DIYAMANYETIZMA: MALZEMELER, UYGULAMALAR, ÖRNEKLER - FIZIKSEL - 2025

Diamagnetism cevapları birinin bir dış manyetik alanın varlığında meselesidir olduğunu. Bu manyetik alana zıt veya zıt olmasıyla karakterizedir ve genellikle malzemenin tek manyetik tepkisi olmadığı sürece yoğunluğu en zayıf olanıdır.

İtici etki, bir malzemenin bir mıknatısa sunduğu tek etki olduğunda, malzemenin diyamanyetik olduğu kabul edilir. Diğer manyetik etkiler baskın ise, ne olduğuna bağlı olarak, paramanyetik veya ferromanyetik olarak kabul edilecektir.

Bir bizmut parçası, diyamanyetik bir malzeme. Kaynak: Pixabay.

Sebald Brugmans, 1778'de, bir mıknatısın herhangi bir kutbu ile bir malzeme parçası arasındaki itmeye ilk atıfta bulunarak, özellikle bizmut ve antimon gibi unsurlarda açıkça görülüyor.

Daha sonra, 1845'te Michael Faraday bu etkiyi daha yakından inceledi ve bunun tüm maddelerin doğal bir özelliği olduğu sonucuna vardı.

Diyamanyetik malzemeler ve tepkileri

Bizmut ve antimonun ve altın, bakır, helyum gibi diğer maddelerin ve su ve odun gibi maddelerin manyetik davranışı, mıknatısların demir, nikel veya metal üzerine uyguladığı iyi bilinen güçlü manyetik çekimden büyük ölçüde farklıdır. kobalt.

Genellikle düşük yoğunluklu bir tepki olmasına rağmen, yeterince yoğun bir dış manyetik alan karşısında, herhangi bir diyamanyetik malzeme, hatta canlı organik madde, çok dikkat çekici bir ters mıknatıslanma yaşayabilir.

Hollanda Amsterdam'daki Nijmegen Yüksek Alan Mıknatıs Laboratuvarı araştırmacıları, 1990'larda 16 Tesla kadar güçlü manyetik alanlar oluşturarak (zaten 1 Tesla oldukça güçlü olarak kabul edilmektedir), çilekleri, pizzaları ve kurbağaları manyetik olarak havaya uçurmayı başardılar.

Diyamanyetizma ve yeterince güçlü bir manyetik alan sayesinde, bir kişinin parmakları arasında küçük bir mıknatısı havaya uçurmak da mümkündür. Manyetik alan kendi başına küçük bir mıknatısı kuvvetle çekebilen bir manyetik kuvvet uygular ve bu kuvveti ağırlığı telafi etmeye çalışabilirsiniz, ancak küçük mıknatıs çok kararlı kalmaz.

Minimal yer değiştirmeyi deneyimlediği anda, büyük mıknatıs tarafından uygulanan kuvvet onu hızla çeker. Bununla birlikte, insan parmakları mıknatısların arasına girdiğinde, küçük mıknatıs sabitlenir ve kişinin baş parmağı ile işaret parmağı arasında havaya yükselir. Sihir, parmakların çap manyetikliğinden kaynaklanan itme etkisinden kaynaklanmaktadır.

Maddedeki manyetik tepkinin kaynağı nedir?

Herhangi bir maddenin harici bir manyetik alanın etkisine temel tepkisi olan diyamanyetizmanın kaynağı, atomların elektrik yüküne sahip atom altı parçacıklardan oluşması gerçeğinde yatmaktadır.

Bu parçacıklar statik değildir ve hareketleri bir manyetik alan oluşturmaktan sorumludur. Tabii ki, madde onlarla doludur ve sadece demir bileşiklerinde değil, herhangi bir malzemede her zaman bir tür manyetik tepki bekleyebilirsiniz.

Elektron esas olarak maddenin manyetik özelliklerinden sorumludur. Çok basit bir modelde, bu parçacığın atom çekirdeğinin etrafında düzgün bir dairesel hareketle döndüğü varsayılabilir. Bu, elektronun manyetik alan oluşturabilen küçük bir akım döngüsü gibi davranması için yeterlidir.

Bu etkiden kaynaklanan manyetizasyona yörünge manyetizasyon denir . Ancak elektronun atomun manyetizmasına ek bir katkısı vardır: içsel açısal momentum.

