Diamagnetismus: diamagnetische Materialien, Anwendungen und Beispiele
Diamagnetismus ist eine der Antworten, die Materie in Gegenwart eines externen Magnetfelds hat. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass es diesem Magnetfeld entgegengesetzt oder entgegengesetzt ist, und normalerweise ist seine Intensität am schwächsten, es sei denn, es ist die einzige magnetische Reaktion des Materials.
Wenn der Abstoßungseffekt der einzige ist, den ein Material vor einem Magneten aufweist, wird das Material als diamagnetisch angesehen. Wenn andere magnetische Effekte vorherrschen, wird dies, je nachdem, was es ist, als paramagnetisch oder ferromagnetisch angesehen.
Es wird Sebald Brugmans im Jahr 1778 der erste Hinweis auf die Abstoßung zwischen einem der Pole eines Magneten und einem Materialstück zugeschrieben, was insbesondere bei Elementen wie Wismut und Antimon deutlich wird.
Später, im Jahr 1845, untersuchte Michael Faraday diesen Effekt genauer und kam zu dem Schluss, dass er eine inhärente Eigenschaft aller Materie ist.
Diamagnetische Materialien und ihre Reaktion
Das magnetische Verhalten von Wismut und Antimon sowie von anderen Substanzen wie Gold, Kupfer, Helium und Substanzen wie Wasser und Holz unterscheidet sich erheblich von der bekannten und starken magnetischen Anziehungskraft, die Magnete auf Eisen, Nickel oder Nickel ausüben Kobalt
Obwohl es sich im Allgemeinen um eine Reaktion mit geringer Intensität handelt, kann jedes diamagnetische Material, auch lebende organische Materie, vor einem ausreichend starken externen Magnetfeld eine sehr merkliche entgegengesetzte Magnetisierung erfahren.
Am niederländischen Nijmegen High Field Magnet Laboratory in Amsterdam gelang es Forschern, Erdbeeren, Pizzen und Frösche in den Neunzigern mit Magnetfeldstärken von bis zu 16 Tesla (und einem von 1 Tesla gilt als ziemlich intensiv) magnetisch zu schweben.
Es ist auch möglich, einen kleinen Magneten zwischen den Fingern einer Person zu schweben, dank Diamagnetismus und einem ausreichend starken Magnetfeld. Das Magnetfeld selbst übt eine Magnetkraft aus, die einen kleinen Magneten stark anziehen kann, und es kann versucht werden, dass diese Kraft das Gewicht ausgleicht, der kleine Magnet jedoch nicht sehr stabil bleibt, wie gesagt wird.
Sobald er eine minimale Verschiebung erfährt, zieht ihn die vom großen Magneten ausgeübte Kraft schnell an. Wenn sich jedoch die menschlichen Finger zwischen den Magneten befinden, stabilisiert sich der kleine Magnet und schwebt zwischen Daumen und Zeigefinger der Person. Die Magie beruht auf der Abstoßung durch Diamagnetismus der Finger.
Woher kommt die magnetische Antwort in der Materie?
Der Ursprung des Diamagnetismus, der die fundamentale Reaktion eines Stoffes auf die Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes darstellt, liegt in der Tatsache, dass die Atome von subatomaren Partikeln gebildet werden, die eine elektrische Ladung haben.
Diese Teilchen sind nicht statisch und ihre Bewegung ist für die Erzeugung eines Magnetfelds verantwortlich. Natürlich ist die Materie voll davon und Sie können immer eine Art magnetische Reaktion in jedem Material erwarten, nicht nur in Eisenverbindungen.
Das Elektron ist in erster Linie für die magnetischen Eigenschaften der Materie verantwortlich. In einem sehr einfachen Modell kann angenommen werden, dass dieses Teilchen den Atomkern mit einer gleichmäßigen Kreisbewegung umkreist. Dies reicht aus, damit sich das Elektron wie eine winzige Stromschleife verhält, die ein Magnetfeld erzeugen kann.
