ДИАМАГНЕТИЗЪМ: МАТЕРИАЛИ, ПРИЛОЖЕНИЯ, ПРИМЕРИ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В диамагнетизъм е един от отговорите е въпроса в присъствието на външно магнитно поле. Характеризира се с това, че е противоположно или противоположно на това магнитно поле и обикновено, освен ако не е единственият магнитен отговор на материала, неговата интензивност е най-слабата от всички.

Когато отблъскващият ефект е единственият, който даден материал представя на магнит, материалът се счита за диамагнетичен. Ако преобладават други магнитни ефекти, в зависимост от това какво е, то ще се счита за парамагнитно или феромагнитно.

Парче бисмут, диамагнетичен материал. Източник: Pixabay

Себалд Брюгманс е приписан през 1778 г. с първото позоваване на отблъскването между някой от полюсите на магнит и парче материал, особено очевидно в елементи като бисмут и антимон.

По-късно, през 1845 г. Майкъл Фарадей изучава по-внимателно този ефект и заключава, че той е присъщо на цялата материя.

Диамагнитни материали и тяхната реакция

Магнитното поведение на бисмута и сурмата и други като злато, мед, хелий и вещества като вода и дърво се различава значително от добре познатото мощно магнитно привличане, което магнитите упражняват върху желязо, никел или кобалт.

Въпреки че обикновено е реакция с ниска интензивност, пред достатъчно интензивно външно магнитно поле, всеки диамагнетичен материал, дори жива органична материя, е способен да изпита много забележимо противоположно намагнетизиране.

Чрез генериране на магнитни полета, толкова силни като 16 Тесла (вече 1 Тесла се счита за доста силен), изследователите от Наймегенската лаборатория за високо поле на магнитите в Амстердам в Холандия успяха да магнетично да левитират ягоди, пици и жаби през 90-те години.

Възможно е също така да левитирате малък магнит между пръстите на човек, благодарение на диамагнетизма и достатъчно силно магнитно поле. Само по себе си магнитното поле упражнява магнитна сила, способна да привлече малък магнит със сила и можете да опитате да накарате тази сила да компенсира теглото, но малкият магнит не остава много стабилен.

Щом изпита минимално изместване, силата, упражнена от големия магнит, го привлича бързо. Когато обаче човешките пръсти попаднат между магнитите, малкият магнит се стабилизира и левитира между палеца и показалеца на човека. Магията се дължи на ефекта на отблъскване, причинен от диамагнетизма на пръстите.

Какъв е произходът на магнитния отговор в материята?

Произходът на диамагнетизма, който е основен отговор на всяко вещество на действието на външно магнитно поле, се крие във факта, че атомите са съставени от субатомни частици, които имат електрически заряд.

Тези частици не са статични и тяхното движение е отговорно за производството на магнитно поле. Разбира се, материята е пълна с тях и винаги можете да очаквате някакъв магнитен отговор във всеки материал, а не само железни съединения.

Електронът е отговорен преди всичко за магнитните свойства на материята. В много прост модел може да се предположи, че тази частица обикаля около атомното ядро ​​с равномерно кръгово движение. Това е достатъчно, за да може електронът да се държи като мъничка верига от ток, способна да генерира магнитно поле.

Магнетизирането от този ефект се нарича орбитално намагнетизиране. Но електронът има допълнителен принос към магнетизма на атома: присъщата ъглова инерция.

Аналогия за описание на произхода на вътрешния ъглов импулс е да се предположи, че електронът има въртеливо движение около оста си, свойство, което се нарича спин.

Като движение и като заредена частица, въртенето също допринася за така нареченото намагнитване на спина.

И двата приноса пораждат нетна или произтичаща намагнитване, но най-важното е именно това, което се дължи на въртенето. Протоните в ядрото, въпреки че имат електрически заряд и въртене, не допринасят значително за намагнитването на атома.

При диамагнитните материали получената намагнетизация е нула, тъй като приносите както на орбиталния момент, така и на тези на въртящия момент отменят. Първата поради закона на Ленц, а втората, защото електроните в орбиталите са установени по двойки с противоположно спин и черупките са изпълнени с четен брой електрони.

Магнетизъм в материята

Диамагнитният ефект възниква, когато орбиталното намагнетизиране се влияе от външно магнитно поле. Така получената намагнетизация се обозначава с М и е вектор.

Независимо къде е насочено полето, диамагнитният отговор винаги ще бъде отблъскващ благодарение на закона на Ленц, който гласи, че индуцираният ток се противопоставя на всяка промяна в магнитния поток през контура.

Но ако материалът съдържа някакъв вид постоянна намагнетизация, реакцията ще бъде привличане, такъв е случаят с парамагнетизма и феромагнетизма.

За количествено определяне описани ефектите, помисли за външно магнитно поле Н, прилага изотропен материал (неговите свойства са същите във всяка точка в пространството), в която намагнитване на M произход. Като резултат, в магнитна индукция създаден Б, в резултат на взаимодействието, което възниква между Н и М.

