DIAMAGNĒTISMS: MATERIĀLI, PIELIETOJUMI, PIEMĒRI - FIZISKĀ - 2025

Diamagnetism ir viena no atbildēm ir jautājums klātbūtnē ārējā magnētiskā lauka. To raksturo tas, ka tas ir pretējs vai pretējs šim magnētiskajam laukam, un parasti, ja vien tā nav vienīgā materiāla magnētiskā reakcija, tā intensitāte ir visvājākā.

Ja atgrūdošais efekts ir vienīgais, ko materiāls rada magnētam, materiālu uzskata par diamagnētisku. Ja dominē citi magnētiskie efekti, atkarībā no tā, kas tas ir, to uzskatīs par paramagnētisku vai feromagnētisku.

Bismuta gabals, diamagnētisks materiāls. Avots: Pixabay.

Sebalds Brugmans tiek ieskaitīts 1778. gadā ar pirmo atsauci uz atgrūšanos starp jebkuru magnēta polu un materiāla gabalu, kas ir īpaši redzams tādos elementos kā bismuts un antimons.

Vēlāk, 1845. gadā Maikls Faradejs šo efektu izpētīja rūpīgāk un secināja, ka tā ir visas matērijas neatņemama īpašība.

Diamagnētiski materiāli un to reakcija

Bismuta un antimona, kā arī citu, piemēram, zelta, vara, hēlija, kā arī tādu vielu kā ūdens un koks, magnētiskā izturēšanās ievērojami atšķiras no plaši pazīstamās spēcīgās magnētiskās pievilcības, ko magnēti ietekmē dzelzi, niķeli vai kobalts.

Neskatoties uz to, ka parasti tā ir zema intensitātes reakcija, saskaroties ar pietiekami intensīvu ārējo magnētisko lauku, jebkurš diamagnētiskais materiāls, pat dzīvas organiskās vielas, spēj izjust ļoti ievērojamu pretēju magnetizāciju.

Izveidojot tik spēcīgus magnētiskos laukus kā 16 Teslas (jau 1 Tesla tiek uzskatīts par diezgan spēcīgu), Nīderlandes Nīderlandes Augstā lauka magnētu laboratorijas pētnieki Nīderlandē 1990. gados spēja magnētiski ienest zemenes, picas un vardes.

Pateicoties diamagnētismam un pietiekami spēcīgam magnētiskajam laukam, starp cilvēka pirkstiem ir iespējams arī novirzīt nelielu magnētu. Pats par sevi magnētiskais lauks rada magnētisko spēku, kas spēj piesaistīt mazu magnētu ar spēku, un jūs varat mēģināt padarīt šo spēku kompensētu svaru, tomēr mazais magnēts nepaliek ļoti stabils.

Tiklīdz tas piedzīvo minimālu pārvietojumu, lielā magnēta pielietotais spēks to ātri piesaista. Tomēr, kad cilvēka pirksti nonāk starp magnētiem, mazais magnēts stabilizējas un pārvietojas starp cilvēka īkšķi un rādītājpirkstu. Burvju iemesls ir atgrūšanas efekts, ko izraisa pirkstu diamagnētisms.

Kāda ir matērijas magnētiskās atbildes izcelsme?

Diamagnētisma izcelsme, kas ir jebkuras vielas pamatreakcija uz ārēja magnētiskā lauka darbību, slēpjas faktā, ka atomus veido subatomiskas daļiņas, kurām ir elektriskais lādiņš.

Šīs daļiņas nav statiskas, un to kustība rada magnētisko lauku. Protams, matērija ir to pilna, un jūs vienmēr varat sagaidīt sava veida magnētisko reakciju uz jebkuru materiālu, ne tikai dzelzs savienojumiem.

Elektrons galvenokārt ir atbildīgs par matērijas magnētiskajām īpašībām. Ļoti vienkāršā modelī var pieņemt, ka šī daļiņa riņķo ap atoma kodolu ar vienmērīgu apļveida kustību. Tas ir pietiekami, lai elektrons izturētos kā niecīga strāvas cilpa, kas spēj radīt magnētisko lauku.

Šīs ietekmes magnetizācija tiek saukta par orbitālo magnetizāciju . Bet elektronam ir papildu ieguldījums atoma magnētismā: iekšējais leņķiskais impulss.

