Matériaux de diamagnétisme, applications, exemples

Il Diamagnétisme C'est l'une des réponses que la matière a avant la présence d'un champ magnétique externe. Il se caractérise par le contraire ou l'opposé à ce champ magnétique et généralement, à moins qu'il ne s'agisse de la seule réponse magnétique du matériau, son intensité est la plus faible de toutes.

Lorsque l'effet répulsif est le seul à se présenter à un matériau devant un aimant, le matériau est considéré comme diamagnétique. Si d'autres effets magnétiques prédominent, selon ce que c'est, il sera considéré comme paramagnétique ou ferromagnétique.

Un morceau de bismuth, matériau diamagnétique. Source: Pixabay.

Brugmans est attribué à Sebald en 1778 la première référence à la répulsion entre l'un des pôles d'un aimant et un morceau de matériel, particulièrement évident dans des éléments tels que le bismuth et l'antimoine.

Plus tard, en 1845, Michael Faraday a étudié cet effet plus attentivement et a conclu qu'il s'agissait d'une propriété inhérente de toute l'affaire.

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Matériaux diamagnétiques et leur réponse

Le comportement magnétique du bismuth et de l'antimoine, et d'autres tels que l'or, le cuivre, l'hélium et les substances tels que l'eau et le bois, diffèrent considérablement de l'attraction magnétique bien connue et puissante que les aimants exercent sur le fer, le nickel ou le cobalt.

En dépit d'être une réponse à faible intensité, avant qu'un champ magnétique externe suffisamment intense, tout matériau diamagnétique, même la matière organique vivante, est capable de ressentir une magnétisation opposée très remarquable.

Génération de champs magnétiques aussi intenses que 16 Tesla (déjà l'un des 1 Tesla est considéré comme assez intense), les chercheurs de laboratoire aimant à champ élevé de Nijmegen d'Amsterdam dans le Nether.

Il est également possible de léviter un petit aimant entre les doigts d'une personne, grâce au diamagnétisme et à un champ magnétique suffisamment intense. En soi, le champ magnétique exerce une force magnétique capable d'attirer un petit aimant et peut essayer que cette force compense le poids, mais le petit aimant ne reste pas très stable à dire.

Dès que vous ressentez un déplacement minimum, la force exercée par le grand aimant l'attire rapidement. Cependant, lorsque les doigts humains se tiennent entre les aimants, le petit aimant se stabilise et Levita entre le pouce et l'indice de la personne. La magie est due à la répulsion causée par le diamagnétisme des doigts.

Quelle est l'origine de la réponse magnétique en la matière?

L'origine du diamagnétisme, qui est la réponse fondamentale de toute substance à l'action d'un champ magnétique externe, réside dans le fait que les atomes sont formés par des particules subatomiques qui ont une charge électrique.

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Ces particules ne sont pas statiques et leur mouvement est responsable de la production d'un champ magnétique. Bien sûr, la matière en est pleine et une sorte de réponse magnétique peut toujours être attendue dans n'importe quel matériau, pas seulement de composés de fer.

L'électron est le principal responsable des propriétés magnétiques de la question. Dans un modèle très simple, on peut supposer que cette particule orbite au noyau atomique avec un mouvement circulaire uniforme. Cela suffit pour que l'électron se comporte comme une minuscule spira actuelle capable de générer un champ magnétique.

La magnétisation de cet effet est appelée magnétisation orbitale. Mais l'électron a une contribution supplémentaire au magnétisme atome: le moment angulaire intrinsèque.

Une analogie pour décrire l'origine du moment angulaire intrinsèque est de supposer que l'électron a un mouvement de rotation autour de son axe, propriété qui s'appelle Espín.

Étant un mouvement et pour être une particule chargée, le spin contribue également à l'appel Magnétisation de spin.

Les deux contributions donnent lieu à une magnétisation nette ou résultante, mais le plus important est précisément ce qui est dû au rotation. Les protons dans le noyau, bien qu'ils aient une charge électrique et un spin, ne contribuent pas de manière significative à la magnétisation de l'atome.

Dans les matériaux diamagnétiques, la magnétisation résultante est nulle, car les contributions du moment orbital et de spin. Le premier à cause de la loi de Lenz et de la seconde, car les électrons dans les orbitales sont établis dans les couples de spin opposés et les couches sont remplies de quelques électrons.

Magnétisme en la matière

L'effet diamagnétique survient lorsque la magnétisation orbitale reçoit l'influence d'un champ magnétique externe. La magnétisation ainsi obtenue est indiquée M Et c'est un vecteur.

Peu importe où le champ est dirigé, la réponse diamagnétique sera toujours répugnante grâce à la loi de Lenz, qui indique que le courant induit s'oppose à tout changement dans le flux magnétique qui traverse la spase.

Mais si le matériau contient une sorte de magnétisation permanente, la réponse sera l'attraction, c'est le cas du paramagnétisme et du ferromagnétisme.

Pour quantifier les effets décrits, considérons un champ magnétique externe H, appliqué à un matériau isotrope (ses propriétés sont les mêmes à tout point dans l'espace), dans laquelle une magnétisation provient M. Grâce à cela, une induction magnétique est créée à l'intérieur B, en raison de l'interaction qui se produit entre H et M.

