ДИАМАГНЕТИЗМ: МАТЕРИАЛЫ, ПРИЛОЖЕНИЯ, ПРИМЕРЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Диамагнетизм является одним из ответов является вопросом в присутствии внешнего магнитного поля. Оно характеризуется тем, что оно противоположно или противоположно этому магнитному полю, и обычно, если это не единственный магнитный отклик материала, его интенсивность является самой слабой из всех.

Когда эффект отталкивания является единственным, который материал представляет для магнита, материал считается диамагнитным. Если преобладают другие магнитные эффекты, в зависимости от того, что это такое, это будет считаться парамагнитным или ферромагнитным.

Кусок висмута, диамагнитного материала. Источник: Pixabay.

Зебальду Бругмансу приписывают в 1778 году первое упоминание об отталкивании между любым из полюсов магнита и куском материала, что особенно заметно в таких элементах, как висмут и сурьма.

Позже, в 1845 году, Майкл Фарадей более внимательно изучил этот эффект и пришел к выводу, что он является неотъемлемым свойством всей материи.

Диамагнитные материалы и их отклик

Магнитное поведение висмута и сурьмы, а также других веществ, таких как золото, медь, гелий, а также таких веществ, как вода и дерево, сильно отличается от хорошо известного мощного магнитного притяжения, которое магниты оказывают на железо, никель или металл. кобальт.

Несмотря на то, что в целом реакция имеет низкую интенсивность, перед лицом достаточно сильного внешнего магнитного поля любой диамагнитный материал, даже живое органическое вещество, способен испытывать очень заметную противоположную намагниченность.

Создавая магнитные поля величиной в 16 Тесла (уже 1 Тесла считается достаточно сильным), исследователи из Лаборатории высокополевого магнитного поля Неймегена в Амстердаме, Нидерланды, в 1990-х годах смогли магнитно левитировать клубнику, пиццу и лягушек.

Также возможно левитировать небольшой магнит между пальцами человека благодаря диамагнетизму и достаточно сильному магнитному полю. Само по себе магнитное поле создает магнитную силу, способную притягивать небольшой магнит с силой, и вы можете попытаться заставить эту силу компенсировать вес, однако маленький магнит не остается очень стабильным.

Как только он испытывает минимальное смещение, сила большого магнита быстро притягивает его. Однако, когда человеческие пальцы проходят между магнитами, небольшой магнит стабилизируется и левитирует между большим и указательным пальцами человека. Магия возникает из-за эффекта отталкивания, вызванного диамагнетизмом пальцев.

Каково происхождение магнитного отклика в веществе?

Происхождение диамагнетизма, который является фундаментальной реакцией любого вещества на действие внешнего магнитного поля, заключается в том, что атомы состоят из субатомных частиц, имеющих электрический заряд.

Эти частицы не статичны, и их движение создает магнитное поле. Конечно, материя полна ими, и вы всегда можете ожидать какой-то магнитный отклик в любом материале, а не только в соединениях железа.

Электрон в первую очередь отвечает за магнитные свойства вещества. В очень простой модели можно предположить, что эта частица вращается вокруг ядра атома с равномерным круговым движением. Этого достаточно, чтобы электрон вел себя как крошечная петля тока, способная генерировать магнитное поле.

Намагниченность от этого эффекта называется орбитальной намагниченностью . Но электрон вносит дополнительный вклад в магнетизм атома: собственный угловой момент.

Аналогия для описания происхождения собственного углового момента состоит в предположении, что электрон совершает вращательное движение вокруг своей оси, свойство, называемое спином.

Являясь движением и будучи заряженной частицей, спин также способствует так называемой спиновой намагниченности .

Оба вклада приводят к итоговой или результирующей намагниченности, однако наиболее важным является именно то, что связано со спином. Протоны в ядре, несмотря на наличие электрического заряда и спина, не вносят значительного вклада в намагничивание атома.

В диамагнитных материалах результирующая намагниченность равна нулю, поскольку вклады орбитального и спинового моментов компенсируются. Первое связано с законом Ленца, а второе - потому, что электроны на орбиталях расположены парами с противоположным спином, а оболочки заполнены четным числом электронов.

Магнетизм в материи

Диамагнитный эффект возникает, когда на орбитальную намагниченность воздействует внешнее магнитное поле. Полученная таким образом намагниченность обозначается M и является вектором.

Независимо от того, куда направлено поле, диамагнитный отклик всегда будет отталкивающим благодаря закону Ленца, который гласит, что индуцированный ток препятствует любому изменению магнитного потока через петлю.

Но если материал содержит какую-то постоянную намагниченность, ответом будет притяжение, как в случае парамагнетизма и ферромагнетизма.

Для того, чтобы количественно оценить эффекты , описанными, рассмотрит внешнее магнитное поле H , нанесенное на изотропном материале (его свойство одинаково в любой точке пространства), в пределах которого намагниченность M берет начало . В результате, внутри магнитной индукции создано B , в результате взаимодействия , которое происходит между H и M .

