- Diamagneettiset materiaalit ja niiden vastaus
- Mikä on aineen magneettisen vasteen alkuperä?
- Magneettisuus asiassa
- Sovellukset: magneto-enkefalografia ja vedenkäsittely
- Viitteet
Diamagnetismiin on yksi vastaus on asia, kun läsnä on ulkoisen magneettikentän. Sille on tunnusomaista, että se on vastapäätä tai vastapäätä tätä magneettikenttää ja yleensä, ellei se ole materiaalin ainoa magneettinen vaste, sen intensiteetti on heikoin kaikista.
Kun heijastava vaikutus on ainoa, jonka materiaali tuo magneettille, materiaalia pidetään diamagneettisena. Jos muut magneettiset vaikutukset ovat hallitsevia, sitä pidetään paramagneettisina tai ferromagneettisina.
Pala vismuttia, diamagneettinen materiaali. Lähde: Pixabay.
Sebald Brugmansi hyvitetään vuonna 1778 ensimmäisellä viittauksella magneetin napojen ja materiaalikappaleen väliseen torjuntaan, mikä näkyy erityisesti elementeissä, kuten vismutti ja antimoni.
Myöhemmin, vuonna 1845 Michael Faraday tutki tätä vaikutusta tarkemmin ja päätteli, että se oli kaiken aineen luontainen ominaisuus.
Diamagneettiset materiaalit ja niiden vastaus
Vismutin ja antimonin, ja muiden, kuten kullan, kuparin, heliumin ja muiden aineiden, kuten veden ja puun, magneettinen käyttäytyminen eroaa suuresti tunnetusta voimakkaasta magneettisesta vetovoimasta, jonka magneetit aiheuttavat rautaan, nikkeliin tai koboltti.
Huolimatta siitä, että vaste on yleensä matala intensiteettivaste, riittävän voimakkaan ulkoisen magneettikentän edessä, kaikki diamagneettiset materiaalit, jopa elävät orgaaniset aineet, kykenevät kokenut erittäin merkittävän vastakkaisen magnetoitumisen.
Luomalla yhtä voimakkaita magneettikenttiä kuin 16 Teslaa (jo yhtä Teslaa pidetään melko vahvana), Alankomaissa Amsterdamissa sijaitsevan Nijmegenin kenttämagneettilaboratorion tutkijat pystyivät levitaamaan magneettisesti mansikoita, pizzoja ja sammakoita 1990-luvulla.
Diamagnetismin ja riittävän voimakkaan magneettikentän ansiosta on myös mahdollista vapauttaa pieni magneetti ihmisen sormien välillä. Itsessään magneettikenttä kohdistaa magneettisen voiman, joka kykenee houkuttelemaan pienen magneetin voimalla, ja voit yrittää saada tämän voiman kompensoimaan painoa, mutta pieni magneetti ei kuitenkaan pysy kovin vakaana.
Heti kun se kokee minimaalisen siirtymän, suuren magneetin käyttämä voima houkuttelee sitä nopeasti. Kuitenkin, kun ihmisen sormet tulevat magneettien väliin, pieni magneetti stabiloituu ja vapautuu ihmisen peukalon ja etusormen välillä. Taikuus johtuu sormen diamagnetismin aiheuttamasta syrjäyttävästä vaikutuksesta.
Mikä on aineen magneettisen vasteen alkuperä?
Diamagnetismin, joka on minkä tahansa aineen perustavanlaatuinen vaste ulkoisen magneettikentän vaikutukselle, alkuperä on siinä, että atomit koostuvat alaatomisista hiukkasista, joissa on sähkövaraus.
Nämä hiukkaset eivät ole staattisia, ja niiden liikkuminen on vastuussa magneettikentän tuottamisesta. Tietenkin, aine on täynnä niitä, ja voit aina odottaa jonkinlaista magneettista vastetta mistä tahansa materiaalista, ei vain rautayhdisteistä.
Elektroni on ensisijaisesti vastuussa aineen magneettisista ominaisuuksista. Hyvin yksinkertaisessa mallissa voidaan olettaa, että tämä hiukkanen kiertää atomiytimen yhtenäisellä ympyräliikkeellä. Tämä riittää, jotta elektroni käyttäytyy kuin pieni virrasilmukka, joka pystyy tuottamaan magneettikentän.
