- Diamagnetische materialen en hun reactie
- Wat is de oorsprong van de magnetische respons in materie?
- Magnetisme in materie
- Toepassingen: magneto-encefalografie en waterbehandeling
- Referenties
Het diamagnetisme is een van de antwoorden op de materie in aanwezigheid van een extern magnetisch veld. Het wordt gekenmerkt doordat het tegengesteld of tegengesteld is aan dit magnetische veld en gewoonlijk, tenzij het de enige magnetische respons van het materiaal is, is de intensiteit de zwakste van allemaal.
Wanneer het afstotende effect het enige is dat een materiaal aan een magneet presenteert, wordt het materiaal als diamagnetisch beschouwd. Als andere magnetische effecten overheersen, wordt dit, afhankelijk van wat het is, als paramagnetisch of ferromagnetisch beschouwd.
Een stuk bismut, een diamagnetisch materiaal. Bron: Pixabay.
Sebald Brugmans wordt in 1778 gecrediteerd met de eerste verwijzing naar de afstoting tussen een van de polen van een magneet en een stuk materiaal, met name duidelijk in elementen zoals bismut en antimoon.
Later, in 1845, bestudeerde Michael Faraday dit effect nauwkeuriger en concludeerde dat het een inherente eigenschap was van alle materie.
Diamagnetische materialen en hun reactie
Het magnetische gedrag van bismut en antimoon, en anderen zoals goud, koper, helium en stoffen zoals water en hout, verschilt sterk van de bekende krachtige magnetische aantrekkingskracht die magneten uitoefenen op ijzer, nikkel of kobalt.
Ondanks dat het over het algemeen een lage intensiteitsrespons is, kan elk diamagnetisch materiaal, zelfs levende organische materie, bij een voldoende intens extern magnetisch veld een zeer opmerkelijke tegenovergestelde magnetisatie ondergaan.
Door magnetische velden te genereren zo sterk als 16 Tesla (al wordt 1 Tesla als vrij sterk beschouwd), konden onderzoekers van het Nijmegen High Field Magnet Laboratory in Amsterdam in Nederland in de jaren negentig aardbeien, pizza's en kikkers magnetisch laten zweven.
Het is ook mogelijk om een kleine magneet tussen iemands vingers te laten zweven, dankzij diamagnetisme en een voldoende sterk magneetveld. Op zichzelf oefent het magnetische veld een magnetische kracht uit die in staat is om een kleine magneet met kracht aan te trekken en u kunt proberen om deze kracht het gewicht te laten compenseren, maar de kleine magneet blijft niet erg stabiel.
Zodra het een minimale verplaatsing ervaart, trekt de kracht die wordt uitgeoefend door de grote magneet het snel aan. Wanneer menselijke vingers echter tussen de magneten komen, stabiliseert de kleine magneet en zweeft tussen de duim en wijsvinger van de persoon. De magie is te wijten aan het afstotende effect dat wordt veroorzaakt door het diamagnetisme van de vingers.
Wat is de oorsprong van de magnetische respons in materie?
De oorsprong van diamagnetisme, de fundamentele reactie van elke stof op de werking van een extern magnetisch veld, ligt in het feit dat atomen bestaan uit subatomaire deeltjes die een elektrische lading hebben.
Deze deeltjes zijn niet statisch en hun beweging is verantwoordelijk voor het opwekken van een magnetisch veld. Natuurlijk zit de materie er vol mee, en je kunt altijd een soort magnetische respons verwachten in welk materiaal dan ook, niet alleen in ijzerverbindingen.
Het elektron is primair verantwoordelijk voor de magnetische eigenschappen van materie. In een heel eenvoudig model kan worden aangenomen dat dit deeltje met een uniforme cirkelvormige beweging om de atoomkern draait. Dit is genoeg voor het elektron om zich te gedragen als een kleine stroomlus die een magnetisch veld kan opwekken.
De magnetisatie van dit effect wordt orbitale magnetisatie genoemd . Maar het elektron heeft een extra bijdrage aan het magnetisme van het atoom: het intrinsieke impulsmoment.
