- Materials diamagnètics i la seva resposta
- Quin és l'origen de la resposta magnètica en la matèria?
- Magnetisme en la matèria
- Aplicacions: magneto-encefalografia i tractament d'aigües
- referències
El diamagnetisme és una de les respostes que té la matèria davant la presència d'un camp magnètic extern. Es caracteritza per ser contrària o oposada a aquest camp magnètic i usualment, llevat que sigui l'única resposta magnètica de l'material, la seva intensitat és la més feble de totes.
Quan l'efecte repulsiu és l'únic que un material presenta davant un imant, el material és considerat diamagnético. Si altres efectes magnètics predominen, depenent de quina sigui aquest, se li considerarà paramagnètic o ferromagnètic.
Un tros de bismut, material diamagnètic. Font: Pixabay.
Se li atribueix a Sebald Brugmans en 1778 la primera referència a la repulsió entre qualsevol dels pols d'un imant i un tros de material, particularment evident en elements com el bismut i l'antimoni.
Més tard, el 1845 Michael Faraday va estudiar amb més deteniment aquest efecte i va concloure que es tractava d'una propietat inherent a tota la matèria.
Materials diamagnètics i la seva resposta
El comportament magnètic de l'bismut i l'antimoni, i altres com l'or, el coure, l'heli i substàncies com l'aigua i la fusta, difereix moltíssim de la coneguda i poderosa atracció magnètica que els imants exerceixen sobre el ferro, el níquel o el cobalt.
Malgrat ser en general una resposta de baixa intensitat, davant d'un camp magnètic extern prou intens, qualsevol material diamagnètic, fins i tot matèria orgànica viva, és capaç d'experimentar una magnetització oposada molt notable.
Generant camps magnètics tan intensos com de 16 Tesla (ia un dels 1 Tesla és considerat bastant intens), els investigadors de l'Nijmegen High Field Magnet Laboratory d'Amsterdam a Holanda van aconseguir levitar magnèticament maduixes, pizzes i granotes en els anys noranta.
També és possible levitar un petit magneto entre els dits d'una persona, gràcies a l'diamagnetisme ia un camp magnètic prou intens. Per si sol, el camp magnètic exerceix una força magnètica capaç atreure amb força un petit imant i es pot intentar que aquesta força compensi el pes, però l'imam petit no roman molt estable que es digui.
Tot just experimenta un desplaçament mínim, la força exercida per l'imam gran l'atreu ràpidament. No obstant això quan els dits humans s'interposen entre els imants, l'imam petit s'estabilitza i levita entre el polze i l'índex de la persona. La màgia es deu a efecte de repulsió causat pel diamagnetisme dels dits.
Quin és l'origen de la resposta magnètica en la matèria?
L'origen de l'diamagnetisme, que és la resposta fonamental de qualsevol substància a l'acció d'un camp magnètic extern, jeu en el fet que lloa àtoms estan formats per partícules subatòmiques que posseeixen càrrega elèctrica.
Aquestes partícules no estan estàtiques i el seu moviment s'encarrega de produir camp magnètic. Per descomptat, la matèria està plena d'elles i sempre cal esperar algun tipus de resposta magnètica en qualsevol material, no només dels compostos de ferro.
L'electró és el principal responsable de les propietats magnètiques de la matèria. En un model molt simple, pot suposar-se que aquesta partícula orbita a l'nucli atòmic amb un moviment circular uniforme. Això és suficient perquè l'electró es comporti com una diminuta espira de corrent capaç de generar camp magnètic.
A la magnetització provinent d'aquest efecte se li denomina magnetització orbital. Però l'electró posseeix una contribució addicional a l'magnetisme de l'àtom: el moment angular intrínsec.
Una analogia per descriure l'origen de el moment angular intrínsec és suposar que l'electró posseeix un moviment de rotació al voltant del seu eix, propietat que rep el nom de spin.
A l'tractar-se d'un moviment i per ser una partícula carregada, l'espín contribueix també amb l'anomenada magnetització d'espín.
Les dues contribucions donen lloc a una magnetització neta o resultant, però la més important és precisament la que es deu a l'espín. Els protons en el nucli, tot i que posseeixen càrrega elèctrica i espí, no contribueixen significativament a la magnetització de l'àtom.
En els materials diamagnètics la magnetització resultant és nul·la, ja que les contribucions tant de moment orbital com les de el moment d'espín es cancel·len. La primera a causa de la llei de Lenz i la segona, pel fet que els electrons en els orbitals s'estableixen en parelles amb espín oposat i les capes s'omplen amb nombre parell d'electrons.
Magnetisme en la matèria
L'efecte diamagnètic sorgeix quan la magnetització orbital rep la influència d'un camp magnètic extern. La magnetització així obtinguda es denota M i és un vector.
Sense importar cap a on es dirigeixi el camp, la resposta diamagnética sempre serà repulsiva gràcies a la llei de Lenz, que afirma que el corrent induït s'oposa a qualsevol canvi en el flux magnètic que travessa l'espira.
Però si el material conté alguna classe de magnetització permanent, la resposta serà d'atracció, tal és el cas de l'paramagnetisme i el ferromagnetisme.
Per quantificar els efectes descrits, considerem un camp magnètic extern H, aplicat sobre un material isotròpic (les seves propietats són les mateixes en qualsevol punt de l'espai), dins el qual s'origina una magnetització M. Gràcies a això, al seu interior es crea una inducció magnètica B, com a resultat de la interacció que ocorre entre H i M.