Всички тези количества са векторни. B и M са пропорционални на H, като проницаемостта на материала μ и магнитната чувствителност χ, съответните константи на пропорционалност, които показват какъв е конкретният отговор на веществото на външно магнитно влияние:

B = μ Н

Магнетизирането на материала също ще бъде пропорционално на Н:

M = χ H

Горните уравнения са валидни в система cgs. И B, и H, и M имат еднакви размери, макар и различни единици. За B в тази система се използват гаусите, а за H - oersted. Причината за това е да се разграничи полето, приложено външно, от полето, генерирано вътре в материала.

В международната система, която е често използваната, първото уравнение придобива малко по-различен вид:

B = μ _или μ _r H

μ _o е магнитната проницаемост на празното пространство, която е еквивалентна на 4π x 10-7 Tm / A (Teslameter / Ampere), а μ _r е относителната пропускливост на средата по отношение на вакуума, която е безразмерна.

По отношение на магнитната чувствителност χ, която е най-подходящата характеристика за описание на диамагнитните свойства на материал, това уравнение се записва така:

B = (1 + χ) μ _или Н

С μ _r = 1 + χ

В международната система B идва в Tesla (T), докато H се изразява в ампер / метър, единица, която някога се е наричала Ленц, но която досега е останала по отношение на фундаментални единици.

В тези материали, в които χ е отрицателен, те се считат за диамагнитни. И е добър параметър да се характеризират тези вещества, тъй като χ в тях може да се счита за постоянна стойност, независима от температурата. Това не е така за материали, които имат повече магнитни отговори.

Обикновено χ е от порядъка на -10 ^-6 до -10 ^-5. Свръхпроводниците се характеризират с това, че имат х = -1 и следователно вътрешното магнитно поле се отменя напълно (ефект на Майснер).

Те са перфектните диамагнитни материали, при които диамагнетизмът престава да бъде слаба реакция и става достатъчно силен, за да левитира обекти, както е описано в началото.

Приложения: магнито-енцефалография и обработка на вода

Живите същества са направени от вода и органична материя, чийто отговор към магнетизма като цяло е слаб. Както казахме обаче, диамагнетизмът е присъща част на материята, включително органичната материя.

Вътре хората и животните циркулират малки електрически токове, които несъмнено създават магнитен ефект. В този момент, докато читателят следва тези думи с очите си, в мозъка му циркулират малки електрически токове, които му позволяват достъп и интерпретация на информацията.

Слабата намагнетизация, която се случва в мозъка, се открива. Техниката е известна като магнито-енцефалография, която използва детектори, наречени SQUIDs (свръхпроводими квантови интерференционни устройства) за откриване на много малки магнитни полета, от порядъка на 10 ^-15 T.

SQUIDs са способни да локализират източници на мозъчна дейност с голяма точност. Софтуерът отговаря за събирането на получените данни и превръщането им в подробна карта на мозъчната дейност.

Външните магнитни полета могат да повлияят на мозъка по някакъв начин. Колко? Някои скорошни изследвания показват, че доста интензивно магнитно поле, около 1 T, е в състояние да повлияе на париеталния лоб, прекъсвайки част от мозъчната дейност за кратки моменти.

Други, от друга страна, в които доброволците са прекарали 40 часа вътре в магнит, който произвежда 4 T интензивност, са останали, без да търпят видими отрицателни ефекти. Университетът в Охайо поне посочи, че засега няма риск да останете в полета от 8 T.

Някои организми, като бактериите, са способни да вграждат малки кристали на магнетит и да ги използват, за да се ориентират в магнитното поле на Земята. Магнетитът е открит и в по-сложни организми като пчели и птици, които биха го използвали за същата цел.

Има ли магнитни минерали в човешкото тяло? Да, магнетитът е открит в човешкия мозък, въпреки че не е известно с каква цел е там. Човек би могъл да спекулира, че това е остаряло умение.

Що се отнася до пречистването на водата, тя се основава на факта, че утайките са основно диамагнитни вещества. Силни магнитни полета могат да се използват за отстраняване на утайки от калциев карбонат, гипс, сол и други вещества, които причиняват твърдост във водата и се натрупват в тръби и контейнери.

Това е система с много предимства за опазване на околната среда и поддържане на тръбите в добро състояние за дълго време и на ниска цена.

Препратки

1. Айсберг, Р. 1978. Квантова физика. Limusa. 557 -577.
2. Млад, Хю. 2016. Университетската физика на Sears-Zemansky с модерна физика. 14-ти изд. Пирсън. 942
3. Сапата, Ф. (2003). Проучване на минералогии, свързани с нефтената ямка на Guafita 8x, принадлежаща към полето Гуафита (състояние Апуре), като се използват измервания на магнитната чувствителност и спектроскопия на Мосбауер. Дипломна работа. Централен университет на Венецуела.