Die aus diesem Effekt resultierende Magnetisierung wird als Orbitalmagnetisierung bezeichnet . Das Elektron hat aber noch einen weiteren Beitrag zum Magnetismus des Atoms: den intrinsischen Drehimpuls.
Eine Analogie zur Beschreibung des Ursprungs des intrinsischen Drehimpulses besteht in der Annahme, dass das Elektron eine Rotationsbewegung um seine Achse besitzt, eine Eigenschaft, die den Namen Spin erhält.
Als Bewegung und geladenes Teilchen trägt der Spin auch zur sogenannten Spinmagnetisierung bei .
Beide Beiträge führen zu einer Nettomagnetisierung oder zu einer Resultierenden, die wichtigste ist jedoch genau die aufgrund des Spins. Die Protonen im Kern tragen, obwohl sie elektrische Ladung und Spin haben, nicht wesentlich zur Magnetisierung des Atoms bei.
In diamagnetischen Materialien ist die resultierende Magnetisierung Null, da die Beiträge sowohl des Umlaufmoments als auch des Drehmoments aufgehoben sind. Das erste wegen des Lenzschen Gesetzes und das zweite, weil die Elektronen in den Orbitalen paarweise mit entgegengesetztem Spin aufgebaut sind und die Schichten mit einer geraden Anzahl von Elektronen gefüllt sind.
Magnetismus in der Materie
Der diamagnetische Effekt entsteht, wenn die Orbitalmagnetisierung durch ein äußeres Magnetfeld beeinflusst wird. Die so erhaltene Magnetisierung wird mit M bezeichnet und ist ein Vektor.
Unabhängig davon, wohin das Feld weist, ist die diamagnetische Reaktion dank des Lenzschen Gesetzes, das besagt, dass der induzierte Strom jeder Änderung des Magnetflusses durch die Schleife entgegenwirkt, immer abstoßend.
Wenn das Material jedoch eine Art Dauermagnetisierung enthält, wird die Reaktion von Interesse sein, wie dies beim Paramagnetismus und Ferromagnetismus der Fall ist.
Betrachten Sie zur Quantifizierung der beschriebenen Effekte ein externes Magnetfeld H, das an ein isotropes Material angelegt wird (seine Eigenschaften sind an jedem Punkt im Raum gleich), innerhalb dessen eine M- Magnetisierung entsteht. Dadurch entsteht in ihm eine magnetische Induktion B infolge der Wechselwirkung zwischen H und M.
Alle diese Größen sind Vektoren. B und M sind proportional zu H, wobei die Permeabilität des Materials μ und die magnetische Suszeptibilität χ die jeweiligen Proportionalitätskonstanten sind, die angeben, wie die Substanz auf den äußeren magnetischen Einfluss besonders reagiert:
B = μ H
Die Magnetisierung des Materials ist auch proportional zu H :
M = χ H
Die obigen Gleichungen gelten im cgs-System. Sowohl B als auch H und M haben die gleichen Abmessungen, jedoch unterschiedliche Einheiten. Für B wird in diesem System das Gauß und für H das Oersted verwendet. Der Grund dafür ist, das angelegte Feld extern von dem Feld zu unterscheiden, das innerhalb des Materials erzeugt wird.
Im internationalen System, das üblicherweise verwendet wird, sieht die erste Gleichung etwas anders aus:
B = μ oder μ r H
μ oder ist die magnetische Permeabilität des leeren Raums, die 4π x 10-7 Tm / A (Tesla-Meter / Ampere) entspricht, und μ r ist die relative Permeabilität des Mediums in Bezug auf das Vakuum, das dimensionslos ist.
In Bezug auf die magnetische Suszeptibilität χ, die am besten geeignet ist, die diamagnetischen Eigenschaften eines Materials zu beschreiben, lautet diese Gleichung wie folgt:
B = (1 + χ) μ oder H
Mit μ r = 1 + χ
Im internationalen System kommt B in Tesla (T) vor, während H in Ampere / Meter ausgedrückt wird, einer Einheit, von der angenommen wurde, dass sie Lenz heißt, die jedoch in Bezug auf die Grundeinheiten übrig bleibt.
