- Materiali diamagnetici e loro risposta
- Qual è l'origine della risposta magnetica nella materia?
- Magnetismo nella materia
- Applicazioni: magnetoencefalografia e trattamento delle acque
- Riferimenti
Il diamagnetismo è una delle risposte sia alla materia in presenza di un campo magnetico esterno. È caratterizzato dall'essere opposto o opposto a questo campo magnetico e di solito, a meno che non sia l'unica risposta magnetica del materiale, la sua intensità è la più debole di tutte.
Quando l'effetto repulsivo è l'unico che un materiale presenta a un magnete, il materiale è considerato diamagnetico. Se predominano altri effetti magnetici, a seconda di cosa si tratta, sarà considerato paramagnetico o ferromagnetico.
Un pezzo di bismuto, un materiale diamagnetico. Fonte: Pixabay.
Sebald Brugmans è accreditato nel 1778 con il primo riferimento alla repulsione tra uno qualsiasi dei poli di un magnete e un pezzo di materiale, particolarmente evidente in elementi come il bismuto e l'antimonio.
Più tardi, nel 1845 Michael Faraday studiò questo effetto più da vicino e concluse che era una proprietà intrinseca di tutta la materia.
Materiali diamagnetici e loro risposta
Il comportamento magnetico del bismuto e dell'antimonio, e di altri come l'oro, il rame, l'elio e le sostanze come l'acqua e il legno, differisce notevolmente dalla ben nota e potente attrazione magnetica che i magneti esercitano su ferro, nichel o cobalto.
Nonostante sia generalmente una risposta a bassa intensità, a fronte di un campo magnetico esterno sufficientemente intenso, qualsiasi materiale diamagnetico, anche la materia organica vivente, è in grado di sperimentare una magnetizzazione opposta molto notevole.
Generando campi magnetici fino a 16 Tesla (già 1 Tesla è considerato abbastanza forte), i ricercatori del Nijmegen High Field Magnet Laboratory di Amsterdam, nei Paesi Bassi, sono stati in grado di far levitare magneticamente fragole, pizze e rane negli anni '90.
È anche possibile far levitare un piccolo magnete tra le dita di una persona, grazie al diamagnetismo e ad un campo magnetico sufficientemente forte. Di per sé il campo magnetico esercita una forza magnetica in grado di attirare con forza un piccolo magnete e si può provare a far compensare questa forza con il peso, tuttavia il piccolo magnete non rimane molto stabile.
Non appena subisce uno spostamento minimo, la forza esercitata dal grande magnete lo attrae rapidamente. Tuttavia, quando le dita umane si trovano tra i magneti, il piccolo magnete si stabilizza e fa levitare tra il pollice e l'indice della persona. La magia è dovuta all'effetto repulsione provocato dal diamagnetismo delle dita.
Qual è l'origine della risposta magnetica nella materia?
L'origine del diamagnetismo, che è la risposta fondamentale di qualsiasi sostanza all'azione di un campo magnetico esterno, risiede nel fatto che gli atomi sono costituiti da particelle subatomiche che hanno una carica elettrica.
Queste particelle non sono statiche e il loro movimento è responsabile della produzione di un campo magnetico. Naturalmente, la materia ne è piena e puoi sempre aspettarti un qualche tipo di risposta magnetica in qualsiasi materiale, non solo nei composti di ferro.
L'elettrone è il principale responsabile delle proprietà magnetiche della materia. In un modello molto semplice, si può presumere che questa particella orbiti attorno al nucleo atomico con un movimento circolare uniforme. Questo è sufficiente perché l'elettrone si comporti come un minuscolo anello di corrente in grado di generare un campo magnetico.
La magnetizzazione da questo effetto è chiamata magnetizzazione orbitale . Ma l'elettrone ha un contributo aggiuntivo al magnetismo dell'atomo: il momento angolare intrinseco.
Un'analogia per descrivere l'origine del momento angolare intrinseco consiste nell'assumere che l'elettrone abbia un movimento rotatorio attorno al proprio asse, una proprietà chiamata spin.
Essendo un movimento ed essendo una particella carica, lo spin contribuisce anche alla cosiddetta magnetizzazione di spin .
Entrambi i contributi danno luogo ad una magnetizzazione netta o risultante, tuttavia il più importante è proprio quello dovuto allo spin. I protoni nel nucleo, pur avendo carica elettrica e spin, non contribuiscono in modo significativo alla magnetizzazione dell'atomo.
Nei materiali diamagnetici la magnetizzazione risultante è nulla, poiché i contributi sia del momento orbitale che di quelli del momento di spin si annullano. Il primo a causa della legge di Lenz e il secondo, perché gli elettroni negli orbitali sono stabiliti a coppie con spin opposto e i gusci sono riempiti con un numero pari di elettroni.
Magnetismo nella materia
L'effetto diamagnetico si verifica quando la magnetizzazione orbitale è influenzata da un campo magnetico esterno. La magnetizzazione così ottenuta è indicata con M ed è un vettore.
Indipendentemente da dove è diretto il campo, la risposta diamagnetica sarà sempre repulsiva grazie alla legge di Lenz, che afferma che la corrente indotta si oppone a qualsiasi variazione del flusso magnetico attraverso il loop.
Ma se il materiale contiene una sorta di magnetizzazione permanente, la risposta sarà l'attrazione, come nel caso del paramagnetismo e del ferromagnetismo.
