętrzne pola magnetyczne mogą w pewien sposób wpływać na mózg. Ile? Niektóre niedawne badania wykazały, że dość intensywne pole magnetyczne, około 1 T, może wpływać na płat ciemieniowy, przerywając na krótkie chwile część aktywności mózgu.

Z drugiej strony, inni, w których ochotnicy spędzili 40 godzin wewnątrz magnesu wytwarzającego 4 T intensywności, wyszli bez żadnych widocznych negatywnych skutków. Przynajmniej University of Ohio wskazał, że jak dotąd nie ma ryzyka przebywania na polach 8 T.

Niektóre organizmy, takie jak bakterie, są w stanie inkorporować małe kryształy magnetytu i używać ich do orientowania się w polu magnetycznym Ziemi. Magnetyt znaleziono również w bardziej złożonych organizmach, takich jak pszczoły i ptaki, które używałyby go do tego samego celu.

Czy w ludzkim ciele znajdują się minerały magnetyczne? Tak, magnetyt został znaleziony w ludzkim mózgu, chociaż nie wiadomo, w jakim celu się tam znajduje. Można spekulować, że jest to przestarzała umiejętność.

Jeśli chodzi o uzdatnianie wody, opiera się ona na fakcie, że osady są zasadniczo substancjami diamagnetycznymi. Silne pola magnetyczne można wykorzystać do usuwania osadów węglanu wapnia, gipsu, soli i innych substancji, które powodują twardość wody i gromadzą się w rurach i zbiornikach.

Jest to system, który ma wiele zalet, aby chronić środowisko i utrzymywać rury w dobrym stanie przez długi czas i przy niskich kosztach.

Bibliografia

1. Eisberg, R. 1978. Fizyka kwantowa. Limusa. 557-577.
2. Młody, Hugh. 2016. Fizyka uniwersytecka Sears-Zemansky'ego z fizyką współczesną. 14. wyd. Pearson. 942
3. Zapata, F. (2003). Badanie mineralogii związanych z odwiertem naftowym Guafita 8x należącym do pola Guafita (stan Apure) z wykorzystaniem pomiarów podatności magnetycznej i spektroskopii Mossbauera. Praca dyplomowa. Centralny Uniwersytet Wenezueli.