In jenen Materialien, in denen χ negativ ist, werden sie als diamagnetisch angesehen. Und es ist ein guter Parameter, um diese Substanzen zu charakterisieren, da in ihnen ein von der Temperatur unabhängiger konstanter Wert berücksichtigt werden kann. Dies ist bei Materialien mit stärkerer magnetischer Reaktion nicht der Fall.
Im Allgemeinen liegt χ in der Größenordnung von -10-6 bis -10-5. Supraleiter sind dadurch gekennzeichnet, dass -1 = -1 ist und daher das interne Magnetfeld vollständig aufgehoben ist (Meisner-Effekt).
Sie sind die perfekten diamagnetischen Materialien, bei denen Diamagnetismus keine schwache Reaktion mehr ist und intensiv genug wird, um Objekte zu schweben, wie eingangs beschrieben.
Anwendungen: Magnetoenzephalographie und Wasseraufbereitung
Lebewesen bestehen aus Wasser und organischer Materie, deren Reaktion auf Magnetismus im Allgemeinen schwach ist. Diamagnetismus ist jedoch, wie gesagt, ein wesentlicher Bestandteil der Materie, einschließlich der organischen.
Kleine elektrische Ströme zirkulieren in Menschen und Tieren, die zweifellos einen magnetischen Effekt erzeugen. Während der Leser diesen Worten folgt, zirkulieren in diesem Moment kleine elektrische Ströme in seinem Gehirn, die es ihm ermöglichen, auf die Informationen zuzugreifen und sie zu interpretieren.
Die im Gehirn auftretende schwache Magnetisierung ist nachweisbar. Die Technik ist als Magnetoenzephalographie bekannt, bei der mit Hilfe von SQUIDs ( Supraleitende Quanteninterferenzgeräte ) genannte Detektoren sehr kleine Magnetfelder in der Größenordnung von 10 bis 15 T erfasst werden.
SQUIDs sind in der Lage, Gehirnaktivitätsquellen mit großer Präzision zu lokalisieren. Eine Software ist dafür verantwortlich, die erhaltenen Daten zu sammeln und in eine detaillierte Karte der Gehirnaktivität umzuwandeln.
Externe Magnetfelder können das Gehirn in irgendeiner Weise beeinflussen. Wie viel Einige neuere Untersuchungen haben gezeigt, dass ein ziemlich starkes Magnetfeld von etwa 1 T den Scheitellappen beeinflussen kann und einen Teil der Gehirnaktivität für kurze Momente unterbricht.
Andere hingegen, bei denen Freiwillige 40 Stunden in einem Magneten verbracht haben, der 4 T Intensität erzeugt, sind ohne beobachtbare negative Auswirkungen geblieben. Die University of Ohio hat zumindest darauf hingewiesen, dass es bis jetzt kein Risiko gibt, in 8 T-Feldern zu bleiben.
Einige Organismen wie Bakterien sind in der Lage, kleine Magnetitkristalle aufzunehmen und sich damit im Erdmagnetfeld zu orientieren. Ebenso wurde Magnetit in komplexeren Organismen wie Bienen und Vögeln gefunden, die es für den gleichen Zweck verwenden würden.
Gibt es magnetische Mineralien im menschlichen Körper? Ja, Magnetit wurde im menschlichen Gehirn gefunden, obwohl nicht bekannt ist, zu welchem Zweck es vorhanden ist. Es könnte spekuliert werden, dass es sich um eine ungenutzte Fähigkeit handelt.
Die Wasserbehandlung basiert auf der Tatsache, dass die Sedimente grundsätzlich diamagnetische Substanzen sind. Intensive Magnetfelder können genutzt werden, um Ablagerungen von Kalziumkarbonat, Gips, Salz und anderen Substanzen, die Wasserhärte verursachen und sich in Rohren und Behältern ansammeln, zu entfernen.
Es ist ein System mit vielen Vorteilen, um die Umwelt zu schonen und die Rohre für lange Zeit und zu geringen Kosten in einem guten Betriebszustand zu halten.
