- Diamagnetikus anyagok és válaszuk
- Mi okozza a mágneses reakciót az anyagban?
- Az anyag mágnesessége
- Alkalmazások: mágneses enkefalográfia és vízkezelés
- Irodalom
A diamagnetizmus az egyik válasz a külső mágneses mező jelenlétében. Jellemzője, hogy e mágneses mezővel ellentétes vagy ellentétes, és általában, hacsak nem az anyag egyetlen mágneses reakciója van, annak intenzitása a leggyengébb.
Ha az egyetlen anyag a visszatükröződő hatás mágneses, ez az anyag diamagnetikusnak tekinthető. Ha más mágneses hatások dominálnak, attól függően, hogy mi az, akkor paramágnesesnek vagy ferromágnesesnek tekintik.
Egy darab bizmut, egy diamagnetikus anyag. Forrás: Pixabay.
Sebald Brugmansnek 1778-ban sor került az első hivatkozás a mágnesoszlopok és az anyagdarabok bármelyik pólusa közötti visszatérésre, különös tekintettel azokra a elemekre, mint a bizmut és az antimon.
Később, 1845-ben Michael Faraday közelebbről megvizsgálta ezt a hatást, és arra a következtetésre jutott, hogy ez minden anyag velejáró tulajdonsága.
Diamagnetikus anyagok és válaszuk
A bizmut és az antimon, valamint az olyan anyagok, mint az arany, réz, hélium, valamint olyan anyagok, mint a víz és a fa, mágneses viselkedése nagyban különbözik a jól ismert erős mágneses vonzóképességtől, amelyet a mágnesek gyakorolnak a vasra, nikkelre vagy kobalt.
Annak ellenére, hogy általában alacsony intenzitású válasz, egy kellõen intenzív külsõ mágneses tér ellenére, bármilyen diamagnetikai anyag, még az élő szerves anyag is, képes egy nagyon figyelemre méltó ellentétes mágnesezést megtapasztalni.
A 16 tesla olyan erős mágneses mező generálásával (már 1 teste is elég erősnek tekinthető) a hollandiai amszterdami Nijmegen Magas Mágneses Laboratórium kutatói képesek voltak az eper, pizzák és békák mágneses leválasztására az 1990-es években.
Lehetséges egy kis mágnes lebegtetése az ember ujjai között, a diamagnetizmus és az elég erős mágneses mező révén. Önmagában a mágneses mező olyan mágneses erőt hoz létre, amely képes egy kis mágnest erővel vonzani, és megpróbálhatja, hogy ez az erő kiegyenlítse a súlyt, azonban a kis mágnes nem marad túl stabil.
Amint minimális elmozdulást tapasztal, a nagy mágnes által kifejtett erő gyorsan vonzza. Amikor az emberi ujjak a mágnesek közé kerülnek, a kis mágnes stabilizálódik és lebeg az ember hüvelykujja és a mutatóujja között. A varázslat az ujjak diamagnetizmusa által okozott visszataszító hatásnak köszönhető.
Mi okozza a mágneses reakciót az anyagban?
A diamagnetizmus eredete, amely bármely anyag alapvető reakciója a külső mágneses mező hatására, abban rejlik, hogy az atomok szubatomi részecskékből állnak, amelyek elektromos töltéssel rendelkeznek.
Ezek a részecskék nem statikusak és mozgásuk felelős a mágneses mező létrehozásáért. Az anyag természetesen tele van velük, és bármilyen anyag mágneses válaszára számíthat bármilyen anyagban, nem csak a vasvegyületekben.
Az anyag elsősorban az anyag mágneses tulajdonságaiért felelős. Egy nagyon egyszerű modellben feltételezhető, hogy ez a részecske egyenletes körkörös mozgással kering az atommagban. Ez elég ahhoz, hogy az elektron úgy viselkedjen, mint egy apró áramkör, amely képes mágneses mezőt létrehozni.
