DIAMAGNETIZMUS: MATERIÁLY, APLIKÁCIE, PRÍKLADY - FYZICKÝ - 2025

Diamagnetizmus je jednou z odpovedí sa deje v prítomnosti vonkajšieho magnetického poľa. Vyznačuje sa tým, že je proti tomuto magnetickému poľu alebo je proti nemu a zvyčajne, pokiaľ nie je jedinou magnetickou odpoveďou materiálu, jeho intenzita je najslabšia zo všetkých.

Keď je odpudivý účinok jediný, ktorý materiál predstavuje magnetu, materiál sa považuje za diamagnetický. Ak prevládajú iné magnetické efekty, v závislosti od toho, čo to je, bude sa to považovať za paramagnetické alebo feromagnetické.

Kus bizmutu, diamagnetický materiál. Zdroj: Pixabay.

Sebald Brugmans je pripočítaný v roku 1778 s prvým odkazom na odpor medzi ktorýmkoľvek z pólov magnetu a kusom materiálu, zvlášť zrejmý v prvkoch ako bizmut a antimón.

Neskôr, v roku 1845, Michael Faraday študoval tento účinok podrobnejšie a dospel k záveru, že to bolo neoddeliteľnou vlastnosťou všetkej hmoty.

Diamagnetické materiály a ich reakcia

Magnetické správanie bizmutu a antimónu a ďalších látok, ako je zlato, meď, hélium a látky, ako je voda a drevo, sa veľmi líši od dobre známej silnej magnetickej príťažlivosti, ktorú magnety vyvíjajú na železo, nikel alebo kobalt.

Napriek tomu, že odozva s nízkou intenzitou je obvykle nízka, napriek dostatočne intenzívnemu vonkajšiemu magnetickému poľu je akýkoľvek diamagnetický materiál, dokonca aj živá organická hmota, schopný zažiť veľmi pozoruhodnú opačnú magnetizáciu.

Vytvorením magnetických polí tak silných ako 16 Tesla (už 1 Tesla je považovaná za dosť silnú) mohli vedci z Nijmegen High Field Magnet Laboratory v Amsterdame v Holandsku v 90. rokoch magneticky levitovať jahody, pizzu a žaby.

Je tiež možné vznášať malý magnet medzi prstami osoby vďaka diamagnetizmu a dostatočne silnému magnetickému poľu. Samotné magnetické pole vyvíja magnetickú silu schopnú pritiahnuť malý magnet silou a môžete sa pokúsiť dosiahnuť, aby táto sila kompenzovala hmotnosť, malý magnet však nezostáva veľmi stabilný.

Akonáhle dôjde k minimálnemu posunu, sila, ktorú vyvíja veľký magnet, ho rýchlo priťahuje. Keď však ľudské prsty prídu medzi magnety, malý magnet sa stabilizuje a vznáša medzi palcom a ukazovákom osoby. Kúzlo je spôsobené odpudivým účinkom spôsobeným diamagnetizmom prstov.

Aký je pôvod magnetickej odpovede v látke?

Pôvod diamagnetizmu, ktorý je základnou reakciou akejkoľvek látky na pôsobenie vonkajšieho magnetického poľa, spočíva v skutočnosti, že atómy sú tvorené subatomickými časticami, ktoré majú elektrický náboj.

Tieto častice nie sú statické a ich pohyb je zodpovedný za vytvorenie magnetického poľa. Samozrejme, je ich množstvo plné a vždy môžete očakávať nejakú magnetickú reakciu v akomkoľvek materiáli, nielen v zlúčeninách železa.

Elektrón je primárne zodpovedný za magnetické vlastnosti hmoty. Vo veľmi jednoduchom modeli sa dá predpokladať, že táto častica obieha atómové jadro rovnomerným kruhovým pohybom. To je dosť pre elektrón, ktorý sa má správať ako malá prúdová slučka schopná generovať magnetické pole.

