- חומרים דיאמגנטיים ותגובתם
- מה מקור התגובה המגנטית בחומר?
- מגנטיות בחומר
- יישומים: מגנט-אנצפלוגרפיה וטיפול במים
- הפניות
דיאמגנטיות היא אחת התשובות היא העניין בנוכחות שדה מגנטי חיצוני. הוא מאופיין בכך שהוא הפוך או הפוך לשדה מגנטי זה ובדרך כלל, אלא אם כן הוא התגובה המגנטית היחידה של החומר, עוצמתו היא החלשה מכולם.
כאשר האפקט הדוחה הוא היחיד שחומר מציג למגנט, החומר נחשב לדיגמנטי. אם השפעות מגנטיות אחרות שולטות, תלוי במה מדובר, זה ייחשב לפרמגנטי או פרומגנטי.
חתיכת ביסמוט, חומר יהלומי. מקור: Pixabay.
זבאלד ברוגמן זוכה בשנת 1778 בהפניה הראשונה לדחייה בין כל אחד מקטבי המגנט לחתיכת חומר, ניכר במיוחד באלמנטים כמו ביסמוט ואנטימון.
מאוחר יותר, בשנת 1845, מייקל פאראדיי חקר את האפקט הזה יותר מקרוב והגיע למסקנה שמדובר בנכס מובנה של כל החומר.
חומרים דיאמגנטיים ותגובתם
התנהגותם המגנטית של ביסמוט ואנטימון, ואחרים כמו זהב, נחושת, הליום וחומרים כמו מים ועץ, שונה מאוד מהאטרקציה המגנטית העוצמתית הידועה שמפעילים מגנטים על ברזל, ניקל או קובלט.
למרות היותו בדרך כלל תגובה בעצימות נמוכה, אל מול שדה מגנטי חיצוני מספיק חזק, כל חומר יהלומי, אפילו חומר אורגני חי, מסוגל לחוות מגנטציה הפוכה להפליא מאוד.
על ידי יצירת שדות מגנטיים חזקים כמו 16 טסלה (כבר טסלה 1 נחשבת לחזקה למדי), החוקרים במעבדת המגנטים הגבוהים של ניימגן באמסטרדם בהולנד הצליחו להפיח מגנטיות תותים, פיצות וצפרדעים בשנות התשעים.
אפשר גם לרחף מגנט קטן בין אצבעותיו של אדם, הודות לדיגמנטיות ושדה מגנטי חזק מספיק. כשלעצמו, השדה המגנטי מפעיל כוח מגנטי המסוגל למשוך מגנט קטן בכוח ותוכלו לגרום לכוח זה לפצות על המשקל, עם זאת המגנט הקטן לא נשאר יציב במיוחד.
ברגע שהוא חווה תזוזה מינימלית, הכוח המופעל על ידי המגנט הגדול מושך אותו במהירות. עם זאת, כאשר האצבעות האנושיות מגיעות בין המגנטים, המגנט הקטן מתייצב ומתרומם בין אצבעו לאצבע האצבע. הקסם נובע מהשפעת הדחייה הנגרמת כתוצאה מהיהלומניות של האצבעות.
מה מקור התגובה המגנטית בחומר?
מקורו של הדיאמגנטיות, המהווה את התגובה הבסיסית של כל חומר לפעולה של שדה מגנטי חיצוני, נעוצה בעובדה שהאטומים מורכבים מחלקיקים תת אטומיים בעלי מטען חשמלי.
חלקיקים אלה אינם סטטיים ותנועתם אחראית לייצור שדה מגנטי. כמובן שהחומר מלא בהם ותמיד אפשר לצפות לתגובה מגנטית כלשהי בכל חומר, ולא רק לתרכובות ברזל.
האלקטרון אחראי בעיקר לתכונות המגנטיות של החומר. במודל פשוט מאוד ניתן להניח שחלקיק זה מקיף את הגרעין האטומי בתנועה סיבובית אחידה. די בכך שהאלקטרון יתנהג כמו לולאה זעירה של זרם המסוגלת ליצור שדה מגנטי.