Een analogie om de oorsprong van het intrinsieke impulsmoment te beschrijven, is te veronderstellen dat het elektron een roterende beweging rond zijn as heeft, een eigenschap die spin wordt genoemd.
Als beweging en als geladen deeltje draagt spin ook bij aan de zogenaamde spin-magnetisatie .
Beide bijdragen geven aanleiding tot een netto of resulterende magnetisatie, maar het belangrijkste is juist die door spin. De protonen in de kern dragen, ondanks elektrische lading en spin, niet significant bij aan de magnetisatie van het atoom.
In diamagnetische materialen is de resulterende magnetisatie nul, aangezien de bijdragen van zowel het omloopmoment als die van het rotatiemoment teniet worden gedaan. De eerste vanwege de wet van Lenz en de tweede omdat de elektronen in de orbitalen paarsgewijs tot stand zijn gebracht met tegengestelde spin en de schillen zijn gevuld met een even aantal elektronen.
Magnetisme in materie
Het diamagnetische effect ontstaat wanneer orbitale magnetisatie wordt beïnvloed door een extern magnetisch veld. De aldus verkregen magnetisatie wordt aangeduid met M en is een vector.
Ongeacht waar het veld is gericht, de diamagnetische respons zal altijd afstotend zijn dankzij de wet van Lenz, die stelt dat de geïnduceerde stroom elke verandering in de magnetische flux door de lus tegenwerkt.
Maar als het materiaal een soort permanente magnetisatie bevat, zal de reactie aantrekkingskracht zijn, zoals het geval is bij paramagnetisme en ferromagnetisme.
Om de beschreven effecten te kwantificeren, moet je een extern magnetisch veld H beschouwen , toegepast op een isotroop materiaal (de eigenschappen zijn overal in de ruimte hetzelfde), waarbinnen een magnetisatie M ontstaat . Als gevolg hiervan, in een magnetische inductie gemaakt B , als gevolg van de interactie die plaatsvindt tussen H en M .
Al deze hoeveelheden zijn vector. B en M zijn evenredig met H , zijnde de permeabiliteit van het materiaal μ en de magnetische susceptibiliteit χ, de respectievelijke proportionaliteitsconstanten, die aangeven wat de specifieke reactie is van de stof op externe magnetische invloeden:
B = μ H
De magnetisatie van het materiaal zal ook evenredig zijn met H :
M = χ H
De bovenstaande vergelijkingen zijn geldig in het cgs-systeem. Zowel B als H en M hebben dezelfde afmetingen, hoewel verschillende eenheden. Voor B wordt in dit systeem de gauss gebruikt en voor H wordt de oersted gebruikt. De reden hiervoor is om het extern aangelegde veld te onderscheiden van het veld dat in het materiaal wordt gegenereerd.
In het internationale systeem, dat het meest wordt gebruikt, ziet de eerste vergelijking er iets anders uit:
B = μ of μ r H
μ o de magnetische permeabiliteit van lege ruimte die overeenkomt met 4π x 10-7 Tm / A (Teslameter / ampère) en μ r de relatieve permeabiliteit van het medium met betrekking tot vacuüm, wat dimensieloos.
In termen van de magnetische susceptibiliteit χ, de meest geschikte eigenschap om de diamagnetische eigenschappen van een materiaal te beschrijven, wordt deze vergelijking als volgt geschreven:
B = (1 + χ) μ of H
Met μ r = 1 + χ
In het internationale systeem komt B in Tesla (T), terwijl H wordt uitgedrukt in Ampère / meter, een eenheid waarvan men dacht dat hij Lenz heette, maar die tot nu toe werd overgelaten in termen van fundamentele eenheden.
In die materialen waarin χ negatief is, worden ze als diamagnetisch beschouwd. En het is een goede parameter om deze stoffen te karakteriseren, omdat χ erin kan worden beschouwd als een constante waarde onafhankelijk van de temperatuur. Dit is niet het geval voor materialen die meer magnetische reacties hebben.