Analoģija, lai aprakstītu iekšējā leņķiskā impulsa izcelsmi, ir pieņemt, ka elektronam ir rotācijas kustība ap savu asi, īpašība, ko sauc par spin.

Esot kustībai un uzlādētai daļiņai, vērpšana veicina arī tā saukto griešanās magnetizāciju .

Abas iemaksas rada tīru vai izrietošu magnetizāciju, tomēr vissvarīgākais ir tieši tas, kas rodas griešanās dēļ. Kodolā esošie protoni, neskatoties uz to, ka tiem ir elektriskais lādiņš un spin, būtiski neveicina atoma magnetizāciju.

Diamagnētiskos materiālos iegūtā magnetizācija ir nulle, jo gan orbītas, gan griešanās momenta iemaksas tiek atceltas. Pirmais Lenca likuma dēļ un otrais, jo elektroni orbitālēs ir izveidoti pa pāriem ar pretēju griezienu un apvalki ir piepildīti ar pāra elektronu skaitu.

Magnētisms matērijā

Diamagnētiskais efekts rodas, ja orbītas magnetizāciju ietekmē ārējs magnētiskais lauks. Šādi iegūto magnetizāciju apzīmē ar M un ir vektors.

Neatkarīgi no tā, kur lauks tiek virzīts, diamagnētiskā reakcija vienmēr būs atgrūdoša, pateicoties Lenca likumam, kurā teikts, ka inducētā strāva ir pretstatā visām magnētiskās plūsmas izmaiņām caur cilpu.

Bet, ja materiāls satur kaut kādu pastāvīgu magnetizāciju, reakcija būs pievilcība, tāds ir paramagnetisms un feromagnētisms.

Lai kvantitatīvi aprakstītas sekas, ļaujiet mums apsvērt ārēja magnētiskā lauka H , piemērots uz izotropā materiāla (tā īpašības ir tādas pašas jebkurā telpas punktā), kura ietvaros magnetizācija M izcelsme . Tā rezultātā, iekšā magnētiskā indukcija radīta B , kā rezultātā mijiedarbības, kas notiek starp H un M .

Visi šie daudzumi ir vektori. B un M ir proporcionāli H , kas ir materiāla caurlaidība μ un magnētiskā jutība χ, attiecīgās proporcionalitātes konstantes, kas norāda, kāda ir vielas īpašā reakcija uz ārēju magnētisko iedarbību:

B = μ H

Materiāla magnetizācija būs proporcionāla arī H :

M = χ H

Iepriekš minētie vienādojumi ir derīgi cgs sistēmā. Gan B, gan H un M ir vienādas dimensijas, kaut arī dažādas vienības. Par B Gausa izmanto šo sistēmu, un H Oersted tiek izmantots. Iemesls, kā to izdarīt, ir ārēji pielietojamā lauka atšķiršana no lauka, kas izveidots materiāla iekšpusē.

Starptautiskajā sistēmā, kuru parasti izmanto, pirmais vienādojums iegūst nedaudz atšķirīgu izskatu:

B = μ _vai μ _r H

μ _o ir tukšās telpas magnētiskā caurlaidība, kas ir ekvivalenta 4π x 10-7 Tm / A (teslametrs / ampērs), un μ _r ir barotnes relatīvā caurlaidība attiecībā pret vakuumu, kurai nav dimensijas.

Runājot par magnētisko jutību χ, kas ir vispiemērotākais raksturlielums materiāla diamagnētisko īpašību aprakstīšanai, šis vienādojums ir uzrakstīts šādi:

B = (1 + χ) μ _vai H

Ar μ _r = 1 + χ

Starptautiskajā sistēmā B nāk Tesla (T), bet H tiek izteikts ampēros / metrs - vienība, kuru kādreiz uzskatīja par Lencu, bet kura līdz šim bija atstāta pamatvienību izteiksmē.

Tajos materiālos, kuros χ ir negatīvs, tos uzskata par diamagnētiskiem. Un tas ir labs parametrs, lai raksturotu šīs vielas, jo χ tajās var uzskatīt par nemainīgu vērtību neatkarīgi no temperatūras. Tas neattiecas uz materiāliem, kuriem ir lielāka magnētiskā reakcija.

