DIAMAGNETIZEM: MATERIALI, APLIKACIJE, PRIMERI - FIZIČNO - 2025

Diamagnetizem je eden od odgovorov je zadeva v prisotnosti zunanjega magnetnega polja. Zanjo je značilno, da je to magnetno polje nasprotno ali nasprotno in običajno, če ni edini magnetni odziv materiala, je njegova intenzivnost najšibkejša od vseh.

Kadar je odbojni učinek edini, ki ga material predstavlja magnetu, se material šteje za diamagnetni. Če prevladujejo drugi magnetni učinki, se bo štelo za paramagnetne ali feromagnetne.

Košček bizmuta, diamagnetni material. Vir: Pixabay.

Sebald Brugmans je leta 1778 zaslužen za prvo omembo odbojnosti katerega koli pola magneta in kosa materiala, še posebej vidnega v elementih, kot sta bizmut in antimona.

Kasneje, leta 1845, je Michael Faraday natančneje preučil ta učinek in ugotovil, da je lastnost vse materije.

Diamagnetni materiali in njihov odziv

Magnetno vedenje bizmuta in antimona ter drugih, kot so zlato, baker, helij in snovi, kot so voda in les, se močno razlikuje od znane močne magnetne privlačnosti, ki jo magneti izvajajo na železo, nikelj ali kobalt.

Vsak diamagnetni material, celo živa organska snov, je kljub nizko intenzivnemu odzivu na splošno sposoben izredno nasprotno magnetiziranje.

Z ustvarjanjem magnetnih polj, ki so mogoča kar 16 Tesle (že 1 Tesla velja za precej močno), so raziskovalci v Nijmegen Laboratoriju za visoko magnetno polje v Amsterdamu na Nizozemskem v 90. letih prejšnjega stoletja lahko magnetno levitali jagode, pice in žabe.

Zaradi diamagnetizma in dovolj močnega magnetnega polja je mogoče leviti tudi majhen magnet med prsti osebe. Magnetno polje samo po sebi izvaja magnetno silo, ki lahko s silo pritegne majhen magnet in lahko poskusite, da bi ta sila kompenzirala težo, vendar majhen magnet ne ostane zelo stabilen.

Takoj, ko doživi minimalen premik, ga sila, ki jo izvaja velik magnet, hitro pritegne. Ko pa človeški prsti pridejo med magnete, se mali magnet stabilizira in levita med palcem in kazalcem osebe. Magija je posledica odbojnega učinka, ki ga povzroča diamagnetizem prstov.

Kakšen je izvor magnetnega odziva v materiji?

Izvor diamagnetizma, ki je temeljni odziv katere koli snovi na delovanje zunanjega magnetnega polja, je v tem, da so atomi sestavljeni iz subatomskih delcev, ki imajo električni naboj.

Ti delci niso statični in njihovo gibanje je odgovorno za proizvodnjo magnetnega polja. Seveda je snov polna z njimi in vedno lahko pričakujete kakšen magnetni odziv v katerem koli materialu, ne le železove spojine.

Za magnetne lastnosti materije je odgovoren predvsem elektron. V zelo preprostem modelu lahko sklepamo, da ta delček kroži z atomskim jedrom z enakomernim krožnim gibanjem. To je dovolj, da se elektron obnaša kot drobna zanka toka, ki lahko ustvari magnetno polje.

Magnetizacija iz tega učinka se imenuje orbitalna magnetizacija . Toda elektron ima dodaten prispevek k magnetizmu atoma: notranji kotni zagon.

Analogija, ki opisuje izvor notranjega kotnega momenta, je domneva, da ima elektron rotacijsko gibanje okoli svoje osi, lastnost, imenovano spin.

Spin je tudi gibanje in nabito delce, ki prispeva k tako imenovani magnetizaciji spina .

Oba prispevka povzročata neto ali magnetiziranje, vendar je najpomembnejše ravno zaradi ožemanja. Protoni v jedru, čeprav imajo električni naboj in se vrtijo, ne prispevajo bistveno k magnetizaciji atoma.

Pri diamagnetnih materialih je posledično namagnetizacija enaka nič, saj se prispevki tako orbitalnega trenutka kot tudi vrtečega trenutka zavrnejo. Prvo zaradi Lenzovega zakona in drugo, ker so elektroni v orbitalah vzpostavljeni v parih z nasprotnim vrtenjem in lupine so napolnjene s parnim številom elektronov.

Magnetizem v materiji

Diamagnetni učinek nastane, ko na magnetizacijo orbitov vpliva zunanje magnetno polje. Tako dobljeno magnetizacijo označimo z M in je vektor.

Ne glede na to, kam je polje usmerjeno, bo diamagnetni odziv vedno odvračljiv zahvaljujoč Lenzovemu zakonu, ki pravi, da inducirani tok nasprotuje vsaki spremembi magnetnega toka skozi zanko.

Če pa material vsebuje nekakšno stalno magnetiziranje, bo odziv privlačnost, tak primer je paramagnetizem in feromagnetizem.

Za določitev učinkov opisano, menijo zunanjega magnetnega polja H , uporabljenih na izotropnega materiala (njene lastnosti so enake v katerikoli točki v prostoru), v katerem a magnetizacija M izvira . Kot rezultat, v notranjosti magnetnega polja povzročajo B , kot posledica interakcije, ki se pojavi med H in M .