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Tous ces montants sont un vecteur. B et M Ils sont proportionnels à H, Étant la perméabilité du matériau μ et de la sensibilité magnétique χ, les constantes de proportionnalité respectives, qui indiquent quelle est la réponse particulière de la substance à l'influence magnétique externe:

B = μH

La magnétisation du matériau sera également proportionnelle à H:

M = χH

Les équations ci-dessus sont valables dans le système CGS. Tellement B comme H et M Ils ont les mêmes dimensions, bien que différentes unités. Pour B Gauss est utilisé dans ce système et pour H Le Oersted est utilisé. La raison de cela est de différencier le champ externe du champ généré à l'intérieur du matériau.

Dans le système international, qui est couramment utilisé, la première équation acquiert une apparence quelque peu différente:

B = μ_soit μ_r H

μ_soit C'est la perméabilité magnétique de l'espace vide équivalent à 4π x 10-7 t.m / a (Tesla- métro / ampère) et μ_r C'est la perméabilité relative du milieu en référence à un vide, qui est sans dimension.

En termes de sensibilité magnétique χ, qui est la caractéristique la plus appropriée pour décrire les propriétés diamagnétiques d'un matériau, cette équation est écrite comme celle-ci:

B = (1 + χ) μ_soitH

Avec μ_r = 1 + χ

Dans le système international B vient à Tesla (t), tandis que H Il s'exprime dans Ampère / Metro, une unité que l'on pensait qu'un temps appelle Lenz, mais que jusqu'à présent a été laissé en termes d'unités fondamentales.

Dans les matériaux dans lesquels χ est négatif, ils sont considérés comme diamagnétiques. Et c'est un bon paramètre pour caractériser ces substances, car χ peut être considérée comme une valeur constante et indépendante de la température. Ce n'est pas dans les matériaux qui ont des réponses plus magnétiques.

Généralement χ est de l'ordre de -10^-6 A -10^-5. Les supraconducteurs sont caractérisés par χ = -1 et donc le champ magnétique interne est complètement annulé (effet Meisner).

Ce sont les matériaux diamagnétiques parfaits, dans lesquels le diamagnétisme cesse d'être une réponse faible, et devient suffisamment intense pour léviter les objets, comme décrit au début.

Applications: magnéphalographie et traitement de l'eau

Les êtres vivants sont faits d'eau et de matière organique, dont la réponse au magnétisme est généralement faible. Cependant, le diamagnétisme, comme nous l'avons dit, est une partie intrinsèque de la matière, y compris l'organique.

À l'intérieur des humains et des animaux, les petits courants électriques circulent qui créent sans aucun doute un effet magnétique. À ce même moment, alors que le lecteur suit ces mots, les petits courants électriques circulent dans son cerveau qui lui permettent d'accéder et d'interpréter les informations.

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La magnétisation faible qui se produit dans le cerveau est détectable. La technique est connue sous le nom Magnéto-encéphalographie, qui utilise des détecteurs appelés SquidDispositifs d'interférence quantique supraconducteurs) Pour détecter de très petits champs magnétiques, de l'ordre de 10^-quinze T.

Les calmars sont capables de localiser des sources d'activité cérébrale avec une énorme précision. Un logiciel est chargé de collecter les données obtenues et de les transformer en une carte détaillée de l'activité cérébrale.

Les champs magnétiques externes peuvent affecter le cerveau d'une manière ou d'une autre. Combien? Certaines enquêtes récentes ont montré qu'un champ magnétique assez intense, d'environ 1 T.

D'autres, en revanche, dans lesquels les bénévoles ont passé 40 heures dans un aimant qui produit 4 t d'intensité, sont partis sans souffrir d'effets négatifs observables. L'Université de l'Ohio au moins a indiqué que jusqu'à présent, il n'y a aucun risque à rester dans les 8 champs T.

Certains organismes tels que les bactéries sont capables d'incorporer de petits cristaux de magnétite et de les utiliser pour orienter dans le champ magnétique de la Terre. La magnétite a également été trouvée dans des organismes plus complexes tels que les abeilles et les oiseaux, qui l'utiliseraient dans le même but.

Y a-t-il des minéraux magnétiques dans l'organisme humain? Oui, la magnétite a été trouvée dans le cerveau humain, bien qu'il soit inconnu avec quel but est là.  On pourrait supposer que c'est une compétence en désussage.

Quant au traitement de l'eau, il est basé sur le fait que les sédiments sont essentiellement des substances diamagnétiques. Il est possible d'utiliser des champs magnétiques intenses et ainsi éliminer les sédiments du carbonate de calcium, du plâtre, du sel et d'autres substances qui provoquent la dureté dans l'eau et s'accumulent dans les tuyaux et les conteneurs.

Il s'agit d'un système avec de nombreux avantages de conserver l'environnement et de maintenir les tuyaux en bon état pendant longtemps et à faible coût.

Les références

1. Eisberg, R. 1978.  Physique quantique. Limusa. 557 -577.
2. Jeune, Hugh. 2016. La physique universitaire de Sears-Zansky avec la physique moderne. 14e ed. Pearson. 942
3. Zapata, f. (2003). Étude des minéralogies associées au puits d'huile de Guafita 8x appartenant au Guafita Campo (État d'Apure) par des mesures de la sensibilité magnétique et de Mossbauer. Thèse de diplôme. Université centrale du Venezuela.