Все эти величины являются векторными. B и M пропорциональны H , которые представляют собой проницаемость материала μ и магнитную восприимчивость χ, соответствующие константы пропорциональности, которые показывают, какова особая реакция вещества на внешнее магнитное воздействие:

B = μ H

Намагниченность материала также будет пропорциональна H :

M = χ H

Приведенные выше уравнения действительны в системе cgs. И B, и H, и M имеют одинаковые размеры, но разные единицы измерения. Для B в этой системе используется гаусс, а для H - эрстед. Причина этого заключается в том, чтобы отличить поле, приложенное извне, от поля, создаваемого внутри материала.

В Международной системе, которая обычно используется, первое уравнение принимает несколько иной вид:

B = μ _или μ _r H

μ _o - магнитная проницаемость пустого пространства, которая эквивалентна 4π x 10-7 Тм / А (тесламетр / ампер), а μ _r - относительная проницаемость среды по отношению к вакууму, который безразмерен.

В терминах магнитной восприимчивости χ, которая является наиболее подходящей характеристикой для описания диамагнитных свойств материала, это уравнение записывается следующим образом:

B = (1 + χ) μ _или H

При μ _r = 1 + χ

В Международной системе B выражается в теслах (Т), тогда как H выражается в амперах на метр, единицах, которые когда-то считались ленцами, но до сих пор оставались в терминах основных единиц.

В тех материалах, в которых χ отрицательно, они считаются диамагнитными. И это хороший параметр для характеристики этих веществ, поскольку χ в них можно считать постоянной величиной, не зависящей от температуры. Это не относится к материалам, которые имеют больше магнитных откликов.

Обычно χ находится в диапазоне от -10 ^-6 до -10 ^-5 . Сверхпроводники имеют χ = -1, поэтому внутреннее магнитное поле полностью нейтрализуется (эффект Мейснера).

Это идеальные диамагнитные материалы, в которых диамагнетизм перестает быть слабым откликом и становится достаточно сильным, чтобы левитировать объекты, как описано в начале.

Область применения: магнитоэнцефалография и водоподготовка.

Живые существа состоят из воды и органического вещества, которое обычно слабо реагирует на магнетизм. Однако диамагнетизм, как мы уже сказали, является неотъемлемой частью материи, включая органическое вещество.

Внутри людей и животных циркулируют небольшие электрические токи, которые, несомненно, создают магнитный эффект. В этот самый момент, пока читатель следит за этими словами глазами, в его мозгу циркулируют небольшие электрические токи, которые позволяют ему получить доступ к информации и интерпретировать ее.

Слабое намагничивание, которое возникает в мозгу, можно обнаружить. Этот метод известен как магнито-энцефалография, в котором используются детекторы, называемые SQUID (сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства), для обнаружения очень малых магнитных полей, порядка ^10-15 Тл.

Кальмары способны с большой точностью обнаруживать источники мозговой активности. Программное обеспечение отвечает за сбор полученных данных и преобразование их в подробную карту активности мозга.

Внешние магнитные поля могут каким-то образом влиять на мозг. Сколько? Некоторые недавние исследования показали, что довольно сильное магнитное поле, около 1 Тл, способно воздействовать на теменную долю, прерывая часть мозговой активности на короткое время.

Другие, с другой стороны, в которых добровольцы провели 40 часов внутри магнита, который производит 4 Тл, ушли, не испытав каких-либо наблюдаемых отрицательных эффектов. По крайней мере, Университет Огайо указал, что пока нет никакого риска оставаться в пределах полей 8 T.

Некоторые организмы, такие как бактерии, могут включать небольшие кристаллы магнетита и использовать их для ориентации в магнитном поле Земли. Магнетит также был обнаружен в более сложных организмах, таких как пчелы и птицы, которые использовали его для тех же целей.

Есть ли в организме человека магнитные минералы? Да, магнетит был обнаружен в мозгу человека, хотя неизвестно, для чего он там. Можно предположить, что это устаревший навык.

Что касается очистки воды, то она основана на том факте, что отложения в основном представляют собой диамагнитные вещества. Сильные магнитные поля могут использоваться для удаления отложений карбоната кальция, гипса, соли и других веществ, которые вызывают жесткость воды и накапливаются в трубах и контейнерах.

Это система с множеством преимуществ для защиты окружающей среды и поддержания труб в хорошем рабочем состоянии в течение длительного времени и с низкими затратами.

Ссылки

1. Айсберг Р. 1978. Квантовая физика. Limusa. 557-577.
2. Янг, Хью. 2016. Физика Университета Сирса-Земанского с современной физикой. 14-е изд. Пирсон. +942
3. Сапата, Ф. (2003). Изучение минералогии, связанной с нефтяной скважиной Guafita 8x, принадлежащей месторождению Guafita (штат Апуре), с использованием измерений магнитной восприимчивости и спектроскопии Мёссбауэра. Дипломная работа. Центральный университет Венесуэлы.