Per quantificare gli effetti descritti, si consideri un campo magnetico esterno H , applicato su un materiale isotropo (le sue proprietà sono le stesse in qualsiasi punto dello spazio), entro il quale la magnetizzazione M origine . Come risultato, all'interno di un'induzione magnetica creata B , come risultato dell'interazione che avviene tra H e M .
Tutte queste quantità sono vettoriali. B e M sono proporzionali ad H , essendo la permeabilità del materiale μ e la suscettibilità magnetica χ, le rispettive costanti di proporzionalità, che indicano qual è la particolare risposta della sostanza all'influenza magnetica esterna:
B = μ H
La magnetizzazione del materiale sarà anche proporzionale ad H :
M = χ H
Le equazioni precedenti sono valide nel sistema cgs. Sia B che H e M hanno le stesse dimensioni, sebbene unità differenti. Per B si usa il gauss in questo sistema e per H si usa l'oersted. Il motivo per farlo è differenziare il campo applicato esternamente dal campo generato all'interno del materiale.
Nel Sistema Internazionale, che è quello comunemente usato, la prima equazione assume un aspetto un po 'diverso:
B = μ o μ r H
μ o è la permeabilità magnetica dello spazio vuoto che è equivalente a 4π x 10-7 Tm / A (Teslametro / Ampere) e μ r è la permeabilità relativa del mezzo in riferimento al vuoto, che è adimensionale.
In termini di suscettibilità magnetica χ, che è la caratteristica più adatta per descrivere le proprietà diamagnetiche di un materiale, questa equazione è scritta così:
B = (1 + χ) μ o H
Con μ r = 1 + χ
Nel Sistema Internazionale, B è espresso in Tesla (T), mentre H è espresso in Ampere / metro, unità che un tempo si pensava si chiamasse Lenz, ma che fino ad ora è stata lasciata in termini di unità fondamentali.
In quei materiali in cui χ è negativo, sono considerati diamagnetici. Ed è un buon parametro per caratterizzare queste sostanze, poiché χ in esse può essere considerato un valore costante indipendente dalla temperatura. Questo non è il caso dei materiali che hanno più risposte magnetiche.
Di solito χ è nell'ordine da -10-6 a -10-5 . I superconduttori sono caratterizzati dall'avere χ = -1 e quindi il campo magnetico interno è completamente cancellato (effetto Meisner).
Sono i materiali diamagnetici perfetti, in cui il diamagnetismo smette di essere una risposta debole e diventa abbastanza forte da far levitare gli oggetti, come descritto all'inizio.
Applicazioni: magnetoencefalografia e trattamento delle acque
Gli esseri viventi sono fatti di acqua e materia organica, la cui risposta al magnetismo è generalmente debole. Tuttavia, il diamagnetismo, come abbiamo detto, è una parte intrinseca della materia, compresa la materia organica.
All'interno dell'uomo e degli animali circolano piccole correnti elettriche che creano senza dubbio un effetto magnetico. In questo preciso momento, mentre il lettore segue queste parole con gli occhi, nel suo cervello circolano piccole correnti elettriche che gli permettono di accedere e interpretare le informazioni.
La debole magnetizzazione che si verifica nel cervello è rilevabile. La tecnica è nota come magnetoencefalografia, che utilizza rilevatori chiamati SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices) per rilevare campi magnetici molto piccoli, dell'ordine di 10-15 T.
Gli SQUID sono in grado di individuare le fonti di attività cerebrale con grande precisione. Un software è responsabile della raccolta dei dati ottenuti e della loro trasformazione in una mappa dettagliata dell'attività cerebrale.
I campi magnetici esterni possono influenzare in qualche modo il cervello. Quanto? Alcune ricerche recenti hanno dimostrato che un campo magnetico abbastanza intenso, intorno a 1 T, è in grado di interessare il lobo parietale, interrompendo per brevi istanti parte dell'attività cerebrale.
Altri invece, in cui i volontari hanno trascorso 40 ore all'interno di un magnete che produce 4 T di intensità, sono usciti senza subire effetti negativi osservabili. Almeno l'Università dell'Ohio ha indicato che finora non vi è alcun rischio nel rimanere entro campi di 8 T.
Alcuni organismi come i batteri sono in grado di incorporare piccoli cristalli di magnetite e utilizzarli per orientarsi all'interno del campo magnetico terrestre. La magnetite è stata trovata anche in organismi più complessi come le api e gli uccelli, che la userebbero per lo stesso scopo.
Ci sono minerali magnetici nel corpo umano? Sì, la magnetite è stata trovata nel cervello umano, sebbene non si sappia per quale scopo sia lì. Si potrebbe ipotizzare che questa sia un'abilità deprecata.
Per quanto riguarda il trattamento dell'acqua, si basa sul fatto che i sedimenti sono sostanzialmente sostanze diamagnetiche. Forti campi magnetici possono essere utilizzati per rimuovere sedimenti di carbonato di calcio, gesso, sale e altre sostanze che causano durezza nell'acqua e si accumulano in tubi e contenitori.
È un sistema con molti vantaggi per preservare l'ambiente e mantenere le tubazioni in buono stato di funzionamento per lungo tempo ea costi contenuti.
Riferimenti
- Eisberg, R. 1978. Quantum Physics. Limusa. 557-577.
- Giovane, Hugh. 2016. Sears-Zemansky's University Physics with Modern Physics. 14 ° Ed. Pearson. 942
- Zapata, F. (2003). Studio delle mineralogie associate al pozzo petrolifero Guafita 8x appartenente al giacimento Guafita (Stato Apure) mediante misure di Suscettibilità Magnetica e Spettroscopia di Mossbauer. Tesi di laurea. Università Centrale del Venezuela.