Diamagnetyzm: materiały diamagnetyczne, zastosowania i przykłady
Diamagnetyzm jest jedną z odpowiedzi, jakie ma materia w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Charakteryzuje się, że jest przeciwne lub przeciwne do tego pola magnetycznego i zwykle, chyba że jest to jedyna reakcja magnetyczna materiału, jego intensywność jest najsłabsza ze wszystkich.
Kiedy efekt odpychania jest jedynym, który materiał prezentuje przed magnesem, materiał ten uważa się za diamagnetyczny. Jeśli dominują inne efekty magnetyczne, w zależności od tego, co to jest, będzie uważane za paramagnetyczne lub ferromagnetyczne.
Jest to przypisane Sebaldowi Brugmansowi w 1778 r. Pierwsze odniesienie do odpychania się pomiędzy dowolnymi biegunami magnesu i kawałkiem materiału, szczególnie widoczne w takich elementach jak bizmut i antymon.
Później, w 1845 roku Michael Faraday dokładniej zbadał ten efekt i doszedł do wniosku, że jest to wrodzona właściwość całej materii.
Materiały diamagnetyczne i ich reakcja
Magnetyczne zachowanie bizmutu i antymonu oraz innych, takich jak złoto, miedź, hel i substancje takie jak woda i drewno, znacznie różni się od znanego i silnego przyciągania magnetycznego, jakie magnesy wywierają na żelazo, nikiel lub kobalt
Pomimo generalnie niskiej intensywności reakcji, zanim wystarczająco intensywne zewnętrzne pole magnetyczne, każdy materiał diamagnetyczny, nawet żywa materia organiczna, jest w stanie doświadczyć bardzo zauważalnego przeciwnego namagnesowania.
Generowanie pól magnetycznych tak intensywnych jak 16 Tesli (a jedna z 1 Tesli uważana jest za dość intensywną), naukowcom z Nijmegen High Field Magnet Laboratory w Amsterdamie w Holandii udało się magnetycznie lewitować truskawki, pizze i żaby w latach dziewięćdziesiątych.
Możliwe jest także lewitowanie małego magnesu między palcami osoby dzięki diamagnetyzmowi i wystarczająco silnemu polu magnetycznemu. Samo pole magnetyczne wywiera siłę magnetyczną zdolną do silnego przyciągania małego magnesu i można próbować, aby ta siła kompensowała ciężar, jednak mały magnes nie pozostaje bardzo stabilny.
Gdy tylko doświadczy minimalnego przemieszczenia, siła wywierana przez duży magnes przyciąga go szybko. Jednak gdy ludzkie palce są umieszczone między magnesami, mały magnes stabilizuje się i lewituje między kciukiem a palcem wskazującym. Magia wynika z efektu odpychania spowodowanego diamagnetyzmem palców.
Jakie jest źródło reakcji magnetycznej w materii?
Pochodzenie diamagnetyzmu, który jest podstawową odpowiedzią jakiejkolwiek substancji na działanie zewnętrznego pola magnetycznego, polega na tym, że atomy są utworzone przez cząstki subatomowe, które mają ładunek elektryczny.
Cząstki te nie są statyczne, a ich ruch jest odpowiedzialny za wytwarzanie pola magnetycznego. Oczywiście materia jest ich pełna i zawsze można oczekiwać jakiejś reakcji magnetycznej w dowolnym materiale, nie tylko związkach żelaza.
Elektron jest przede wszystkim odpowiedzialny za właściwości magnetyczne materii. W bardzo prostym modelu można założyć, że cząstka ta okrąża jądro atomowe z jednolitym ruchem kołowym. To wystarczy, aby elektron zachowywał się jak maleńka pętla prądowa zdolna do generowania pola magnetycznego.
Namagnesowanie pochodzące z tego efektu nazywa się namagnesowaniem orbitalnym . Ale elektron ma dodatkowy wkład w magnetyzm atomu: wewnętrzny moment pędu.
Analogią do opisania pochodzenia wewnętrznego momentu pędu jest przypuszczenie, że elektron posiada ruch obrotowy wokół swojej osi, właściwość, która otrzymuje nazwę wirowania.
Będąc ruchem i będąc naładowaną cząstką, spin również przyczynia się do tak zwanej magnetyzacji spinowej .
Oba wkłady powodują magnetyzację netto lub wypadkową, jednak najważniejszy jest właśnie ten ze względu na spin. Protony w jądrze, chociaż mają ładunek elektryczny i spin, nie przyczyniają się znacząco do namagnesowania atomu.
W materiałach diamagnetycznych otrzymana magnetyzacja wynosi zero, ponieważ wkłady zarówno momentu orbitalnego, jak i momentu wirowania są anulowane. Pierwszy ze względu na prawo Lenza, a drugi, ponieważ elektrony w orbitali są ustalane parami o przeciwnych obrotach, a warstwy są wypełnione parzystą liczbą elektronów.
Magnetyzm w materii
Efekt diamagnetyczny powstaje, gdy na magnetyzację orbitalną wpływa zewnętrzne pole magnetyczne. Otrzymana w ten sposób magnetyzacja oznaczana jest jako M i jest wektorem.
Niezależnie od tego, dokąd zmierza pole, reakcja diamagnetyczna zawsze będzie odpychająca dzięki prawu Lenza, które stwierdza, że indukowany prąd przeciwstawia się wszelkim zmianom strumienia magnetycznego w pętli.
Ale jeśli materiał zawiera pewien rodzaj trwałego namagnesowania, odpowiedź będzie pociągająca, tak jest w przypadku paramagnetyzmu i ferromagnetyzmu.