Vse te količine so vektorske. B in M sta sorazmerni s H , saj sta prepustnost materiala μ in magnetna občutljivost χ, ustrezni konstanti sorazmernosti, ki kažeta, kakšen je poseben odziv snovi na zunanji magnetni vpliv:

B = μ H

Magnetizacija materiala bo sorazmerna tudi s H :

M = χ H

Zgornje enačbe so veljavne v sistemu cgs. Tako B kot H in M imata enake dimenzije, čeprav različne enote. Za B se v tem sistemu uporabljajo plini, za H pa oersted. Razlog za to je razlikovanje polja, ki se uporablja zunaj, od polja, ustvarjenega znotraj materiala.

V mednarodnem sistemu, ki se običajno uporablja, prva enačba dobi nekoliko drugačen videz:

B = μ _ali μ _r H

μ _o je magnetna prepustnost praznega prostora, ki je enaka 4π x 10-7 Tm / A (Teslameter / Ampere), μ _r pa relativna prepustnost medija glede na vakuum, ki je brezdimenzijska.

Glede na magnetno občutljivost χ, ki je najprimernejša lastnost za opis diamagnetnih lastnosti materiala, je enačba zapisana tako:

B = (1 + χ) μ _ali H

Z μ _r = 1 + χ

V mednarodnem sistemu B je Tesla (T), H pa je izražen v Amperu / meter, enoti, ki se je nekoč imenovala Lenz, vendar je bila do zdaj ostala v smislu temeljnih enot.

V tistih materialih, pri katerih je χ negativen, jih obravnavamo kot diamagnetne. In to je dober parameter za karakterizacijo teh snovi, saj se χ v njih lahko šteje za konstantno vrednost, neodvisno od temperature. To ne velja za materiale, ki imajo več magnetnih odzivov.

Običajno je χ v vrstnem redu od -10 ^-6 do -10 ^-5 . Za superprevodnike je značilno, da imajo χ = -1, zato se notranje magnetno polje popolnoma prekliče (Meisnerjev učinek).

So popolni diamagnetni materiali, pri katerih diamagnetizem preneha biti šibek odziv in postane dovolj močan za levitacijo predmetov, kot je opisano na začetku.

Uporaba: magneto-encefalografija in čiščenje vode

Živa bitja so narejena iz vode in organskih snovi, katerih odziv na magnetizem je na splošno šibek. Vendar pa je diamagnetizem, kot rečeno, bistven del materije, vključno z organsko snovjo.

Majhni električni tokovi krožijo znotraj ljudi in živali, ki nedvomno ustvarjajo magnetni učinek. V tem trenutku, medtem ko bralec s temi očmi spremlja te besede, v njegovih možganih krožijo majhni električni tokovi, ki mu omogočajo dostop in razlago informacij.

Zaznavna je šibka magnetizacija v možganih. Tehnika je znana kot magneto-encefalografija, ki uporablja detektorje imenovane SQUIDs (superprevodne kvantne interferenčne naprave) za zaznavanje zelo majhnih magnetnih polj, in sicer v vrstnem redu od 10 do ¹⁵ T.

SQUIDi lahko z veliko natančnostjo najdejo vire možganske aktivnosti. Programska oprema je odgovorna za zbiranje pridobljenih podatkov in njihovo pretvorbo v podroben zemljevid možganskih aktivnosti.

Zunanja magnetna polja lahko na nek način vplivajo na možgane. Koliko? Nekatere nedavne raziskave so pokazale, da dokaj intenzivno magnetno polje, približno 1 T, lahko vpliva na parietalni reženj, za kratek trenutek prekine del možganske aktivnosti.

Drugi, na drugi strani, pri katerih so prostovoljci preživeli 40 ur znotraj magneta, ki proizvaja intenzivnost 4 T, so ostali brez opaznih negativnih učinkov. Vsaj univerza v Ohiu je pokazala, da do zdaj ni nobenega tveganja ostati na poljih 8 T.

Nekateri organizmi, kot so bakterije, lahko vključijo majhne kristale magnetita in jih uporabijo za orientacijo znotraj magnetnega polja Zemlje. Magnetit najdemo tudi v bolj zapletenih organizmih, kot so čebele in ptice, ki bi ga uporabljali z istim namenom.

Ali v človeškem telesu obstajajo magnetni minerali? Da, magnetit je bil najden v človeških možganih, čeprav ni znano, s kakšnim namenom je tam. Lahko bi špekulirali, da je to zastarela veščina.

Kar zadeva čiščenje vode, temelji na dejstvu, da so usedline v osnovi diamagnetne snovi. Močna magnetna polja se lahko uporabljajo za odstranjevanje usedlin kalcijevega karbonata, mavca, soli in drugih snovi, ki povzročajo trdoto v vodi in se kopičijo v ceveh in posodah.

Gre za sistem s številnimi prednostmi za ohranjanje okolja in ohranjanje cevi v dobrem stanju dlje časa in z nizkimi stroški.

Reference

1. Eisberg, R. 1978. Kvantna fizika. Limusa. 557 -577.
2. Mladi, Hugh. 2016. Univerzitetna fizika Sears-Zemansky s sodobno fiziko. 14. ed. Pearson. 942
3. Zapata, F. (2003). Študija mineralogij, povezanih z olje Guafita 8x, ki pripada polju Guafita (stanje apure), z uporabo meritev Mossbauerjeve magnetne občutljivosti in spektroskopije. Diplomska naloga. Centralna univerza v Venezueli.