Parasti χ ir no -10 ^-6 līdz -10 ^-5 . Supravadītājiem ir raksturīgs having = -1, un tāpēc iekšējais magnētiskais lauks tiek pilnībā atcelts (Meisnera efekts).

Tie ir perfekti diamagnētiski materiāli, kuros diamagnētisms pārstāj būt vāja reakcija un kļūst pietiekami stiprs, lai priekšmetus paceltu, kā aprakstīts sākumā.

Pielietojums: magnetoencefalogrāfija un ūdens apstrāde

Dzīvas lietas ir izgatavotas no ūdens un organiskām vielām, kuru reakcija uz magnētismu parasti ir vāja. Tomēr diamagnētisms, kā mēs teicām, ir neatņemama vielas sastāvdaļa, ieskaitot organiskās vielas.

Cilvēkos un dzīvniekos cirkulē nelielas elektriskās strāvas, kas neapšaubāmi rada magnētisku efektu. Šajā brīdī, kamēr lasītājs seko šiem vārdiem ar acīm, smadzenēs cirkulē nelielas elektriskās strāvas, kas viņam ļauj piekļūt informācijai un to interpretēt.

Vāja magnetizācija, kas notiek smadzenēs, ir nosakāma. Šis paņēmiens ir pazīstams kā magnetoencefalogrāfija, kurā detektorus, ko sauc par SQUIDs (supravadošās kvantu traucējumu ierīces), lai noteiktu ļoti mazus magnētiskos laukus, pēc kārtas no 10 līdz ¹⁵ T.

SQUIDs spēj ļoti precīzi noteikt smadzeņu darbības avotus. Programmatūra ir atbildīga par iegūto datu savākšanu un pārveidošanu detalizētā smadzeņu darbības kartē.

Ārējie magnētiskie lauki kaut kādā veidā var ietekmēt smadzenes. Cik daudz? Daži nesenie pētījumi parādīja, ka diezgan intensīvs magnētiskais lauks, aptuveni 1 T, spēj ietekmēt parietālo daivu, uz īsu brīdi pārtraucot smadzeņu darbību.

No otras puses, citi, kuros brīvprātīgie ir pavadījuši 40 stundas magnēta iekšpusē, kas rada 4 T intensitāti, ir atstājuši, neciešot nekādas novērojamas negatīvas sekas. Vismaz Ohaio universitāte ir norādījusi, ka līdz šim nav riska palikt 8 T laukos.

Daži organismi, piemēram, baktērijas, spēj iekļaut mazus magnīta kristālus un izmantot tos, lai orientētos Zemes magnētiskajā laukā. Magnēts ir atrasts arī sarežģītākos organismos, piemēram, bites un putni, kuri to izmantotu vienam un tam pašam mērķim.

Vai cilvēka ķermenī ir magnētiski minerāli? Jā, magnīts ir atrasts cilvēka smadzenēs, lai gan nav zināms, kādam mērķim tas tur atrodas. Varētu spekulēt, ka šī ir novecojusi prasme.

Ūdens apstrādes pamatā ir fakts, ka nogulumi pamatā ir diamagnētiskas vielas. Spēcīgus magnētiskos laukus var izmantot, lai noņemtu kalcija karbonāta nogulumus, ģipsi, sāli un citas vielas, kas izraisa cietību ūdenī un uzkrājas caurulēs un traukos.

Tā ir sistēma ar daudzām priekšrocībām, lai saglabātu vidi un uzturētu caurules labā darba kārtībā ilgu laiku un par zemām izmaksām.

Atsauces

1. Eisbergs, R. 1978. Kvantu fizika. Limusa. 557 -577.
2. Jauns, Hjū. 2016. Sears-Zemansky's University fizika ar moderno fiziku. 14. ed. Pīrsons. 942
3. Zapata, F. (2003). Mineraloģiju izpēte, kas saistīta ar Guafita 8x eļļas urbumu, kas pieder pie Guafita lauka (Apure štats), izmantojot Mossbauer magnētiskās jutības un spektroskopijas mērījumus. Diplomdarbs. Venecuēlas Centrālā universitāte.