Az ebből a hatásból származó mágnesezést orbitális mágnesezésnek nevezzük. De az elektron további hozzájárulást nyújt az atom mágnesességéhez: a belső szögmozgáshoz.
A belső szögmozgás eredetének leírására szolgáló analógia azt feltételezi, hogy az elektron forgási mozgása van a tengelye körül, egy tulajdonság, amelyet spinnek hívnak.
Mivel mozgásban van és töltött részecske, a centrifugálás szintén hozzájárul az úgynevezett spin-mágnesezéshez.
Mindkét hozzájárulás nettó vagy ennek eredményeként mágnesezést eredményez, ám a legfontosabb éppen a spin miatt. A magban levő protonok, annak ellenére, hogy elektromos töltéssel és spinnel rendelkeznek, nem járulnak hozzá jelentősen az atom mágnesezéséhez.
Diamagnetikai anyagokban a kapott mágnesezettség nulla, mivel mind a pálya, mind a centrifugál nyomatéka hozzájárul. Az első a Lenz törvénye miatt, a második pedig azért, mert az orbitális csatornákban az elektronok párosítva vannak egymással szemben, és a héjakat páros számú elektron tölti fel.
Az anyag mágnesessége
A diamagnetikus hatás akkor fordul elő, amikor az orbitális mágnesezést külső mágneses mező befolyásolja. Az így kapott mágnesezést M jelöljük, és vektor.
Függetlenül attól, hogy a mező hol van, a diamagnetikus válasz mindig visszatükröződik, köszönhetően Lenz törvényének, amely kimondja, hogy az indukált áram ellenáll a hurokon keresztüli mágneses fluxus bármilyen változásának.
De ha az anyag valamilyen állandó mágnesezést tartalmaz, akkor a válasz vonzereje lesz, ilyen a paramagnetizmus és a ferromagnetizmus.
A leírt hatások számszerűsítése céljából vegyük figyelembe egy H izotóp anyagon alkalmazott külső mágneses mezőt (tulajdonságai megegyeznek a tér bármely pontján), amelyből az M mágnesezés származik. Ennek eredményeként, belsejében egy mágneses indukció létrehozott B, eredményeként a kölcsönhatás között végbemenő H és M.
Ezek a mennyiségek vektorok. B és M arányosak a H-vel, az anyag permeabilitása μ és a mágneses érzékenység χ, a megfelelő arányossági állandók, amelyek megmutatják, hogy az anyag milyen különös reakciót mutat a külső mágneses behatásokra:
B = μH
Az anyag mágnesezése szintén arányos lesz H-val:
M = χ H
A fenti egyenletek érvényesek a cgs rendszerben. Mind B, mind a H, mind az M mérete azonos, bár különböző egységek. A B A Gauss használjuk ebben a rendszerben, és a H- a Oe használjuk. Ennek oka az, hogy megkülönböztetjük a külső hatást az anyagon belül létrehozott mezőtől.
A leggyakrabban használt nemzetközi rendszerben az első egyenlet kissé eltérő megjelenést mutat:
B = μ vagy μ r H
μ o az üres tér mágneses permeabilitása, amely ekvivalens 4π x 10-7 Tm / A-val (teslameter / Ampere), és μ r a közeg relatív permeabilitása a vákuumhoz viszonyítva, amely dimenzió nélküli.
A χ mágneses érzékenység szempontjából, amely a legmegfelelőbb tulajdonság az anyag diamagnetikai tulajdonságainak leírására, ezt az egyenletet így írják:
B = (1 + χ) μ vagy H
Μ r = 1 + χ értékkel
A Nemzetközi Rendszerben a B a Tesla (T), míg a H amperben / méterben van kifejezve, egy olyan egységnél, amelyet korábban Lenznek hívtak, de amely eddig az alapvető egységek szempontjából maradt.
Azokban az anyagokban, amelyekben χ negatív, diamagnetikusnak tekintik. Jó paraméter ezeknek az anyagoknak a jellemzése, mivel them azokban a hőmérséklettől független állandó értéknek tekinthető. Ez nem igaz azokra az anyagokra, amelyek nagyobb mágneses reakcióval rendelkeznek.
