DIAMAGNETISME: MATERIALER, APPLIKASJONER, EKSEMPLER - FYSISK - 2026

Den diamagnetism er ett av svarene er spørsmål om, i nærvær av et eksternt magnetfelt. Det er preget av å være motsatt eller motsatt av dette magnetfeltet og vanligvis, med mindre det er den eneste magnetiske responsen til materialet, er dens intensitet den svakeste av alle.

Når den frastøtende effekten er den eneste som et materiale presenterer for en magnet, regnes materialet som diamagnetisk. Hvis andre magnetiske effekter dominerer, avhengig av hva det er, vil det bli betraktet som paramagnetisk eller ferromagnetisk.

Et stykke vismut, et diamagnetisk materiale. Kilde: Pixabay.

Sebald Brugmans ble kreditert i 1778 med den første henvisningen til frastøtningen mellom en av polene til en magnet og et stykke materiale, spesielt tydelig i elementer som vismut og antimon.

Senere, i 1845, studerte Michael Faraday denne effekten nærmere og konkluderte med at den var en iboende egenskap til all materie.

Diamagnetiske materialer og deres respons

Vismut og antimons magnetiske oppførsel, og andre som gull, kobber, helium og stoffer som vann og tre, skiller seg veldig fra den velkjente kraftige magnetiske tiltrekningen som magneter utøver på jern, nikkel eller kobolt.

Til tross for at det generelt er en lav intensitetsrespons, i møte med et tilstrekkelig intenst magnetisk felt, er ethvert diamagnetisk materiale, til og med levende organisk materiale, i stand til å oppleve en veldig bemerkelsesverdig motsatt magnetisering.

Ved å generere magnetiske felt så sterke som 16 Tesla (allerede 1 Tesla regnes som ganske sterke), kunne forskere ved Nijmegen High Field Magnet Laboratory i Amsterdam i Nederland magnetisk levitere jordbær, pizza og frosker på 1990-tallet.

Det er også mulig å løfte en liten magnet mellom en persons fingre, takket være diamagnetisme og et tilstrekkelig sterkt magnetfelt. I seg selv utøver magnetfeltet en magnetisk kraft som er i stand til å tiltrekke seg en liten magnet med kraft, og du kan prøve å få denne kraften til å kompensere for vekten, men den lille magneten forblir ikke veldig stabil.

Så snart den opplever minimal forskyvning, tiltrekker kraften som utøves av den store magneten den raskt. Imidlertid når menneskelige fingre kommer mellom magnetene, stabiliserer den lille magneten seg og løfter mellom personens tommel og pekefinger. Magien skyldes frastøtningseffekten forårsaket av diamagnetismen til fingrene.

Hva er opprinnelsen til den magnetiske responsen i materien?

Opprinnelsen til diamagnetisme, som er den grunnleggende responsen til et hvilket som helst stoff på virkningen av et ytre magnetfelt, ligger i det faktum at atomer består av subatomære partikler som har en elektrisk ladning.

Disse partiklene er ikke statiske, og deres bevegelse er ansvarlig for å produsere et magnetfelt. Materiale er selvfølgelig fullt av dem, og du kan alltid forvente en slags magnetisk respons i ethvert materiale, ikke bare jernforbindelser.

Elektronet er hovedansvarlig for de magnetiske egenskapene til materie. I en veldig enkel modell kan det antas at denne partikkelen går i bane rundt atomkjernen med en jevn sirkulær bevegelse. Dette er nok til at elektronet kan oppføre seg som en liten strømstrøm som er i stand til å generere et magnetfelt.

Magnetiseringen fra denne effekten kalles orbital magnetisering . Men elektronet har et ekstra bidrag til magnetismen til atomet: det indre vinkelmomentet.

En analogi for å beskrive opphavet til det indre vinkelmomentet er å anta at elektronet har en rotasjonsbevegelse rundt sin akse, en egenskap som kalles spinn.

Å være en bevegelse og være en ladet partikkel, bidrar spin også til den såkalte spinnmagnetiseringen .

Begge bidrag gir opphav til en netto eller resulterende magnetisering, men det viktigste er nettopp det på grunn av spinn. Protonene i kjernen, til tross for at de har elektrisk ladning og spinn, bidrar ikke nevneverdig til magnetiseringen av atomet.

I diamagnetiske materialer er den resulterende magnetiseringen null, siden bidragene fra både omkretsmomentet og de av spinnmomentet avbryter. Den første på grunn av Lenzs lov og den andre, fordi elektronene i orbitalene er etablert i par med motsatt spinn og skjellene er fylt med et jevnt antall elektroner.

Magnetisme i saken

Den diamagnetiske effekten oppstår når orbital magnetisering påvirkes av et eksternt magnetfelt. Den således oppnådde magnetisering betegnes M og er en vektor.

Uansett hvor feltet er rettet, vil den diamagnetiske responsen alltid være frastøtende takket være Lenz's lov, som sier at den induserte strømmen motsetter seg enhver endring i magnetisk fluks gjennom løkken.

Men hvis materialet inneholder en slags permanent magnetisering, vil responsen være tiltrekningskraft, slik er paramagnetisme og ferromagnetisme.

For å kvantifisere effektene som er beskrevet, bør du vurdere et eksternt magnetfelt H , påført et isotropisk materiale (dets egenskaper er de samme når som helst i rommet), hvor en magnetisering M har sin opprinnelse . Som et resultat, i en magnetisk induksjon laget B , som et resultat av vekselvirkningen som oppstår mellom H og M .

