DIAMAGNETISMUS: MATERIÁLY, APLIKACE, PŘÍKLADY - FYZICKÝ - 2025

Diamagnetismus je jednou z odpovědí se děje v přítomnosti vnějšího magnetického pole. Vyznačuje se opačným nebo opačným směrem k tomuto magnetickému poli a obvykle, pokud se nejedná o jedinou magnetickou odezvu materiálu, je jeho intenzita nejslabší ze všech.

Když odpudivý účinek je jediný, který materiál představuje magnetu, je tento materiál považován za diamagnetický. Pokud převládají jiné magnetické efekty, bude to považováno za paramagnetické nebo feromagnetické.

Kousek bizmutu, diamagnetický materiál. Zdroj: Pixabay.

Sebald Brugmans je připočítán v 1778 s prvním odkazem na odpuzování některého z pólů magnetu a kusu materiálu, obzvláště evidentní v elementech takový jako bizmut a antimon.

Později, v roce 1845, Michael Faraday studoval tento účinek podrobněji a dospěl k závěru, že se jedná o vlastní vlastnost veškeré hmoty.

Diamagnetické materiály a jejich reakce

Magnetické chování bizmutu a antimonu a dalších, jako je zlato, měď, hélium a látky, jako je voda a dřevo, se výrazně liší od známé silné magnetické přitažlivosti, kterou magnety působí na železo, nikl nebo kobalt.

Navzdory tomu, že je reakce na nízkou intenzitu obecně nízká, je vzhledem k dostatečně intenzivnímu vnějšímu magnetickému poli jakýkoli diamagnetický materiál, dokonce i živá organická hmota, schopen zažít velmi pozoruhodnou opačnou magnetizaci.

Generováním magnetických polí tak silných jako 16 Tesla (již 1 Tesla je považována za docela silná), mohli vědci z Nijmegen High Field Magnet Laboratory v Amsterdamu v Nizozemsku v 90. letech magneticky levitovat jahody, pizzy a žáby.

Rovněž je možné levitovat malý magnet mezi prsty člověka díky diamagnetismu a dostatečně silnému magnetickému poli. Samotné magnetické pole vyvíjí magnetickou sílu schopnou přitáhnout malý magnet silou a můžete se pokusit, aby tato síla kompenzovala hmotnost, malý magnet však nezůstává příliš stabilní.

Jakmile dojde k minimálnímu posunutí, síla vyvíjená velkým magnetem jej rychle přitahuje. Když však lidské prsty přicházejí mezi magnety, malý magnet se stabilizuje a vznáší mezi palcem a ukazováčkem osoby. Kouzlo je způsobeno odpuzujícím účinkem způsobeným diamagnetismem prstů.

Jaký je původ magnetické odezvy v hmotě?

Původ diamagnetismu, který je základní reakcí jakékoli látky na působení vnějšího magnetického pole, spočívá ve skutečnosti, že atomy jsou tvořeny subatomovými částicemi, které mají elektrický náboj.

Tyto částice nejsou statické a jejich pohyb je zodpovědný za vytváření magnetického pole. Hmota je samozřejmě plná a vždy můžete očekávat nějakou magnetickou reakci v jakémkoli materiálu, nejen v sloučeninách železa.

Elektron je primárně zodpovědný za magnetické vlastnosti hmoty. Ve velmi jednoduchém modelu lze předpokládat, že tato částice obíhá kolem atomového jádra rovnoměrným kruhovým pohybem. To je dost pro elektron, aby se choval jako malá smyčka proudu schopná generovat magnetické pole.

Magnetizace z tohoto efektu se nazývá orbitální magnetizace. Ale elektron má další příspěvek k magnetismu atomu: vnitřní moment hybnosti.

Analogie popisující původ vnitřní hybné hybnosti spočívá v předpokladu, že elektron má rotační pohyb kolem své osy, což je vlastnost zvaná spin.

Spin, který je pohybem a je nabitou částicí, také přispívá k tzv. Spinové magnetizaci.

Oba příspěvky vedou k čisté nebo výsledné magnetizaci, nejdůležitější je však přesně to, co je způsobeno rotací. Protony v jádru, přestože mají elektrický náboj a spin, významně nepřispívají k magnetizaci atomu.

V diamagnetických materiálech je výsledná magnetizace nulová, protože příspěvky jak okružního, tak i momentu odstřeďování se vylučují. První z důvodu Lenzova zákona a druhá z toho důvodu, že elektrony v orbitálech jsou zřízeny ve dvojicích s opačnou rotací a náboje jsou vyplněny sudým počtem elektronů.

Magnetismus v hmotě

Diamagnetický efekt vzniká, když je orbitální magnetizace ovlivněna vnějším magnetickým polem. Takto získaná magnetizace je označena M a je vektorem.

Bez ohledu na to, kam je pole zaměřeno, bude diamagnetická odezva vždy odpudivá díky Lenzovu zákonu, který uvádí, že indukovaný proud je proti jakékoli změně magnetického toku smyčkou.

Pokud však materiál obsahuje nějakou permanentní magnetizaci, reakce bude přitažlivá, jako je například paramagnetismus a feromagnetismus.

Pro kvantifikaci popsaných účinků zvažte vnější magnetické pole H aplikované na izotropní materiál (jeho vlastnosti jsou stejné v jakémkoli bodě v prostoru), ve kterém magnetizace M pochází. Jako výsledek, v magnetické indukce vytvořen B, v důsledku vzájemného působení, ke kterému dochází mezi H a M.