המגנטציה מהשפעה זו מכונה מגנטציה מסלולית . אך לאלקטרון יש תרומה נוספת למגנטיות האטום: התנע הזוויתי המהותי.
אנלוגיה לתיאור מקורו של המומנטום הזוויתי המהותי היא להניח שלאלקטרון יש תנועה סיבובית סביב צירו, תכונה הנקראת ספין.
בהיותו תנועה והיותו חלקיק טעון, ספין תורם גם למה שמכונה מגנטציה של ספין .
שתי התרומות מעוררות מגנטציה נטו או כתוצאה מכך, אולם החשוב ביותר הוא בדיוק בגלל הסיבוב. הפרוטונים בגרעין, למרות שהם בעלי מטען חשמלי וסיבוב, אינם תורמים משמעותית למגנטציה של האטום.
בחומרים diamagnetic המגנטציה המתקבלת היא אפס, שכן התרומות של הרגע המסלול הן של הרגע הסיבוב מבטלות. הראשון בגלל החוק של לנץ והשני, מכיוון שהאלקטרונים באורביטלים מוקמים בזוגות עם ספין מנוגד והקליפות מלאות במספר שווה של אלקטרונים.
מגנטיות בחומר
ההשפעה הדימגנטית מתעוררת כאשר מגנטציה מסלולית מושפעת משדה מגנטי חיצוני. המגנטציה המתקבלת כך נקראת M והיא וקטורית.
לא משנה לאן מכוון השדה, התגובה היהלומנית תמיד תהיה דוחה בזכות החוק של לנץ, הקובע כי הזרם המושרה מתנגד לכל שינוי בשטף המגנטי דרך הלולאה.
אבל אם החומר מכיל איזשהו מגנטציה קבועה, התגובה תהיה משיכה, כמו למשל פרמגנטיות ופרומגנטיות.
כדי לכמת את ההשפעות שתוארו, לשקול שדה מגנטי חיצוני H , להחיל על חומר איזוטרופי (תכונותיו זהים בכל נקודה במרחב), שבתוכה המגנטיזציה M מקורו . כפי מכך, בתוך שטף מגנטי שנוצר B , כתוצאה של האינטראקציה המתרחשת בין H ו M .
כל הכמויות הללו הן וקטוריות. B ו- M הם פרופורציונליים ל- H , בהיותם חדירות החומר μ והרגישות המגנטית χ, קבועי המידתיות המתאימים, המציינים מהי התגובה הספציפית של החומר להשפעה מגנטית חיצונית:
B = μ H
המגנטציה של החומר תהיה פרופורציונלית גם ל- H :
M = χ H
המשוואות לעיל תקפות במערכת cgs. גם B וגם H ו- M הם בעלי אותם מידות, אם כי יחידות שונות. עבור B משמש הגאוס במערכת זו ועבור H משמש המונע. הסיבה לעשות זאת היא לבדל את השדה המיושם חיצונית מהשדה שנוצר בתוך החומר.
במערכת הבינלאומית, שהיא זו הנפוצה, המשוואה הראשונה מקבלת מראה שונה במקצת:
B = μ או μ r H
μ o הוא החדירות המגנטית של חלל ריק השווה ל- 4π x 10-7 Tm / A (Teslameter / Ampere) ו- μ r הוא החדירות היחסית של המדיום בהתייחס לוואקום, שהוא חסר ממדים.
מבחינת הרגישות המגנטית χ, שהיא המאפיין המתאים ביותר לתיאור התכונות הדימגנטיות של חומר, משוואה זו נכתבת כך:
B = (1 + χ) μ או H
עם μ r = 1 + χ
במערכת הבינלאומית B מגיע טסלה (T), ואילו H מתבטא באמפר / מטר, יחידה שנחשבה בעבר לכינוי לנץ, אך שעד כה נותרה במונחים של יחידות יסוד.
באותם חומרים שבהם χ שלילי, הם נחשבים לדיגמנטיים. וזה פרמטר טוב לאפיין חומרים אלו, שכן χ בתוכם יכול להיחשב לערך קבוע ללא תלות בטמפרטורה. זה לא המקרה לחומרים שיש להם יותר תגובות מגנטיות.