Alle disse mengdene er vektor. B og M er proporsjonale med H , og er permeabiliteten til materialet μ og den magnetiske følsomheten χ, de respektive proporsjonalitetskonstanter, som indikerer hva som er stoffets spesielle respons på ytre magnetisk påvirkning:

B = μ H

Magnetiseringen av materialet vil også være proporsjonal med H :

M = χ H

Ovennevnte ligninger er gyldige i cgs-systemet. Både B og H og M har samme dimensjoner, selv om forskjellige enheter. For B brukes gauss i dette systemet, og for H brukes oersted. Årsaken til å gjøre dette er å differensiere feltet som brukes eksternt fra feltet som genereres inne i materialet.

I det internasjonale systemet, som er den som vanligvis brukes, får den første ligningen et noe annet utseende:

B = μ _eller μ _r H

μ _o er den magnetiske permeabiliteten til tomt rom som tilsvarer 4π x 10-7 Tm / A (Teslameter / Ampere) og μ _r er den relative permeabiliteten til mediet med henvisning til vakuum, som er dimensjonsløs.

Når det gjelder den magnetiske følsomheten χ, som er den mest egnede egenskapen til å beskrive de diamagnetiske egenskapene til et materiale, er denne ligningen skrevet slik:

B = (1 + χ) μ _eller H

Med μ _r = 1 + χ

I det internasjonale systemet B kommer Tesla (T), mens H er uttrykt i Ampere / meter, en enhet som en gang ble antatt å bli kalt Lenz, men som til nå har blitt igjen når det gjelder grunnleggende enheter.

I de materialene der χ er negativt, blir de betraktet som diamagnetiske. Og det er en god parameter å karakterisere disse stoffene, siden χ i dem kan betraktes som en konstant verdi uavhengig av temperatur. Dette er ikke tilfelle for materialer som har flere magnetiske responser.

Vanligvis er χ i størrelsesorden -10 ^-6 til -10 ^-5 . Superledere kjennetegnes ved å ha χ = -1 og derfor blir det indre magnetfeltet fullstendig avbrutt (Meisner-effekt).

De er de perfekte diamagnetiske materialene, der diamagnetisme slutter å være en svak respons, og blir sterke nok til å levitere gjenstander, som beskrevet i begynnelsen.

Bruksområder: magneto-encefalografi og vannbehandling

Levende ting er laget av vann og organisk materiale, hvis respons på magnetisme generelt er svak. Imidlertid er diamagnetisme, som vi har sagt, en egen del av materien, inkludert organisk materiale.

Små elektriske strømmer sirkulerer inne i mennesker og dyr som utvilsomt skaper en magnetisk effekt. Akkurat i dette øyeblikket, mens leseren følger disse ordene med øynene, sirkulerer det små elektriske strømmer i hjernen hans som lar ham få tilgang til og tolke informasjonen.

Den svake magnetiseringen som oppstår i hjernen er påvisbar. Teknikken er kjent som magneto-encefalografi, som bruker detektorer kalt SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) for å oppdage veldig små magnetiske felt i størrelsesorden ^10-15 T.

SQUIDs er i stand til å finne kilder til hjerneaktivitet med stor presisjon. En programvare er ansvarlig for å samle inn innhentede data og transformere dem til et detaljert kart over hjerneaktivitet.

Eksterne magnetiske felt kan påvirke hjernen på noen måte. Hvor mye? Noe nyere forskning har vist at et ganske intenst magnetfelt, rundt 1 T, er i stand til å påvirke parietallaben og avbryte en del av hjerneaktiviteten i korte øyeblikk.

Andre derimot, hvor frivillige har brukt 40 timer inne i en magnet som produserer 4 T intensitet, har forlatt uten å ha observerbare negative effekter. University of Ohio har i det minste indikert at det så langt ikke er noen risiko ved å holde seg innenfor felt av 8 T.

Noen organismer som bakterier er i stand til å innlemme små krystaller av magnetitt og bruke dem til å orientere seg i jordas magnetfelt. Magnetitt er også funnet i mer komplekse organismer som bier og fugler, som vil bruke den til samme formål.

Er det magnetiske mineraler i menneskekroppen? Ja, magnetitt er funnet i den menneskelige hjernen, selv om det er ukjent med hvilket formål den er der. Man kan spekulere i at dette er en utdatert ferdighet.

Når det gjelder vannbehandling, er det basert på at sedimenter i utgangspunktet er diamagnetiske stoffer. Sterke magnetfelt kan brukes til å fjerne kalsiumkarbonatsedimenter, gips, salt og andre stoffer som forårsaker hardhet i vann og akkumuleres i rør og containere.

Det er et system med mange fordeler for å bevare miljøet og holde rørene i god stand i lang tid og til lave kostnader.

referanser

1. Eisberg, R. 1978. Kvantefysikk. Limusa. 557 -577.
2. Ung, Hugh. 2016. Sears-Zemanskys universitetsfysikk med moderne fysikk. 14. ed. Pearson. 942
3. Zapata, F. (2003). Studie av mineralogier assosiert med Guafita 8x oljebrønn som tilhører Guafita-feltet (Apure State) ved bruk av Mossbauer Magnetic Susceptibility and Spectroscopy målinger. Gradsoppgave. Central University of Venezuela.