Tästä vaikutuksesta johtuvaa magnetointia kutsutaan kiertoradan magnetoitumiseksi. Mutta elektronilla on lisäpanos atomin magnetiikkaan: luontainen kulmaliike.
Analogia sisäisen kulmaisen momentin alkuperän kuvaamiseksi on olettaa, että elektronilla on pyörimisliike akselinsa ympäri, ominaisuus, jota kutsutaan spiniksi.
Liikkeenä oleminen ja varautuneena hiukkasena spin myötävaikuttaa myös ns. Spin-magnetoitumiseen.
Molemmat panokset aiheuttavat netto- tai tuloksena tapahtuvan magnetoitumisen, mutta tärkein on juuri se, joka johtuu spinistä. Ytimen protonit, vaikka niillä on sähkövaraus ja spin, eivät vaikuta merkittävästi atomin magnetoitumiseen.
Diamagneettisissa materiaaleissa tuloksena oleva magnetoituminen on nolla, koska sekä kiertoradan että pyörimismomentin panokset poistuvat. Ensimmäinen johtuu Lenzin laista ja toinen, koska orbitaalien elektronit on muodostettu pareittain vastakkaisella spinillä ja kuoret on täytetty parillisella määrällä elektroneja.
Magneettisuus asiassa
Diamagneettinen vaikutus syntyy, kun ulkoinen magneettikenttä vaikuttaa orbitaalimagnetoitumiseen. Näin saadulla magnetoinnilla merkitään M ja se on vektori.
Riippumatta kentän suuntaan, diamagneettinen vaste on aina vastenmielinen Lenzin lain ansiosta, jonka mukaan indusoitu virta estää silmukan läpi tapahtuvan magneettisen vuon muutoksen.
Mutta jos materiaali sisältää jonkinlaista pysyvää magnetointia, vaste on vetovoima, kuten on paramagnetismi ja ferromagnetizmi.
Kuvattujen vaikutusten kvantifioimiseksi on otettava huomioon isotrooppiseen materiaaliin kohdistettu ulkoinen magneettikenttä H (sen ominaisuudet ovat samat missä tahansa avaruuskohdassa), josta magnetoituminen M alkaa. Kuten tuloksena, sisällä magneettinen induktio on luotu B, tuloksena vuorovaikutuksen, joka tapahtuu välillä H ja M.
Kaikki nämä määrät ovat vektoria. B ja M ovat verrannollisia H: ään, joka on materiaalin läpäisevyys μ ja magneettinen herkkyys χ, vastaavat suhteellisuusvakiot, jotka osoittavat, mikä on aineen erityinen vaste ulkoiseen magneettiseen vaikutukseen:
B = μ H
Materiaalin magnetoituminen on myös verrannollinen H: ään:
M = + H
Yllä olevat yhtälöt ovat voimassa cgs-järjestelmässä. Sekä B: llä että H: llä ja M: llä on samat mitat, vaikkakin eri yksiköillä. Ja B Gauss käytetään tässä järjestelmässä ja H Oersted käytetään. Syynä tähän on erottaa ulkoisesti käytetty kenttä materiaalin sisällä syntyvästä kentästä.
Yleisesti käytetyssä kansainvälisessä järjestelmässä ensimmäinen yhtälö näyttää jonkin verran erilaiselta:
B = μ tai μ r H
μ o on tyhjän tilan magneettinen läpäisevyys, joka vastaa 4π x 10-7 Tm / A (teslametri / ampeeri) ja μ r on väliaineen suhteellinen läpäisevyys suhteessa tyhjiöön, joka on mittaton.
Magneettisen herkkyyden terms suhteen, joka on sopivin ominaisuus kuvaamaan materiaalin diamagneettisia ominaisuuksia, tämä yhtälö on kirjoitettu seuraavasti:
B = (1 + χ) μ tai H
Kun μ r = 1 + χ
Kansainvälisessä järjestelmässä B tulee Teslassa (T), kun taas H ilmaistaan ampeereina / metri, yksikkö, jota aikaisemmin ajateltiin nimeltään Lenziksi, mutta joka on tähän asti jätetty perusyksiköiden muodossa.
Niissä materiaaleissa, joissa χ on negatiivinen, niitä pidetään diamagneettisina. Ja se on hyvä parametri karakterisoida näitä aineita, koska χ: tä voidaan pitää vakiona lämpötilasta riippumattomana arvona. Tämä ei pidä paikkaansa materiaaleja, joilla on enemmän magneettisiä vasteita.