Magnetizácia tohto javu sa nazýva orbitálna magnetizácia . Elektrón však má ďalší príspevok k magnetizmu atómu: vnútorná moment hybnosti.

Analogickým opisom pôvodu vnútornej hybnosti je predpoklad, že elektrón má rotačný pohyb okolo svojej osi, čo sa nazýva spin.

Spin, ktorý je pohybom a je nabitou časticou, tiež prispieva k tzv. Spinovej magnetizácii .

Oba príspevky vedú k čistej alebo výslednej magnetizácii, najdôležitejšie je však presne to, čo je spôsobené spinom. Protóny v jadre, napriek tomu, že majú elektrický náboj a spin, významne neprispievajú k magnetizácii atómu.

V diamagnetických materiáloch je výsledná magnetizácia nulová, pretože príspevky orbitálneho momentu aj momentu rotačného momentu sa vylučujú. Prvý kvôli Lenzovmu zákonu a druhý, pretože elektróny v orbitaloch sú usadené v pároch s opačným spinom a náboje sú vyplnené párnym počtom elektrónov.

Magnetizmus v hmote

Diamagnetický efekt vzniká, keď je orbitálna magnetizácia ovplyvnená vonkajším magnetickým poľom. Takto získaná magnetizácia je označená M a je to vektor.

Bez ohľadu na to, kam je pole nasmerované, bude diamagnetická reakcia vždy odpudivá vďaka Lenzovmu zákonu, ktorý uvádza, že indukovaný prúd je proti akejkoľvek zmene magnetického toku cez slučku.

Ak však materiál obsahuje určitý druh permanentnej magnetizácie, reakcia bude príťažlivá, ako je napríklad paramagnetizmus a feromagnetizmus.

Pre kvantifikáciu účinkov popísané, za vonkajšieho magnetického poľa H , aplikovaný na izotropné materiálu (jeho vlastnosti sú rovnaké v každom bode v priestore), počas ktorého sa magnetizácie M pochádza . Ako výsledok, v magnetickej indukcie vytvorený B , v dôsledku vzájomného pôsobenia, ku ktorému dochádza medzi H a M .

Všetky tieto množstvá sú vektorové. B a M sú úmerné H , čo je priepustnosť materiálu μ a magnetická citlivosť χ, príslušné konštanty proporcionality, ktoré naznačujú, aká je konkrétna reakcia látky na vonkajší magnetický vplyv:

B = μ H

Magnetizácia materiálu bude tiež úmerná H :

M = x H

Vyššie uvedené rovnice sú platné v systéme cgs. Obaja B a H a M majú rovnaké rozmery, aj keď rôznych jednotiek. Pre B sa v tomto systéme používa gauss a pre H sa používa Oersted. Dôvodom je rozlíšenie poľa aplikovaného zvonka od poľa generovaného vo vnútri materiálu.

V medzinárodnom systéme, ktorý sa bežne používa, nadobúda prvá rovnica trochu odlišný vzhľad:

B = μ _alebo μ _r H

μ _o je magnetická priepustnosť prázdneho priestoru, ktorá je ekvivalentná 4π x 10-7 Tm / A (Teslameter / Ampér) a μ _r je relatívna priepustnosť média vo vzťahu k vákuu, ktorá je bezrozmerná.

Pokiaľ ide o magnetickú susceptibilitu χ, ktorá je najvhodnejšou charakteristikou na opis diamagnetických vlastností materiálu, táto rovnica sa píše takto:

B = (1 + x) μ _alebo H

S μ _r = 1 + χ

V medzinárodnom systéme B prichádza v Tesle (T), zatiaľ čo H je vyjadrené v ampéroch / meter, jednotka, ktorá sa kedysi považovala za Lenz, ale ktorá sa doteraz zachovala v základných jednotkách.

V materiáloch, v ktorých χ je negatívny, sa považujú za diamagnetické. A je to dobrý parameter na charakterizáciu týchto látok, pretože χ v nich možno považovať za konštantnú hodnotu nezávislú od teploty. To neplatí pre materiály, ktoré majú viac magnetických reakcií.

