DIAMAGNETISM: MATERIAL, APPLIKATIONER, EXEMPEL - FYSISK - 2025

Den diamagnetism är ett av svaren är frågan i närvaro av ett yttre magnetfält. Det kännetecknas av att det är motsatt eller motsatt av detta magnetfält och vanligtvis, om det inte är materialets enda magnetiska svar, är dess intensitet den svagaste av alla.

När den avvisande effekten är den enda som ett material presenterar för en magnet, anses materialet vara diamagnetiskt. Om andra magnetiska effekter dominerar, beroende på vad det är, kommer det att betraktas som paramagnetiskt eller ferromagnetiskt.

En bit vismut, ett diamagnetiskt material. Källa: Pixabay.

Sebald Brugmans krediteras 1778 med den första hänvisningen till avvisningen mellan någon av polerna i en magnet och ett materialstycke, särskilt tydligt i element som vismut och antimon.

Senare, 1845, studerade Michael Faraday denna effekt närmare och drog slutsatsen att det var en inneboende egenskap av allt materia.

Diamagnetiska material och deras svar

Vismut och antimon, och andra såsom guld, koppar, helium och ämnen som vatten och trä, skiljer sig kraftigt från den välkända kraftfulla magnetiska dragningen som magneter utövar på järn, nickel eller kobolt.

Trots att det i allmänhet är ett lågt intensitetssvar, inför ett tillräckligt intensivt yttre magnetfält, kan alla diamagnetiska material, till och med levande organiska ämnen, uppleva en mycket anmärkningsvärd motsatt magnetisering.

Genom att generera magnetfält så starka som 16 Tesla (redan 1 Tesla anses vara ganska stark) kunde forskare vid Nijmegen High Field Magnet Laboratory i Amsterdam i Nederländerna magnetiskt levitera jordgubbar, pizzor och grodor under 1990-talet.

Tack vare diamagnetism och ett tillräckligt starkt magnetfält är det också möjligt att lyfta en liten magnet mellan en persons fingrar. I sig själv utövar magnetfältet en magnetisk kraft som kan attrahera en liten magnet med kraft och du kan försöka få denna kraft att kompensera för vikten, men den lilla magneten förblir inte särskilt stabil.

Så fort den upplever minimal förskjutning, lockar den kraft som utövas av den stora magneten den snabbt. Men när mänskliga fingrar kommer mellan magneterna, stabiliseras den lilla magneten och flyter mellan personens tumme och pekfingret. Magin beror på repulsionseffekten som orsakas av fingrarnas diamagnetism.

Vad är ursprunget till det magnetiska svaret i materien?

Ursprunget till diamagnetism, som är det grundläggande svaret för varje ämne på verkan av ett yttre magnetfält, ligger i det faktum att atomer består av subatomära partiklar som har en elektrisk laddning.

Dessa partiklar är inte statiska och deras rörelse ansvarar för att producera ett magnetfält. Naturligtvis är materien full av dem, och du kan alltid förvänta dig någon form av magnetisk respons i vilket material som helst, inte bara järnföreningar.

Elektronen är huvudsakligen ansvarig för magnetiska egenskaper hos materien. I en mycket enkel modell kan det antas att denna partikel kretsar kring atomkärnan med en enhetlig cirkulär rörelse. Detta räcker för att elektronen kan bete sig som en liten strömslinga som kan generera ett magnetfält.

Magnetiseringen från denna effekt kallas omloppsmagnetisering . Men elektronen har ett ytterligare bidrag till atomens magnetism: det inneboende vinkelmomentet.

En analogi för att beskriva ursprunget till det inneboende vinkelmomentet är att anta att elektronen har en rotationsrörelse runt sin axel, en egenskap som kallas spin.

Att vara en rörelse och vara en laddad partikel bidrar spin också till den så kallade spinnmagnetiseringen .

Båda bidrag ger upphov till en netto- eller resulterande magnetisering, men det viktigaste är just det på grund av snurr. Protonerna i kärnan, trots att de har elektrisk laddning och vridning, bidrar inte väsentligt till magnetiseringen av atomen.

I diamagnetiska material är den resulterande magnetiseringen noll, eftersom bidragen från både omloppsmomentet och de från omvridningsmomentet avbryter. Den första på grund av Lenzs lag och den andra, eftersom elektronerna i orbitalerna är etablerade i par med motsatt vridning och skalen är fyllda med ett jämnt antal elektroner.

Magnetism i materien

Den diamagnetiska effekten uppstår när omloppsmagnetisering påverkas av ett yttre magnetfält. Den sålunda erhållna magnetiseringen betecknas M och är en vektor.

Oavsett vart fältet riktas, kommer det diamagnetiska svaret alltid att vara avvisande tack vare Lenzs lag, som säger att den inducerade strömmen motsätter sig alla förändringar i magnetflödet genom slingan.

Men om materialet innehåller någon form av permanent magnetisering, kommer svaret att bli attraktion, vilket är fallet med paramagnetism och ferromagnetism.

För att kvantifiera de beskrivna effekterna, låt oss betrakta ett yttre magnetfält H , applicerat på ett isotropiskt material (dess egenskaper är desamma vid vilken plats som helst i rymden), inom vilken en magnetisering M härstammar . Som ett resultat, i en magnetisk induktion skapad B , som ett resultat av den interaktion som sker mellan H och M .