Yleensä χ on luokkaa -10 -6 - -10 -5. Suprajohteille on tunnusomaista, että niillä on χ = -1, ja siksi sisäinen magneettikenttä poistuu kokonaan (Meisner-efekti).
Ne ovat täydellisiä diamagneettisia materiaaleja, joissa diamagnetismi lakkaa olemasta heikko vaste ja muuttuu tarpeeksi vahvaksi esineiden levittamiseksi, kuten alussa on kuvattu.
Sovellukset: magneto-enkefalografia ja vedenkäsittely
Elävät esineet on valmistettu vedestä ja orgaanisesta aineesta, joiden reaktio magnetismiin on yleensä heikko. Diamagnetismi, kuten olemme sanoneet, on kuitenkin olennainen osa ainetta, orgaaninen aine mukaan lukien.
Ihmisissä ja eläimissä kiertää pieniä sähkövirtoja, jotka epäilemättä luovat magneettisen vaikutuksen. Samalla hetkellä, kun lukija seuraa näitä sanoja silmillään, hänen aivoissaan kiertää pieniä sähkövirtoja, jotka antavat hänelle pääsyn tietoihin ja tulkita niitä.
Aivoissa tapahtuva heikko magnetoituminen on havaittavissa. Tekniikka tunnetaan magneto-enkefalografiana, joka käyttää SQUID-tunnisteita (Superconducting Quantum Interference Devices), joilla havaitaan erittäin pieniä magneettikenttiä, luokkaa 10-15 T.
SQUID: t pystyvät paikantamaan aivojen toiminnan lähteet erittäin tarkasti. Ohjelmisto vastaa kerättyjen tietojen keräämisestä ja muuntamisesta yksityiskohtaiseksi aivojen toiminnan kartteiksi.
Ulkoiset magneettikentät voivat vaikuttaa aivoihin jollain tavalla. Kuinka paljon? Jotkut tuoreet tutkimukset ovat osoittaneet, että melko voimakas, noin 1 T: n magneettikenttä pystyy vaikuttamaan parietaalikeilaan, keskeyttäen osan aivojen toiminnasta hetkeksi.
Toisaalta toiset, joissa vapaaehtoiset ovat viettäneet 40 tuntia magneetissa, joka tuottaa 4 T: n voimakkuuden, ovat jättäneet kärsimättä mitään havaittavissa olevia negatiivisia vaikutuksia. Ainakin Ohion yliopisto on ilmoittanut, että toistaiseksi ei ole vaaraa pysyä 8 T kentällä.
Jotkut organismit, kuten bakteerit, kykenevät sisällyttämään pieniä magnetiittikiteitä ja käyttämään niitä suuntautumaan maan magneettikentään. Magneettia on löydetty myös monimutkaisemmista organismeista, kuten mehiläiset ja linnut, jotka käyttäisivät sitä samaan tarkoitukseen.
Onko ihmiskehossa magneettisiä mineraaleja? Kyllä, magnetiittia on löydetty ihmisen aivoista, vaikka ei tiedetä mihin tarkoitukseen se on. Voitaisiin spekuloida, että tämä on vanhentunut taito.
Vedenkäsittelyn osalta se perustuu siihen tosiseikkaan, että sedimentit ovat pohjimmiltaan diamagneettisia aineita. Vahvoja magneettikenttiä voidaan käyttää poistamaan kalsiumkarbonaattisedimenttejä, kipsiä, suolaa ja muita aineita, jotka aiheuttavat veden kovuutta ja kerääntyvät putkiin ja astioihin.
Se on järjestelmä, jolla on monia etuja ympäristön suojelemiseksi ja putkien pitämiseksi hyvässä kunnossa pitkään ja alhaisin kustannuksin.
Viitteet
- Eisberg, R. 1978. Kvantfysiikka. Limusa. 557 - 577.
- Nuori, Hugh. 2016. Sears-Zemanskyn yliopistofysiikka modernin fysiikan kanssa. 14. toimittaja Pearson. 942
- Zapata, F. (2003). Guafita-kenttään (Apure State) kuuluvaan Guafita 8x -öljykaivoon liittyvien mineralogioiden tutkiminen Mossbauer-magneettisen herkkyyden ja spektroskopian mittauksilla. Opinnäytetyö. Venezuelan keskusyliopisto.