ДІАМАГНЕТИЗМ: МАТЕРІАЛИ, ДОДАТКИ, ПРИКЛАДИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Діамагнетизм є одним з відповідей є питанням в присутності зовнішнього магнітного поля. Він характеризується тим, що є протилежним або протилежним цьому магнітним полем і зазвичай, якщо це не єдина магнітна відповідь матеріалу, його інтенсивність є найслабшою з усіх.

Коли відштовхуючий ефект є єдиним, який матеріал подає магніту, матеріал вважається діамагнітним. Якщо переважають інші магнітні ефекти, залежно від того, що це таке, воно буде вважатися парамагнітним або феромагнітним.

Шматок вісмуту, діамагнітний матеріал. Джерело: Pixabay.

Себальду Брюгмансу приписують у 1778 р. Першу згадку про відштовхування будь-якого з полюсів магніту та шматок матеріалу, особливо це проявляється в таких елементах, як вісмут та сурма.

Пізніше, у 1845 р. Майкл Фарадей уважніше вивчив цей ефект і дійшов висновку, що він є властивою всій матерії.

Діамагнітні матеріали та їх реакція

Магнітна поведінка вісмуту та сурми та інших, таких як золото, мідь, гелій та такі речовини, як вода та деревина, сильно відрізняється від відомого потужного магнітного притягання, яке магніти здійснюють на залізо, нікель чи ін. кобальту.

Незважаючи на те, що зазвичай реагує на низьку інтенсивність, в умовах досить інтенсивного зовнішнього магнітного поля будь-який діамагнітний матеріал, навіть жива органічна речовина, здатний зазнати дуже чудового зворотного намагнічування.

Генеруючи магнітні поля потужністю 16 Тесла (вже 1 Тесла вважається досить сильним), дослідники Неймегенської лабораторії високого польового магніту в Амстердамі в Нідерландах в 1990-х роках змогли магнітно левітувати полуницю, піци та жаби.

Можливо також левітацію невеликого магніту між пальцями людини, завдяки діамагнетизму та досить сильному магнітному полі. Само по собі магнітне поле чинить магнітну силу, здатну притягувати малий магніт силою, і ви можете спробувати змусити цю силу компенсувати вагу, однак малий магніт не залишається дуже стійким.

Як тільки він відчуває мінімальне переміщення, сила великого магніту притягує його швидко. Однак, коли людські пальці потрапляють між магнітами, маленький магніт стабілізується і левітації між великим і вказівним пальцями людини. Магія обумовлена ​​ефектом відштовхування, викликаного діамагнетизмом пальців.

Яке походження магнітної відповіді в речовині?

Походження діамагнетизму, що є принциповою відповіддю будь-якої речовини на дію зовнішнього магнітного поля, полягає в тому, що атоми складаються з субатомних частинок, що мають електричний заряд.

Ці частинки не є статичними, і їх рух відповідає за отримання магнітного поля. Звичайно, матерія їх наповнена, і завжди можна очікувати якогось магнітного відгуку в будь-якому матеріалі, а не тільки в сполуках заліза.

Електрон в першу чергу відповідає за магнітні властивості речовини. У дуже простій моделі можна припустити, що ця частинка орбітує атомне ядро ​​рівномірним круговим рухом. Цього достатньо, щоб електрон поводився, як крихітна петля струму, здатна генерувати магнітне поле.

Намагнічування від цього ефекту називається орбітальною намагніченістю . Але електрон має додатковий внесок у магнетизм атома: властивий імпульс кута.

Аналогія для опису походження власного імпульсу кута полягає в припущенні, що електрон має обертальний рух навколо своєї осі, властивість, яке називається спіном.

Будучи рухом і будучи зарядженою частинкою, спін також сприяє так званій намагніченості спина .

Обидва внески спричиняють чисте або результуюче намагнічування, проте найважливішим є саме те, що відбувається за рахунок віджиму. Протони в ядрі, незважаючи на те, що мають електричний заряд і віджимання, не сприяють значному намагніченню атома.

У діамагнітних матеріалах отримана намагніченість дорівнює нулю, оскільки внески як орбітального моменту, так і моменту спінового моменту скасовуються. Перший через закон Ленца, а другий, тому що електрони на орбіталях встановлюються парами з протилежним спіном, а оболонки заповнені парною кількістю електронів.

Магнетизм у матерії

Діамагнітний ефект виникає, коли на намагнічення орбіти впливає зовнішнє магнітне поле. Отримане таким чином намагніченість позначається М і є вектором.

Незалежно від того, куди спрямовано поле, діамагнітна реакція завжди буде відштовхувальною завдяки закону Ленца, який говорить, що індукований струм протистоїть будь-якій зміні магнітного потоку через петлю.

Але якщо матеріал містить якусь постійну намагніченість, реакція буде привабливістю, такий випадок парамагнетизму та феромагнетизму.

Для того, щоб кількісно оцінити ефекти , описаними, розгляне зовнішнє магнітне поле H , нанесене на изотропном матеріалі (його властивість однаково в будь-якій точці простору), в межах якого намагніченість M бере початок . В результаті, всередині магнітної індукції створено B , в результаті взаємодії , яке відбувається між H і M .

