Diamagnetisme: bahan diamagnetik, aplikasi, dan contoh
Diamagnetisme adalah salah satu jawaban yang dimiliki materi di hadapan medan magnet luar. Ditandai sebagai berlawanan atau berlawanan dengan medan magnet ini dan biasanya, kecuali jika itu adalah satu-satunya respons magnetik material, intensitasnya adalah yang terlemah dari semuanya.
Ketika efek menjijikkan adalah satu-satunya yang disajikan bahan sebelum magnet, bahan dianggap diamagnetik. Jika efek magnetik lain mendominasi, tergantung pada apa itu, itu akan dianggap paramagnetik atau feromagnetik.
Hal ini dikaitkan dengan Sebald Brugmans pada tahun 1778 referensi pertama tentang tolakan antara salah satu kutub magnet dan sepotong bahan, terutama terbukti dalam unsur-unsur seperti bismut dan antimon.
Kemudian, pada tahun 1845 Michael Faraday mempelajari efek ini lebih dekat dan menyimpulkan bahwa itu adalah sifat bawaan dari semua materi.
Bahan diamagnetik dan responsnya
Perilaku magnetik bismut dan antimon, dan lain-lain seperti emas, tembaga, helium, dan zat-zat seperti air dan kayu, sangat berbeda dari tarikan magnet yang diketahui dan kuat yang dikerahkan magnet pada besi, nikel atau besi. kobalt
Meskipun umumnya respons intensitas rendah, sebelum medan magnet luar cukup kuat, bahan diamagnetik apa pun, bahkan bahan organik yang hidup, mampu mengalami magnetisasi berlawanan yang sangat mencolok.
Menghasilkan medan magnet sekuat 16 Tesla (dan salah satu dari 1 Tesla dianggap cukup kuat), para peneliti di Laboratorium Magnet Medan Tinggi Nijmegen di Amsterdam di Belanda berhasil melayang stroberi, pizza, dan katak secara magnetis pada tahun sembilan puluhan.
Dimungkinkan juga untuk melayang magnet kecil di antara jari-jari seseorang, berkat diamagnetisme dan medan magnet yang cukup kuat. Dengan sendirinya, medan magnet memberikan gaya magnet yang mampu menarik magnet kecil dengan kuat dan dapat dicoba bahwa gaya ini mengkompensasi berat, namun magnet kecil tidak tetap sangat stabil seperti yang dikatakan.
Begitu dia mengalami perpindahan minimal, gaya yang diberikan magnet besar menariknya dengan cepat. Namun ketika jari-jari manusia disisipkan di antara magnet, magnet kecil menstabilkan dan melayang di antara ibu jari dan jari telunjuk seseorang. Keajaiban ini disebabkan oleh efek tolakan yang disebabkan oleh diamagnetisme jari.
Apa asal mula respons magnetik dalam materi?
Asal usul diamagnetisme, yang merupakan respons mendasar dari setiap zat terhadap aksi medan magnet luar, terletak pada fakta bahwa atom-atom dibentuk oleh partikel-partikel subatom yang memiliki muatan listrik.
Partikel-partikel ini tidak statis dan gerakannya bertanggung jawab untuk menghasilkan medan magnet. Tentu saja, materi penuh dengan mereka dan Anda selalu dapat mengharapkan semacam respons magnetik dalam material apa pun, bukan hanya senyawa besi.
Elektron terutama bertanggung jawab atas sifat magnetik materi. Dalam model yang sangat sederhana, dapat diasumsikan bahwa partikel ini mengorbit inti atom dengan gerakan melingkar yang seragam. Ini cukup bagi elektron untuk berperilaku seperti loop arus kecil yang mampu menghasilkan medan magnet.
Magnetisasi yang berasal dari efek ini disebut magnetisasi orbital . Tetapi elektron memiliki kontribusi tambahan pada magnetisme atom: momentum sudut intrinsik.
Sebuah analogi untuk menggambarkan asal dari momentum sudut intrinsik adalah dengan menganggap bahwa elektron memiliki gerakan rotasi di sekitar porosnya, properti yang menerima nama putaran.
Menjadi gerakan dan menjadi partikel bermuatan, putaran juga berkontribusi dengan magnetisasi putaran yang disebut.
Kedua kontribusi menimbulkan magnetisasi bersih atau resultan, namun yang paling penting justru karena putaran. Proton dalam nukleus, walaupun memiliki muatan dan putaran listrik, tidak berkontribusi secara signifikan terhadap magnetisasi atom.
Dalam bahan diamagnetik, magnetisasi yang dihasilkan adalah nol, karena kontribusi momen orbital dan momen putaran dibatalkan. Yang pertama karena hukum Lenz dan yang kedua, karena elektron dalam orbital terbentuk berpasangan dengan putaran berlawanan dan lapisannya diisi dengan jumlah elektron genap.
Magnet dalam materi
Efek diamagnetik muncul ketika magnetisasi orbital dipengaruhi oleh medan magnet luar. Magnetisasi yang diperoleh dinotasikan M dan merupakan vektor.
Terlepas dari kemana arah medan, respons diamagnetik akan selalu menjijikkan berkat hukum Lenz, yang menyatakan bahwa arus induksi menentang setiap perubahan fluks magnet melalui loop.
Tetapi jika bahan mengandung semacam magnetisasi permanen, responsnya akan menarik, seperti halnya paramagnetisme dan feromagnetisme.
Untuk mengukur efek yang dijelaskan, pertimbangkan medan magnet eksternal H, yang diterapkan pada bahan isotropik (sifat-sifatnya sama di titik mana pun di ruang angkasa), tempat asal magnetisasi M. Berkat ini, di dalamnya tercipta induksi magnetik B, sebagai hasil interaksi yang terjadi antara H dan M.