Všechna tato množství jsou vektorová. B a M jsou úměrné H, což je propustnost materiálu μ a magnetická susceptibilita χ, příslušné poměrové konstanty, které ukazují, jaká je konkrétní reakce látky na vnější magnetický vliv:

B = μH

Magnetizace materiálu bude také úměrná H:

M = χ H

Výše uvedené rovnice jsou platné v systému cgs. Jak B, tak H a M mají stejné rozměry, i když různé jednotky. Pro B se v tomto systému používá gauss a pro H se používá Oersted. Důvodem pro to je odlišit pole aplikované externě od pole generovaného uvnitř materiálu.

V mezinárodním systému, který je ten, který se běžně používá, nabývá první rovnice poněkud odlišného vzhledu:

B = μ _nebo μ _r H

μ _o je magnetická propustnost prázdného prostoru, která je ekvivalentní 4π x 10-7 Tm / A (Teslameter / Ampér) a μ _r je relativní propustnost média vzhledem k vakuu, která je bezrozměrná.

Z hlediska magnetické susceptibility χ, která je nejvhodnější charakteristikou pro popis diamagnetických vlastností materiálu, je tato rovnice psána takto:

B = (1 + x) μ _nebo H

S μ _r = 1 + χ

V mezinárodním systému B přichází v Tesle (T), zatímco H je vyjádřeno v ampérech / metr, jednotka, o které se kdysi říkalo, že se nazývá Lenz, ale která dosud zůstala z hlediska základních jednotek.

V těch materiálech, ve kterých je χ negativní, jsou považovány za diamagnetické. A je to dobrý parametr charakterizovat tyto látky, protože χ v nich lze považovat za konstantní hodnotu nezávislou na teplotě. To neplatí pro materiály, které mají více magnetických odezev.

Obvykle χ je řádově -10 ^-6 až -10 ^-5. Supravodiče jsou charakterizovány tím, že mají χ = -1, a proto je vnitřní magnetické pole úplně zrušeno (Meisnerův efekt).

Jsou to perfektní diamagnetické materiály, ve kterých diamagnetismus přestává být slabou odezvou a stává se dostatečně silným, aby levitoval objekty, jak je popsáno na začátku.

Aplikace: magneto-encefalografie a úprava vody

Živé věci jsou vyrobeny z vody a organických látek, jejichž reakce na magnetismus je obecně slabá. Diamagnetismus, jak jsme již řekli, je však nedílnou součástí hmoty, včetně organické hmoty.

Uvnitř lidí a zvířat cirkulují malé elektrické proudy, které nepochybně vytvářejí magnetický efekt. V tuto chvíli, zatímco čtenář sleduje tato slova očima, v jeho mozku obíhají malé elektrické proudy, které mu umožňují přístup k informacím a jejich interpretaci.

Slabá magnetizace, ke které dochází v mozku, je detekovatelná. Tato technika je známá jako magneto-encefalografie, která používá detektory zvané SQUID (supravodivé kvantové interferenční zařízení) k detekci velmi malých magnetických polí, řádově 10 - ¹⁵ T.

SQUID jsou schopny lokalizovat zdroje mozkové aktivity s velkou přesností. Software je zodpovědný za sběr získaných dat a jejich transformaci do podrobné mapy mozkové aktivity.

Vnější magnetická pole mohou nějakým způsobem ovlivnit mozek. Jak moc? Některé nedávné výzkumy ukázaly, že poměrně intenzivní magnetické pole, okolo 1 T, je schopné ovlivnit parietální lalok a na krátkou chvíli přerušit činnost mozku.

Na druhé straně ostatní, ve kterých dobrovolníci strávili 40 hodin uvnitř magnetu, který produkuje 4 T intenzity, odešli bez jakýchkoli pozorovatelných negativních účinků. University of Ohio alespoň uvedla, že zatím není riziko zůstat v polích 8 T.

Některé organismy, jako jsou bakterie, jsou schopny začlenit malé magnetitové krystaly a používat je k orientaci v magnetickém poli Země. Magnetit byl také nalezen v komplexnějších organismech, jako jsou včely a ptáci, kteří by ho používali pro stejný účel.

Existují v lidském těle magnetické minerály? Ano, magnetit byl nalezen v lidském mozku, ačkoli není známo, za jakým účelem je. Dalo by se spekulovat, že se jedná o zastaralou dovednost.

Pokud jde o úpravu vody, je založeno na skutečnosti, že sedimenty jsou v podstatě diamagnetické látky. Silná magnetická pole lze použít k odstranění sedimentů uhličitanu vápenatého, sádry, soli a dalších látek, které způsobují tvrdost ve vodě a hromadí se v trubkách a nádobách.

Jedná se o systém s mnoha výhodami pro ochranu životního prostředí a udržování potrubí v dobrém provozním stavu po dlouhou dobu a při nízkých nákladech.

Reference

1. Eisberg, R. 1978. Quantum Physics. Limusa. 557 -577.
2. Young, Hugh. 2016. Univerzita fyziky Sears-Zemanského s moderní fyzikou. 14. vydání, Pearson. 942
3. Zapata, F. (2003). Studium mineralogií spojených s ropným vrtem Guafita 8x náležejícím do oblasti Guafita (Apure State) pomocí měření Mossbauerovy magnetické susceptibility a spektroskopie. Diplomová práce. Venezuelská centrální univerzita.