Totes aquestes quantitats són vectorials. B i M són proporcionals a H, sent la permeabilitat de l'material μ i la susceptibilitat magnètica χ, les constants de proporcionalitat respectives, que indiquen quina és la particular resposta de la substància a la influència magnètica externa:
B = μ H
La magnetització de l'material també serà proporcional a H:
M = χ H
Les equacions anteriors són vàlides en sistema cgs. Tant B com H i M tenen les mateixes dimensions, encara que diferents unitats. Per B s'utilitza el gauss en aquest sistema i per H s'utilitza el oersted. El motiu per fer-ho així és diferenciar el camp aplicat externament de camp que es genera a l'interior de l'material.
En el Sistema Internacional, que és el comunament utilitzat, la primera equació adquireix una aparença una mica diferent:
B = μ o μ r H
μ o és la permeabilitat magnètica de l'espai buit que equival a 4π x 10-7 T / A (Tesla- metre / Ampere) i μ r és la permeabilitat relativa de l'mig en referència a el buit, que és adimensional.
En termes de la susceptibilitat magnètica χ, que és la característica més adequada per descriure les propietats diamagnètiques d'un material, aquesta equació s'escriu així:
B = (1 + χ) μ o H
Amb μ r = 1 + χ
En el Sistema Internacional B ve a Tesla (T), mentre que H és expressat en Ampere / metre, una unitat que un temps es va pensar a cridar Lenz, però que fins al moment s'ha deixat en termes de les unitats fonamentals.
En aquells materials en els quals χ és negativa, són considerats com diamagnètics. I es tracta d'un bon paràmetre per caracteritzar aquestes substàncies, ja que χ en ells es pot considerar un valor constant i independent de la temperatura. Això no és així en els materials que tenen més respostes magnètiques.
En general χ és de l'ordre de -10 -6 a -10 -5. Els superconductors es caracteritzen per tenir χ = -1 i per això el camp magnètic intern s'anul·la completament (efecte Meisner).
Són els materials diamagnètics perfectes, en els quals el diamagnetisme deixa de ser una resposta feble, i es torna prou intensa com per levitar objectes, tal com es va descriure a l'començament.
Aplicacions: magneto-encefalografia i tractament d'aigües
Els éssers vius estan fets d'aigua i matèria orgànica, la resposta a l'magnetisme és feble en general. No obstant això el diamagnetisme, tal com hem dit, forma part intrínseca de la matèria, incloent la orgànica.
A l'interior dels éssers humans i animals circulen petits corrents elèctriques que sens dubte creen efecte magnètic. En aquest mateix instant, mentre el lector segueix amb la mirada aquestes paraules, circulen petites corrents elèctrics en el seu cervell que li permeten accedir i interpretar la informació.
La feble magnetització que es produeix en el cervell és detectable. La tècnica es coneix com magneto-encefalografia, que utilitza detectors anomenats SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) per detectar camps magnètics molt petits, de l'ordre de 10 -15 T.
Els SQUIDs són capaços de localitzar fonts d'activitat cerebral amb enorme precisió. Un programari s'encarrega de recollir la data obtinguda i transformar-la en un mapa detallat de l'activitat cerebral.
Els camps magnètics externs poden afectar el cervell d'alguna manera. Quin tant? Algunes investigacions recents han posat de manifest que un camp magnètic prou d'intens, d'al voltant d'1 T és capaç d'afectar el lòbul parietal, interrompent a part de l'activitat cerebral per breus instants.
Altres en canvi, en les quals voluntaris han passat 40 hores dins d'un imant que produeix 4 T d'intensitat, han sortit sense patir efectes negatius observables. La Universitat d'Ohio a el menys, ha indicat que fins als moments no hi ha risc en romandre dins de camps de 8 T.
Alguns organismes com bacteris són capaços d'incorporar petits cristalls de magnetita i utilitzar-los per orientar-se dins de el camp magnètic de la Terra. Així mateix s'ha trobat magnetita en organismes més complexos com abelles i aus, els qui la farien servir amb la mateixa finalitat.
Hi ha minerals magnètics en l'organisme humà? Sí, s'ha trobat magnetita al cervell humà, si bé es desconeix amb quina finalitat hi és. Es podria especular que es tracta d'una habilitat en desús.
Pel que fa a el tractament de l'aigua, es basa en el fet que els sediments són bàsicament substàncies diamagnètiques. És possible emprar camps magnètics intensos i així remoure els sediments de carbonat de calci, guix, sal i altres substàncies que causen duresa a l'aigua i s'acumulen en les canonades i en els contenidors.
Es tracta d'un sistema amb molts avantatges per a conservar el medi ambient i mantenir les canonades en bon estat d'operativitat per molt temps ia baix cost.
referències
- Eisberg, R. 1978. Física Quàntica. Limusa. 557 -577.
- Young, Hugh. 2016. Sears-Zemansky 's University Physics with Modern Physics. 14th Ed. Pearson. 942
- Zapata, F. (2003). Estudi de mineralogías associades a el pou petrolier Guafita 8x pertanyent a el camp Guafita (Estat Apuri) mitjançant mesuraments de Susceptibilitat magnètica i Espectroscòpia Mossbauer. Treball Especial de Grau. Universitat Central de Veneçuela.