Alla dessa mängder är vektor. B och M är proportionella mot H , varvid materialets permeabilitet μ och den magnetiska känsligheten the, respektive proportionalitetskonstanter, som indikerar vad som är ämnets specifika svar på yttre magnetiska påverkan:

B = μ H

Materialets magnetisering kommer också att vara proportionell mot H :

M = χ H

Ovanstående ekvationer är giltiga i cgs-systemet. Både B och H och M har samma dimensioner, även om olika enheter. För B används gauss i detta system och för H används oersted. Anledningen till detta är att differentiera det fält som appliceras externt från det fält som genereras inuti materialet.

I det internationella systemet, som är den som vanligtvis används, får den första ekvationen ett något annorlunda utseende:

B = μ _eller μ _r H

μ _o är den magnetiska permeabiliteten för tomt utrymme som motsvarar 4π x 10-7 Tm / A (Teslameter / Ampere) och μ _r är den relativa permeabiliteten för mediet med hänvisning till vakuum, vilket är dimensionslöst.

När det gäller den magnetiska känsligheten χ, som är den mest lämpliga egenskapen för att beskriva de diamagnetiska egenskaperna hos ett material, skrivs denna ekvation så här:

B = (1 + χ) μ _eller H

Med μ _r = 1 + χ

I det internationella systemet kommer B i Tesla (T), medan H uttrycks i Ampere / meter, en enhet som en gång troddes kallas Lenz, men som hittills har lämnats i termer av grundläggande enheter.

I de material där χ är negativt betraktas de som diamagnetiska. Och det är en bra parameter att karakterisera dessa ämnen, eftersom χ i dem kan betraktas som ett konstant värde oberoende av temperaturen. Detta är inte fallet för material som har fler magnetiska svar.

Vanligtvis är on i storleksordningen -10 ^-6 till -10 ^-5 . Superledare kännetecknas av att de har χ = -1 och därför avbryts det inre magnetfältet helt (Meisner-effekten).

Det är de perfekta diamagnetiska materialen, där diamagnetism slutar vara ett svagt svar och blir tillräckligt stark för att levitera föremål, som beskrivs i början.

Användningsområden: magneto-encefalografi och vattenbehandling

Levande saker är gjorda av vatten och organiskt material, vars svar på magnetism i allmänhet är svagt. Emellertid är diamagnetism, som vi har sagt, en inre del av materien, inklusive organiskt material.

Små elektriska strömmar cirkulerar inuti människor och djur som utan tvekan skapar en magnetisk effekt. Just i detta ögonblick, medan läsaren följer dessa ord med ögonen, cirkulerar små elektriska strömmar i hans hjärna som låter honom få tillgång till och tolka informationen.

Den svaga magnetiseringen som uppstår i hjärnan är detekterbar. Tekniken är känd som magneto-encefalografi, som använder detektorer som kallas SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices) för att detektera mycket små magnetfält i storleksordningen ^10-15 T.

SQUID: er kan hitta lokala källor till hjärnaktivitet med stor precision. En mjukvara ansvarar för att samla in de uppgifter som erhållits och omvandla dem till en detaljerad karta över hjärnaktivitet.

Yttre magnetfält kan påverka hjärnan på något sätt. Hur mycket? En del nyligen genomförd forskning har visat att ett ganska intensivt magnetfält, cirka 1 T, kan påverka parietalben och avbryta en del av hjärnaktiviteten under korta stunder.

Andra, däremot, där frivilliga har tillbringat 40 timmar i en magnet som producerar 4 T intensitet, har lämnat utan att drabbas av några observerbara negativa effekter. University of Ohio åtminstone har angett att det hittills inte finns någon risk att stanna inom fält av 8 T.

Vissa organismer som bakterier kan infoga små kristaller av magnetit och använda dem för att orientera sig inom jordens magnetfält. Magnetit har också hittats i mer komplexa organismer som bin och fåglar, som skulle använda den för samma ändamål.

Finns det magnetiska mineraler i människokroppen? Ja, magnetit har hittats i den mänskliga hjärnan, även om det är okänt för vilket syfte det är där. Man kan spekulera i att det här är en avskrivad kompetens.

När det gäller vattenbehandling baseras det på att sediment i princip är diamagnetiska ämnen. Starka magnetfält kan användas för att ta bort kalciumkarbonatsediment, gips, salt och andra ämnen som orsakar hårdhet i vatten och ackumuleras i rör och behållare.

Det är ett system med många fördelar för att bevara miljön och hålla rören i gott skick under lång tid och till låg kostnad.

referenser

1. Eisberg, R. 1978. Kvantfysik. Limusa. 557 -577.
2. Ung, Hugh. 2016. Sears-Zemanskys universitetsfysik med modern fysik. 14: e Pearson. 942
3. Zapata, F. (2003). Studie av mineralogier associerade med Guafita 8x oljebrunn som tillhör Guafita-fältet (Apure State) med användning av Mossbauer Magnetic Susceptibility and Spectroscopy-mätningar. Examensarbete. Central University of Venezuela.