Meestal χ in de orde van -10 -6 tot -10 -5 . Supergeleiders worden gekenmerkt door χ = -1 en daarom wordt het interne magnetische veld volledig opgeheven (Meisner-effect).
Het zijn de perfecte diamagnetische materialen, waarin diamagnetisme niet langer een zwakke reactie is, maar sterk genoeg wordt om objecten te laten zweven, zoals in het begin beschreven.
Toepassingen: magneto-encefalografie en waterbehandeling
Levende wezens zijn gemaakt van water en organisch materiaal, waarvan de reactie op magnetisme over het algemeen zwak is. Diamagnetisme is echter, zoals we al zeiden, een intrinsiek onderdeel van materie, inclusief organisch materiaal.
Kleine elektrische stroompjes circuleren in mensen en dieren die ongetwijfeld een magnetisch effect veroorzaken. Op dit moment, terwijl de lezer deze woorden met zijn ogen volgt, circuleren er kleine elektrische stroompjes in zijn hersenen waardoor hij toegang heeft tot de informatie en deze kan interpreteren.
De zwakke magnetisatie die in de hersenen optreedt, is detecteerbaar. De techniek staat bekend als magneto-encefalografie, waarbij detectors genoemd SQUID gebruikt (Quantum Interference Devices Supergeleidende) tot zeer kleine magnetische velden te detecteren, in de orde van 10 -15 T.
SQUID's zijn in staat bronnen van hersenactiviteit met grote precisie te lokaliseren. Een software is verantwoordelijk voor het verzamelen van de verkregen gegevens en deze om te zetten in een gedetailleerde kaart van hersenactiviteit.
Externe magnetische velden kunnen de hersenen op de een of andere manier beïnvloeden. Hoe veel? Recent onderzoek heeft aangetoond dat een vrij intens magnetisch veld, rond de 1 T, in staat is de pariëtale kwab te beïnvloeden en een deel van de hersenactiviteit gedurende korte tijd te onderbreken.
Anderen daarentegen, waarin vrijwilligers 40 uur hebben doorgebracht in een magneet die 4 T aan intensiteit produceert, zijn vertrokken zonder waarneembare negatieve effecten. De Universiteit van Ohio heeft in ieder geval aangegeven dat er tot dusverre geen risico bestaat om binnen velden van 8 T.
Sommige organismen, zoals bacteriën, zijn in staat kleine magnetietkristallen op te nemen en deze te gebruiken om zich te oriënteren binnen het magnetisch veld van de aarde. Magnetiet is ook gevonden in meer complexe organismen zoals bijen en vogels, die het voor hetzelfde doel zouden gebruiken.
Zijn er magnetische mineralen in het menselijk lichaam? Ja, er is magnetiet gevonden in het menselijk brein, hoewel het niet bekend is voor welk doel het daar is. Je zou kunnen speculeren dat dit een verouderde vaardigheid is.
Met betrekking tot waterbehandeling is het gebaseerd op het feit dat sedimenten in wezen diamagnetische stoffen zijn. Sterke magnetische velden kunnen worden gebruikt om calciumcarbonaatafzettingen, gips, zout en andere stoffen te verwijderen die hardheid in water veroorzaken en zich ophopen in leidingen en containers.
Het is een systeem met vele voordelen om het milieu te sparen en de leidingen lang en tegen lage kosten in goede staat te houden.
Referenties
- Eisberg, R. 1978. Quantum Physics. Limusa. 557-577.
- Jong, Hugh. 2016. Sears-Zemansky's University Physics with Modern Physics. 14e Ed. Pearson. 942
- Zapata, F. (2003). Studie van mineralogieën geassocieerd met de Guafita 8x-oliebron behorende tot het Guafita-veld (Apure State) met behulp van Mossbauer magnetische gevoeligheid en spectroscopiemetingen. Afstudeerscriptie. Centrale Universiteit van Venezuela.