Aby określić ilościowo opisane efekty, należy rozważyć zewnętrzne pole magnetyczne H, zastosowane na materiale izotropowym (jego właściwości są takie same w dowolnym punkcie przestrzeni), w którym powstaje magnetyzacja M. Dzięki temu wewnątrz niego powstaje indukcja magnetyczna B, będąca wynikiem interakcji zachodzącej między H i M.
Wszystkie te ilości są wektorowe. B i M są proporcjonalne do H, z przepuszczalnością materiału μ i podatnością magnetyczną respective, odpowiednimi stałymi proporcjonalności, które wskazują, jaka jest szczególna reakcja substancji na zewnętrzny wpływ magnetyczny:
B = μ H
Namagnesowanie materiału będzie również proporcjonalne do H :
M = χ H
Powyższe równania są ważne w systemie cgs. Zarówno B, jak i H i M mają takie same wymiary, chociaż różne jednostki. Dla B używany jest gauss w tym systemie, a dla H używany jest oersted. Powodem tego jest rozróżnienie zastosowanego pola na zewnątrz od pola, które jest generowane wewnątrz materiału.
W systemie międzynarodowym, który jest powszechnie używany, pierwsze równanie przybiera nieco inny wygląd:
B = μ lub μ r H
μ lub przenikalność magnetyczna pustej przestrzeni, która jest równoważna 4π x 10-7 Tm / A (Tesla-meter / Amper) i μ r jest względną przepuszczalnością medium w odniesieniu do próżni, która jest bezwymiarowa.
Pod względem podatności magnetycznej χ, która jest najbardziej odpowiednią cechą opisującą właściwości diamagnetyczne materiału, równanie to jest napisane w ten sposób:
B = (1 + χ) μ lub H
Z μ r = 1 + χ
W Międzynarodowym Systemie B występuje w Tesli (T), podczas gdy H jest wyrażone w Ampere / metr, jednostce, która uważana była za Lenz, ale została pozostawiona w kategoriach podstawowych jednostek.
W tych materiałach, w których negative jest ujemne, są uważane za diamagnetyczne. Dobrym parametrem jest scharakteryzowanie tych substancji, ponieważ można w nich brać pod uwagę stałą wartość niezależną od temperatury. Nie dotyczy to materiałów, które mają więcej reakcji magnetycznych.
Ogólnie, χ jest rzędu -10-6 do -10-5. Nadprzewodniki charakteryzują się tym, że mają χ = -1, a zatem wewnętrzne pole magnetyczne jest całkowicie anulowane (efekt Meisnera).
Są doskonałymi materiałami diamagnetycznymi, w których diamagnetyzm przestaje być słabą odpowiedzią i staje się wystarczająco intensywny, aby lewitować przedmioty, jak opisano na początku.
Zastosowania: magneto-encefalografia i uzdatnianie wody
Żywe istoty są zbudowane z wody i materii organicznej, których reakcja na magnetyzm jest ogólnie słaba. Jednak diamagnetyzm, jak powiedzieliśmy, jest nieodłączną częścią materii, w tym organicznej.
Małe prądy elektryczne krążą wewnątrz ludzi i zwierząt, co niewątpliwie wywołuje efekt magnetyczny. W tym momencie, gdy czytelnik podąża za tymi słowami, w jego mózgu krążą małe prądy elektryczne, które umożliwiają mu dostęp do informacji i ich interpretację.
Słabe namagnesowanie zachodzące w mózgu jest wykrywalne. Technika ta jest znana jako magneto-encefalografia, która wykorzystuje detektory o nazwie SQUID ( nadprzewodnikowe urządzenia do interferencji kwantowej ) do wykrywania bardzo małych pól magnetycznych rzędu 10-15 T.
SQUID są w stanie zlokalizować źródła aktywności mózgu z wielką precyzją. Oprogramowanie jest odpowiedzialne za zbieranie uzyskanych danych i przekształcanie ich w szczegółową mapę aktywności mózgu.
Zewnętrzne pola magnetyczne mogą w jakiś sposób wpływać na mózg. Ile? Niektóre ostatnie badania wykazały, że dość intensywne pole magnetyczne o wielkości około 1 T może wpływać na płat ciemieniowy, przerywając część aktywności mózgu na krótkie chwile.
Inni natomiast, w których wolontariusze spędzili 40 godzin w magnesie, który wytwarza intensywność 4 T, opuścili bez zauważalnych negatywnych skutków. University of Ohio przynajmniej wskazało, że do tej pory nie ma ryzyka pozostania w obrębie 8 pól T.
Niektóre organizmy, takie jak bakterie, są w stanie włączyć małe kryształy magnetytu i wykorzystać je do orientacji w polu magnetycznym Ziemi. Podobnie, magnetyt został znaleziony w bardziej złożonych organizmach, takich jak pszczoły i ptaki, które użyłyby go w tym samym celu.
Czy w ludzkim ciele są minerały magnetyczne? Tak, magnetyt został znaleziony w ludzkim mózgu, chociaż nie wiadomo, w jakim celu jest on obecny. Można spekulować, że jest to nieużywana umiejętność.
Jeśli chodzi o uzdatnianie wody, opiera się ona na fakcie, że osady są zasadniczo substancjami diamagnetycznymi. Możliwe jest stosowanie intensywnych pól magnetycznych, a tym samym usuwanie osadów węglanu wapnia, gipsu, soli i innych substancji, które powodują twardość wody i gromadzą się w rurach i pojemnikach.
Jest to system o wielu zaletach, aby chronić środowisko i utrzymywać rury w dobrym stanie przez długi czas i przy niskich kosztach.