Усі ці кількості векторні. B і M пропорційні Н , будучи проникністю матеріалу μ і магнітною сприйнятливістю χ, відповідними константами пропорційності, які вказують, яка конкретна реакція речовини на зовнішній магнітний вплив:

B = μ H

Намагніченість матеріалу також буде пропорційною Н :

M = χ H

Наведені рівняння дійсні в системі cgs. І B, і H, і M мають однакові розміри, хоча різні одиниці. Для B використовується гаусс у цій системі, а для H - оверстед. Причиною цього є розмежування поля, що застосовується зовні, від поля, що утворюється всередині матеріалу.

У Міжнародній системі, яка є однією з найбільш часто використовуваних, перше рівняння набуває дещо іншого вигляду:

B = μ _або μ _r H

μ _o - магнітна проникність порожнього простору, яка еквівалентна 4π x 10-7 Tm / A (Тесламетр / Ампер), а μ _r - відносна проникність середовища стосовно вакууму, яка є безрозмірною.

З точки зору магнітної сприйнятливості χ, яка є найбільш підходящою характеристикою для опису діамагнітних властивостей матеріалу, це рівняння записується так:

B = (1 + χ) μ _або H

При μ _r = 1 + χ

У міжнародній системі B поставляється Tesla (T), а H виражається в Ампер / метр, одиниця, яку колись вважали Ленцем, але яка до цих пір залишилася з точки зору фундаментальних одиниць.

У тих матеріалах, у яких χ негативний, вони розглядаються як діамагнітні. І це хороший параметр для характеристики цих речовин, оскільки χ в них можна вважати постійним значенням, незалежним від температури. Це не стосується матеріалів, які мають більше магнітних реакцій.

Зазвичай χ знаходиться в порядку від -10 ^-6 до -10 ^-5 . Надпровідники характеризуються тим, що мають χ = -1, тому внутрішнє магнітне поле повністю скасовується (ефект Мейснера).

Вони є ідеальними діамагнітними матеріалами, в яких діамагнетизм перестає бути слабкою реакцією і стає достатньо сильним для левітації об'єктів, як описано на початку.

Застосування: магніто-енцефалографія та очищення води

Живі істоти складаються з води та органічної речовини, реакція на магнетизм як правило слабка. Однак діамагнетизм, як ми вже говорили, є невід'ємною частиною речовини, включаючи органічну речовину.

Малі електричні струми циркулюють всередині людини і тварин, що, безперечно, створює магнітний ефект. У цей самий момент, поки читач очима стежить за цими словами, у його мозку циркулюють невеликі електричні струми, які дозволяють йому отримувати доступ та інтерпретувати інформацію.

Виявляється слабке намагнічування, яке відбувається в мозку. Метод відомий як магніто-енцефалографія, де використовуються детектори під назвою SQUID (надпровідні квантові інтерференційні пристрої) для виявлення дуже малих магнітних полів, порядку 10 ^-15 Т.

SQUID здатні з великою точністю розміщувати джерела мозкової діяльності. Програмне забезпечення відповідає за збір отриманих даних та перетворення їх на детальну карту мозкової діяльності.

Зовнішні магнітні поля можуть певним чином впливати на мозок. Скільки? Деякі недавні дослідження показали, що досить інтенсивне магнітне поле, близько 1 Т, здатне впливати на тім'яну частку, перериваючи частину мозкової діяльності на короткі моменти.

Інші, з іншого боку, у яких добровольці провели 40 годин всередині магніту, який виробляє 4 Т інтенсивності, залишилися, не зазнаючи жодних помітних негативних наслідків. Принаймні, Університет Огайо вказав, що поки що немає ризику перебувати в межах 8 т.

Деякі організми, такі як бактерії, здатні включати невеликі кристали магнетиту і використовувати їх для орієнтування в магнітному полі Землі. Магнетит був також знайдений у складніших організмах, таких як бджоли та птахи, які використовували б його з цією ж метою.

Чи є в організмі людини магнітні мінерали? Так, магнетит був знайдений у мозку людини, хоча невідомо, з якою метою він знаходиться. Можна було б припустити, що це непридатний навик.

Що стосується очищення води, то вона заснована на тому, що осади є в основному діамагнітними речовинами. Сильні магнітні поля можуть бути використані для видалення осадів карбонату кальцію, гіпсу, солі та інших речовин, які викликають твердість у воді та накопичуються в трубах і контейнерах.

Це система з багатьма перевагами для збереження навколишнього середовища та підтримання труб у справному стані протягом тривалого часу та з низькою вартістю.

Список літератури

1. Айсберг, Р. 1978. Квантова фізика. Лімуса. 557 -577.
2. Молодий, Х'ю. 2016. Університетська фізика Сірса-Земанського із сучасною фізикою. 14-е видання Пірсона. 942
3. Сапата, Ф. (2003). Вивчення мінералогій, пов'язаних з нафтовою свердловиною Guafita 8x, що належить до родовища Гуафіта (стан Апуре), використовуючи вимірювання магнітної чутливості та спектроскопії Моссбауера. Дисертація Центральний університет Венесуели.