İçsel açısal momentumun kökenini tanımlayan bir analoji, elektronun kendi ekseni etrafında dönme hareketi olarak adlandırılan bir özelliğe sahip olduğunu varsaymaktır.

Bir hareket olan ve yüklü bir parçacık olan spin, aynı zamanda spin manyetizasyonuna da katkıda bulunur .

Her iki katkı da net veya sonuçta bir mıknatıslanmaya yol açar, ancak en önemlisi tam olarak dönüşe bağlı olandır. Çekirdekteki protonlar, elektrik yüküne ve dönüşüne sahip olmalarına rağmen atomun manyetizasyonuna önemli bir katkı sağlamaz.

Diyamanyetik malzemelerde ortaya çıkan mıknatıslanma sıfırdır, çünkü hem yörünge momentinin hem de dönme momentinin katkıları birbirini götürür. Birincisi Lenz yasası nedeniyle ve ikincisi, çünkü orbitallerdeki elektronlar ters dönüşlü çiftler halinde kurulurlar ve kabuklar çift sayıda elektronla doldurulur.

Maddede manyetizma

Diyamanyetik etki, yörüngesel manyetizasyon harici bir manyetik alandan etkilendiğinde ortaya çıkar. Bu şekilde elde edilen manyetizasyon M ile gösterilir ve bir vektördür.

Alanın nereye yönlendirildiğine bakılmaksızın, indüklenen akımın döngü boyunca manyetik akıdaki herhangi bir değişikliğe karşı olduğunu belirten Lenz yasası sayesinde diyamanyetik yanıt her zaman itici olacaktır.

Ancak malzeme bir tür kalıcı manyetizasyon içeriyorsa, tepki çekim olacaktır, paramanyetizma ve ferromanyetizma durumu böyledir.

Tanımlanan etkileri ölçmek için , içinde bir manyetizasyon M'nin ortaya çıktığı izotropik bir malzemeye uygulanan (özellikleri uzaydaki herhangi bir noktada aynıdır) harici bir manyetik alan H'yi düşünün . De bir sonucu olarak, bir manyetik indüksiyon içinde oluşturulmuş B arasında meydana etkileşimin bir sonucu olarak, H ve M .

Bütün bu miktarlar vektördür. B ve M , malzemenin geçirgenliği μ ve manyetik duyarlılık χ olan H ile orantılıdır , maddenin harici manyetik etkiye özel tepkisinin ne olduğunu gösteren ilgili orantılılık sabitleri:

B = μ H

Malzemenin mıknatıslanması da H ile orantılı olacaktır :

M = χ H

Yukarıdaki denklemler cgs sisteminde geçerlidir. Hem B ve H ve M farklı birimler olmasına rağmen, aynı boyutlara sahiptir. İçin B Gauss bu sistemde ve kullanılan H kullanılan Oersted. Bunu yapmanın nedeni, dışarıdan uygulanan alanı malzemenin içinde oluşan alandan farklılaştırmaktır.

Yaygın olarak kullanılan Uluslararası Sistem'de, ilk denklem biraz farklı bir görünüme bürünür:

B = μ _veya μ _r H

μ _o , 4π x 10-7 Tm / A'ya (Teslameter / Amper) eşdeğer boş uzayın manyetik geçirgenliğidir ve μ _r , boyutsuz olan vakumla ilgili olarak ortamın göreli geçirgenliğidir.

Bir malzemenin diyamanyetik özelliklerini tanımlamaya en uygun özellik olan manyetik duyarlılık χ açısından bu denklem şu şekilde yazılır:

B = (1 + χ) μ _veya H

Μ _r = 1 + χ ile

Uluslararası Sistem'de B , Tesla (T) ile gelirken, H , bir zamanlar Lenz olarak adlandırıldığı düşünülen ancak şimdiye kadar temel birimler cinsinden kalan bir birim olan Amper / metre cinsinden ifade edilir.

Χ negatif olan malzemelerde diyamanyetik olarak kabul edilirler. Ve bu maddeleri karakterize etmek iyi bir parametredir, çünkü içlerindeki χ sıcaklıktan bağımsız sabit bir değer olarak kabul edilebilir. Bu, daha fazla manyetik tepkiye sahip malzemeler için geçerli değildir.