Általában χ -10 -6 és -10 -5 között van. A szupravezetőket χ = -1 jellemzi, ezért a belső mágneses mező teljesen megszűnik (Meisner-effektus).
Ezek a tökéletes diamagnetikai anyagok, amelyekben a diamagnetizmus nem mutat gyenge választ, és elég erős lesz az objektumok lebegtetéséhez, amint azt az elején leírtuk.
Alkalmazások: mágneses enkefalográfia és vízkezelés
Az élőlények vízből és szerves anyagból készülnek, amelyek reakciója a mágnesességre általában gyenge. A diamagnetizmus azonban, amint mondtuk, az anyag, beleértve a szerves anyagot is, belső része.
Az emberekben és az állatokban kicsi elektromos áram áramlik, amelyek kétségkívül mágneses hatást fejtenek ki. Ebben a pillanatban, miközben az olvasó szemmel követi ezeket a szavakat, apró elektromos áramok áramolnak az agyában, amelyek lehetővé teszik számára az információk elérését és értelmezését.
Az agyban bekövetkező gyenge mágnesesedés kimutatható. A technikát magneto-encephalography néven ismerték, amely SQUID-eknek (szupravezető kvantum interferencia készülékeknek) nevezett detektorokat alkalmaz a nagyon kis mágneses terek detektálására, 10-15 T nagyságrendben.
A SQUID-ek nagy pontossággal képesek megtalálni az agyi tevékenység forrásait. A kapott szoftver összegyűjtése és az agyi tevékenység részletes térképévé alakítása a szoftver feladata.
A külső mágneses terek valamilyen módon befolyásolhatják az agyat. Mennyi? Néhány közelmúltbeli kutatás kimutatta, hogy egy meglehetősen intenzív mágneses mező, körülbelül 1 T, képes befolyásolni a parietális lebenyt, rövid ideig megszakítva az agyi tevékenység egy részét.
Másrészt mások, amelyekben az önkéntesek 40 órát töltöttek egy mágnesen belül, amely 4 T intenzitást produkál, anélkül, hogy bármilyen megfigyelhető negatív hatást szenvednének. Legalább az Ohioi Egyetem jelezte, hogy eddig nem áll fenn kockázat, ha a 8 T mezőkön maradnak.
Egyes organizmusok, például a baktériumok képesek beépíteni a kis magnetitkristályokat, és felhasználhatják azokat a Föld mágneses mezőjében való orientálódáshoz. A magnetitet olyan bonyolultabb szervezetekben is megtalálják, mint például a méhek és a madarak, akik ugyanazt a célt szolgálnák.
Vannak-e mágneses ásványok az emberi testben? Igen, a magnetit megtalálható az emberi agyban, bár nem ismert, hogy mi a célja. Gondolhatnánk, hogy ez elavult képesség.
A vízkezelés tekintetében azon a tényen alapszik, hogy az üledékek alapvetően diamagnetikus anyagok. Erős mágneses mezőkkel eltávolíthatók a kalcium-karbonát üledékek, gipsz, só és más anyagok, amelyek vízkeménységet okoznak és a csövekben és tartályokban felhalmozódnak.
Ez egy olyan rendszer, amelynek számos előnye van a környezet megóvására, valamint a csövek hosszú ideje jó üzemkész állapotban tartására és olcsón.
Irodalom
- Eisberg, R. 1978. Kvantfizika. Limusa. 557-577.
- Fiatal, Hugh. 2016. Sears-Zemansky Egyetemi Fizika a modern fizikával. 14. kiadás, Pearson. 942
- Zapata, F. (2003). A Guafita mezőhöz (Apure állam) tartozó Guafita 8x olajkúthoz kapcsolódó ásványok vizsgálata a Mossbauer mágneses érzékenység és spektroszkópia mérésekkel. Diplomamunka. Venezuelai Központi Egyetem.