Obvykle χ je rádovo -10 ^-6 až -10 ^-5 . Supravodiče sa vyznačujú tým, že majú χ = -1, a preto je vnútorné magnetické pole úplne zrušené (Meisnerov efekt).

Sú to perfektné diamagnetické materiály, v ktorých diamagnetizmus prestáva byť slabou reakciou a stáva sa dostatočne silným na to, aby vznášal objekty, ako je opísané na začiatku.

Použitie: magneto-encefalografia a úprava vody

Živé veci sú vyrobené z vody a organických látok, ktorých reakcia na magnetizmus je vo všeobecnosti slabá. Diamagnetizmus, ako sme už povedali, je však neoddeliteľnou súčasťou hmoty vrátane organických látok.

Vo vnútri ľudí a zvierat cirkulujú malé elektrické prúdy, ktoré nepochybne vytvárajú magnetický efekt. V tomto okamihu, keď čitateľ sleduje tieto slová očami, v jeho mozgu obiehajú malé elektrické prúdy, ktoré mu umožňujú prístup k informáciám a ich interpretáciu.

Slabá magnetizácia, ktorá sa vyskytuje v mozgu, je zistiteľná. Táto technika je známa ako magneto-encefalografia, ktorá využíva detektory nazývané SQUID (supravodivé kvantové interferenčné zariadenia) na detekciu veľmi malých magnetických polí, rádovo 10 - ¹⁵ T.

SQUID sú schopné lokalizovať zdroje mozgovej aktivity s veľkou presnosťou. Softvér je zodpovedný za zhromažďovanie získaných údajov a ich transformáciu do podrobnej mapy mozgovej aktivity.

Vonkajšie magnetické pole môže nejakým spôsobom ovplyvniť mozog. Koľko? Niektoré nedávne výskumy ukázali, že pomerne intenzívne magnetické pole, okolo 1 T, je schopné ovplyvniť parietálny lalok a na krátku chvíľu prerušiť činnosť mozgu.

Na druhej strane iní, v ktorých dobrovoľníci strávili 40 hodín vo vnútri magnetu, ktorý produkuje 4 T intenzity, odišli bez akýchkoľvek pozorovateľných negatívnych účinkov. Aspoň na univerzite v Ohiu sa uvádza, že zatiaľ neexistuje žiadne riziko pre pobyt v oblastiach s 8 T.

Niektoré organizmy, ako sú baktérie, sú schopné včleniť malé kryštály magnetitu a použiť ich na orientáciu v magnetickom poli Zeme. Magnetit sa našiel aj v zložitejších organizmoch, ako sú včely a vtáky, ktoré ho používajú na rovnaký účel.

Existujú v ľudskom tele magnetické minerály? Áno, magnetit sa našiel v ľudskom mozgu, hoci nie je známe, na aký účel je. Dalo by sa špekulovať, že toto je zastaraná zručnosť.

Pokiaľ ide o úpravu vody, je založená na skutočnosti, že sedimenty sú v podstate diamagnetické látky. Silné magnetické polia sa môžu použiť na odstránenie usadenín uhličitanu vápenatého, sadry, soli a iných látok, ktoré spôsobujú tvrdosť vo vode a hromadia sa v potrubiach a nádobách.

Je to systém s mnohými výhodami na ochranu životného prostredia a udržiavanie potrubí v dobrom prevádzkovom stave po dlhú dobu a pri nízkych nákladoch.

Referencie

1. Eisberg, R. 1978. Quantum Physics. Limusa. 557 -577.
2. Young, Hugh. 2016. Fyzika univerzity Sears-Zemansky s modernou fyzikou. 14. vydanie, Pearson. 942
3. Zapata, F. (2003). Štúdium mineralogií spojených s ropným vrtom Guafita 8x patriacim do oblasti Guafita (Apure State) pomocou meraní magnetickej susceptibility a spektroskopie Mossbauer. Diplomová práca. Venezuelská centrálna univerzita.