Genellikle χ -10 ^-6 ile -10 ^{-5 arasındadır} . Süperiletkenler χ = -1 olmasıyla karakterize edilir ve bu nedenle dahili manyetik alan tamamen iptal edilir (Meisner etkisi).

Bunlar, diyamanyetizmanın zayıf bir tepki olmayı bıraktığı ve başlangıçta açıklandığı gibi nesneleri havaya kaldıracak kadar güçlü hale geldiği mükemmel diyamanyetik malzemelerdir.

Uygulamalar: manyeto-ensefalografi ve su arıtma

Canlılar, manyetizmaya tepkisi genellikle zayıf olan sudan ve organik maddeden yapılmıştır. Bununla birlikte, diyamanyetizma, söylediğimiz gibi, organik madde de dahil olmak üzere maddenin içsel bir parçasıdır.

Küçük elektrik akımları insanlarda ve hayvanlarda dolaşır ve şüphesiz manyetik bir etki yaratır. Tam bu anda okuyucu bu kelimeleri gözleriyle takip ederken, beyninde dolaşır ve bilgiye ulaşmasını ve yorumlamasını sağlayan küçük elektrik akımları vardır.

Beyinde oluşan zayıf manyetizasyon tespit edilebilir. Teknik, çok küçük manyetik alanları tespit etmek için SQUID'ler (Süper İletken Kuantum Girişim Cihazları) adı verilen dedektörleri ^10-15 T düzeninde kullanan manyeto-ensefalografi olarak bilinir .

SQUID'ler, beyin aktivitesinin kaynaklarını büyük bir hassasiyetle bulabilir. Bir yazılım, elde edilen verileri toplamaktan ve bunları ayrıntılı bir beyin aktivitesi haritasına dönüştürmekten sorumludur.

Dış manyetik alanlar beyni bir şekilde etkileyebilir. Ne kadar? Son zamanlarda yapılan bazı araştırmalar, 1 T civarında oldukça yoğun bir manyetik alanın, kısa anlar için beyin aktivitesinin bir kısmını kesintiye uğratarak parietal lobu etkileyebileceğini göstermiştir.

Öte yandan, gönüllülerin 4 T yoğunluk üreten bir mıknatısın içinde 40 saat geçirdikleri diğerleri, herhangi bir gözlemlenebilir olumsuz etkiye maruz kalmadan ayrıldılar. En azından Ohio Üniversitesi, şu ana kadar 8 T'lik tarlalarda kalma riski olmadığını belirtti.

Bakteriler gibi bazı organizmalar, küçük manyetit kristallerini birleştirebilir ve kendilerini Dünya'nın manyetik alanı içinde yönlendirmek için kullanabilir. Manyetit, aynı amaçla kullanacak olan arılar ve kuşlar gibi daha karmaşık organizmalarda da bulunmuştur.

İnsan vücudunda manyetik mineraller var mı? Evet, manyetit insan beyninde bulundu, ancak ne amaçla orada olduğu bilinmemektedir. Bunun artık kullanılmayan bir beceri olduğu tahmin edilebilir.

Su arıtma ile ilgili olarak, sedimanların temelde diyamanyetik maddeler olduğu gerçeğine dayanmaktadır. Suda sertliğe neden olan ve borularda ve kaplarda biriken kalsiyum karbonat tortularını, alçıtaşı, tuzu ve diğer maddeleri uzaklaştırmak için güçlü manyetik alanlar kullanılabilir.

Çevreyi korumak ve boruları uzun süre iyi çalışır durumda tutmak ve düşük maliyetle birçok avantajı olan bir sistemdir.

Referanslar

1. Eisberg, R. 1978. Quantum Physics. Limusa. 557 -577.
2. Genç, Hugh. 2016. Sears-Zemansky's University Physics with Modern Physics. 14. Baskı Pearson. 942
3. Zapata, F. (2003). Mossbauer Manyetik Duyarlılık ve Spektroskopi ölçümleri kullanılarak Guafita sahasına (Apure Eyaleti) ait Guafita 8x petrol kuyusu ile ilişkili mineralojilerin incelenmesi. Derece tezi. Venezuela Merkez Üniversitesi.