Semua jumlah ini adalah vektor. B dan M proporsional dengan H, dengan permeabilitas bahan μ dan kerentanan magnetik const, masing-masing konstanta proporsionalitas, yang menunjukkan apa tanggapan khusus zat terhadap pengaruh magnet eksternal:
B = μ H
Magnetisasi material juga akan sebanding dengan H :
M = χ H
Persamaan di atas berlaku dalam sistem cgs. Baik B dan H dan M memiliki dimensi yang sama, meskipun unit berbeda. Untuk B gauss digunakan dalam sistem ini dan untuk H oersted digunakan. Alasan untuk melakukannya adalah untuk membedakan bidang yang diterapkan secara eksternal dari bidang yang dihasilkan di dalam materi.
Dalam Sistem Internasional, yang merupakan yang biasa digunakan, persamaan pertama memperoleh penampilan yang agak berbeda:
B = μ atau μ r H
μ atau adalah permeabilitas magnetik ruang kosong yang setara dengan 4π x 10-7 Tm / A (Tesla-meter / Ampere) dan μ r adalah permeabilitas relatif medium yang mengacu pada ruang hampa, yang tidak berdimensi.
Dalam hal kerentanan magnetik χ, yang merupakan karakteristik paling cocok untuk menggambarkan sifat diamagnetik suatu material, persamaan ini ditulis seperti ini:
B = (1 + χ) μ atau H
Dengan μ r = 1 + χ
Dalam Sistem Internasional B hadir dalam Tesla (T), sementara H dinyatakan dalam Ampere / meter, unit yang dianggap bernama Lenz, tetapi telah ditinggalkan dalam hal unit mendasar.
Dalam materi yang χ negatif, mereka dianggap diamagnetik. Dan itu adalah parameter yang baik untuk mengkarakterisasi zat-zat ini, karena χ di dalamnya nilai konstan yang bebas dari suhu dapat dipertimbangkan. Ini tidak terjadi pada bahan yang memiliki lebih banyak respons magnetik.
Secara umum, χ adalah dari -10-6 hingga -10-5. Superkonduktor ditandai dengan memiliki χ = -1 dan oleh karena itu medan magnet internal sepenuhnya dibatalkan (efek Meisner).
Mereka adalah bahan diamagnetik sempurna, di mana diamagnetisme berhenti menjadi respons yang lemah, dan menjadi cukup kuat untuk melayang benda, seperti yang dijelaskan di awal.
Aplikasi: magneto-ensefalografi dan pengolahan air
Makhluk hidup terbuat dari air dan bahan organik, yang responsnya terhadap magnet umumnya lemah. Namun, diamagnetisme, seperti yang telah kami katakan, adalah bagian intrinsik dari materi, termasuk organik.
Arus listrik kecil bersirkulasi di dalam manusia dan hewan yang tidak diragukan lagi menciptakan efek magnetik. Pada saat ini, ketika pembaca mengikuti kata-kata ini, arus listrik kecil bersirkulasi di otaknya yang memungkinkannya mengakses dan menafsirkan informasi.
Magnetisasi lemah yang terjadi di otak dapat dideteksi. Teknik ini dikenal sebagai magneto-ensefalografi, yang menggunakan detektor yang disebut SQUIDs ( Superconducting Quantum Interference Devices ) untuk mendeteksi medan magnet yang sangat kecil, pada urutan 10-15 T.
SQUID dapat menemukan sumber aktivitas otak dengan presisi tinggi. Sebuah perangkat lunak bertanggung jawab untuk mengumpulkan data yang diperoleh dan mengubahnya menjadi peta aktivitas otak yang terperinci.
Medan magnet luar dapat memengaruhi otak dengan beberapa cara. Berapa banyak Beberapa penelitian baru-baru ini menunjukkan bahwa medan magnet yang cukup intens sekitar 1 T mampu mempengaruhi lobus parietal, mengganggu bagian dari aktivitas otak untuk saat-saat singkat.
Yang lain, di sisi lain, di mana sukarelawan telah menghabiskan 40 jam di dalam magnet yang menghasilkan 4 T intensitas, telah pergi tanpa menderita efek negatif yang dapat diamati. University of Ohio setidaknya telah mengindikasikan bahwa sampai sekarang tidak ada risiko untuk tetap dalam 8 bidang T.
Beberapa organisme seperti bakteri dapat menggabungkan kristal magnetit kecil dan menggunakannya untuk mengarahkan diri dalam medan magnet bumi. Demikian juga, magnetit telah ditemukan pada organisme yang lebih kompleks seperti lebah dan burung, yang akan menggunakannya untuk tujuan yang sama.
Apakah ada mineral magnetik dalam tubuh manusia? Ya, magnetit telah ditemukan di otak manusia, meskipun tidak diketahui untuk tujuan apa ia ada. Bisa berspekulasi bahwa itu adalah keterampilan yang tidak digunakan.
Adapun pengolahan air, didasarkan pada kenyataan bahwa sedimen pada dasarnya adalah zat diamagnetik. Dimungkinkan untuk menggunakan medan magnet yang kuat dan dengan demikian menghilangkan sedimen kalsium karbonat, gipsum, garam dan zat lain yang menyebabkan kekerasan dalam air dan menumpuk di pipa dan wadah.
Ini adalah sistem dengan banyak keuntungan untuk melestarikan lingkungan dan menjaga pipa dalam kondisi kerja yang baik untuk waktu yang lama dan dengan biaya rendah.