בדרך כלל χ הוא בסדר גודל של -10 -6 עד -10 -5 . מוליכי-על מאופיינים בכך שיש χ = -1 ולכן השדה המגנטי הפנימי מבוטל לחלוטין (אפקט מייזנר).
אלה הם החומרים הדיגמנטיים המושלמים, שבהם הדיאמגנטיות מפסיקה להיות תגובה חלשה, והופכת לחזקה מספיק כדי לרחף חפצים, כמתואר בהתחלה.
יישומים: מגנט-אנצפלוגרפיה וטיפול במים
דברים חיים עשויים מים וחומר אורגני, שתגובתם למגנטיות בדרך כלל חלשה. עם זאת, דיאמגנטיות, כאמור, היא חלק מהותי של החומר, כולל חומר אורגני.
זרמים חשמליים קטנים מסתובבים בתוך בני אדם ובעלי חיים שללא ספק יוצרים אפקט מגנטי. ברגע זה ממש, בזמן שהקורא עוקב אחר המילים הללו בעיניים, זרמים חשמליים קטנים מסתובבים במוחו המאפשרים לו לגשת למידע ולפרש אותו.
ניתן לזהות את המגנטציה החלשה המתרחשת במוח. הטכניקה נקראת מגנטו-encephalography, אשר משתמשת גלאי שנקרא דיונונים (התקנים קוונטיים הפרעה מוליכי) כדי לזהות שדות מגנטיים קטנים מאוד, בסדר גודל של 10 -15 T.
SQUIDs מסוגלים לאתר מקורות לפעילות מוחית בדיוק רב. תוכנה אחראית על איסוף הנתונים שהושגו והפיכתם למפה מפורטת של פעילות המוח.
שדות מגנטיים חיצוניים יכולים להשפיע על המוח בדרך כלשהי. כמה? כמה מחקרים שנעשו לאחרונה הראו ששדה מגנטי אינטנסיבי למדי, בסביבות 1 T, מסוגל להשפיע על האונה הפריטית, ולהפריע לחלק מפעילות המוח לרגעים קצרים.
אחרים, לעומת זאת, בהם מתנדבים בילו 40 שעות בתוך מגנט המייצר עוצמה של 4 ט ', נותרו ללא סבל מהשפעות שליליות ניכרות. אוניברסיטת אוהיו לפחות, ציינה כי עד כה אין סיכון להישאר בתחומים של 8 ט '.
אורגניזמים מסוימים, כמו חיידקים, מסוגלים לשלב גבישים מגנטיטיים קטנים ולהשתמש בהם בכדי להתמצא בתוך השדה המגנטי של כדור הארץ. מגנטיט נמצא גם באורגניזמים מורכבים יותר כמו דבורים וציפורים, אשר ישתמשו בו לאותה מטרה.
האם יש מינרלים מגנטיים בגוף האדם? כן, מגנטיט נמצא במוח האנושי, למרות שאינו ידוע לאיזו מטרה הוא שם. אפשר לשער שזו מיומנות שהוצאה משימוש.
בנוגע לטיפול במים, זה מבוסס על העובדה כי משקעים הם בעצם חומרים דיאמנטיים. ניתן להשתמש בשדות מגנטיים חזקים להסרת משקעי סידן פחמתי, גבס, מלח וחומרים אחרים הגורמים לקשיות במים ומצטברים בצינורות ובמכולות.
זוהי מערכת עם יתרונות רבים לשמירה על הסביבה ושמירה על הצינורות במצב תקין למשך זמן רב ובעלות נמוכה.
הפניות
- אייזברג, ר '1978. פיסיקה קוונטית. לימוזה. 557 -577.
- צעיר, יו. 2016. פיזיקה באוניברסיטה של סירס-זמנסקי עם פיזיקה מודרנית. העיתון ה -14 פירסון. 942
- Zapata, F. (2003). מחקר של מינרלוגיות הקשורות לבארת השמן Guafita 8x השייכת לשדה Guafita (Apure State) באמצעות מדידות רגישות מגנטית וספקטרוסקופיה של Mossbauer. עבודת תואר. האוניברסיטה המרכזית של ונצואלה.