Diamagnetisme: bahan, kegunaan, contoh

Diamagnetisme adalah salah satu jawaban yang memiliki masalah dengan adanya medan magnet luar. Hal ini ditandai dengan berlawanan atau menolak medan magnet ini dan biasanya, kecuali jika itu adalah satu-satunya respons magnetik material, intensitasnya adalah yang paling lemah dari semuanya.

Ketika efek tolak-menolak adalah satu-satunya yang diberikan suatu bahan ke magnet, bahan tersebut dianggap diamagnetik. Jika efek magnetik lainnya mendominasi, tergantung pada apa itu, itu akan dianggap paramagnetik atau feromagnetik.

Sepotong bismut, bahan diamagnetik. Sumber: Pixabay.

Sebald Brugmans dikreditkan pada tahun 1778 dengan referensi pertama untuk 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 yang melekat pada semua materi.

Bahan diamagnetik dan responsnya

Perilaku magnet bismut dan antimon, dan lainnya seperti emas, tembaga, helium, dan zat seperti air dan kayu, sangat berbeda dari daya tarik magnet kuat yang terkenal yang diberikan magnet pada besi, nikel, atau besi kobalt.

Meskipun umumnya merupakan respons intensitas rendah, dalam menghadapi medan magnet luar yang cukup kuat, bahan diamagnetik apa pun, bahkan bahan organik hidup, mampu mengalami magnetisasi berlawanan yang sangat luar biasa.

Dengan menghasilkan medan magnet sekuat 16 Tesla (sudah 1 Tesla dianggap cukup kuat), para peneliti di Nijmegen High Field Magnet Laboratory di Amsterdam di Belanda berhasil melayangkan stroberi, pizza, dan katak secara magnetis pada 1990-an.

Dimungkinkan juga untuk mengangkat 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 kekuatan dan Anda dapat mencoba untuk membuat gaya ini mengimbangi berat, namun magnet kecil tidak tetap sangat stabil.

Begitu mengalami perpindahan minimal, ia dengan cepat ditarik oleh gaya yang diberikan oleh magnet besar. Namun, ketika jari manusia berada di antara magnet, magnet kecil akan stabil dan melayang di antara ibu jari dan telunjuk orang tersebut. Keajaiban itu disebabkan oleh efek tolakan yang disebabkan oleh diamagnetisme jari-jari.

Apa asal mula respons magnetik dalam materi?

Asal usul diamagnetisme, yang merupakan respons mendasar dari zat apa pun terhadap aksi medan magnet eksternal, terletak pada kenyataan bahwa atom terdiri dari 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 materi apa pun, bukan hanya senyawa besi.

Elektron terutama bertanggung jawab atas sifat magnetik materi. Dalam cara yang sangat sederhana, partikel ini dapat diasumsikan mengorbit inti atom dengan gerakan melingkar beraturan. Ini cukup bagi elektron untuk berperilaku seperti loop arus kecil yang mampu menghasilkan medan magnet.

Magnetisasi dari efek ini disebut magnetisasi orbital . Tetapi elektron memiliki kontribusi tambahan terhadap magnetisme atom: momentum sudut intrinsik.

Sebuah analogi untuk menggambarkan asal mula momentum sudut intrinsik adalah dengan menganggap bahwa elektron memiliki gerakan rotasi di sekitar sumbunya, suatu sifat yang disebut spin.

Menjadi gerakan dan menjadi partikel bermuatan, putaran juga berkontribusi pada apa yang disebut magnetisasi putaran .

Kedua kontribusi menimbulkan magnetisasi bersih atau resultan, namun yang paling penting justru karena spin. Proton dalam inti, meskipun memiliki muatan listrik dan spin, tidak memberikan kontribusi yang signifikan terhadap magnetisasi atom.

Dalam bahan diamagnetik, magnetisasi yang dihasilkan adalah nol, karena kontribusi momen orbital dan momen spin saling meniadakan. Yang pertama karena hukum Lenz dan yang kedua, karena elektron dalam orbital disusun berpasangan dengan spin yang berlawanan dan kulitnya diisi dengan jumlah elektron yang genap.

Kemagnetan dalam materi

Efek diamagnetik muncul ketika magnetisasi orbital dipengaruhi oleh medan magnet luar. Magnetisasi yang diperoleh dilambangkan dengan M dan merupakan vektor.

Terlepas dari mana medan diarahkan, respons diamagnetik akan selalu tolak-menolak berkat hukum Lenz, yang menyatakan bahwa arus induksi menentang setiap perubahan fluks magnet melalui loop.

Tetapi jika bahan tersebut mengandung semacam magnetisasi permanen, responsnya adalah gaya tarik, seperti kasus paramagnetisme dan feromagnetisme.

Untuk mengukur efek yang dijelaskan, pertimbangkan medan magnet eksternal H , diterapkan pada bahan isotropik (sifatnya sama pada setiap titik di ruang angkasa), di mana magnetisasi M berasal . Akibatnya, di dalam induksi magnet dibuat B , sebagai akibat dari interaksi yang terjadi antara H dan M .

Semua besaran ini adalah vektor. B dan M sebanding dengan H , menjadi permeabilitas bahan dan kerentanan magnetik, konstanta proporsionalitas masing-masing, yang menunjukkan apa respons khusus zat terhadap pengaruh magnet eksternal:

B = H

Magnetisasi bahan juga akan sebanding dengan H :

M = H

Persamaan di atas berlaku dalam sistem cgs. Baik B maupun H dan M memiliki dimensi yang sama, meski berbeda satuan. Untuk B gauss digunakan dalam sistem ini dan untuk H oersted digunakan. Alasan untuk melakukan ini adalah untuk membedakan bidang yang diterapkan secara eksternal dari bidang yang dihasilkan di dalam materi.

Dalam Sistem Internasional, yang merupakan salah satu yang umum digunakan, persamaan pertama memiliki tampilan yang agak berbeda:

B = μ atau μ r H

μ o adalah permeabilitas magnetik ruang kosong yang setara dengan 4π x 10-7 Tm / A (Teslameter / Ampere) dan μ r adalah permeabilitas relatif dari media dalam referensi untuk vakum, yang berdimensi.

Dalam hal kerentanan magnetik, yang merupakan ciri-ciri yang paling cocok untuk menggambarkan sifat diamagnetik suatu bahan, persamaan ini ditulis seperti ini:

B = (1 + ) atau H

Dengan r = 1 +

Dalam Sistem Internasional, B datang dalam Tesla (T), sedangkan H dinyatakan dalam Ampere / meter, satuan yang pernah dianggap sebagai Lenz, tetapi sampai sekarang masih tersisa dalam satuan dasar.

Dalam bahan-bahan di mana negatif, mereka dianggap sebagai diamagnetik. Dan merupakan parameter yang baik untuk mengkarakterisasi zat-zat ini, karena di dalamnya dapat dianggap sebagai nilai konstan yang tidak bergantung pada suhu. Ini tidak berlaku untuk bahan yang memiliki respons lebih magnetis.

Biasanya berada pada urutan -10 -6 hingga -10 -5 . Superkonduktor dicirikan dengan memiliki = -1 dan oleh karena itu medan magnet internal sepenuhnya dibatalkan (efek Meisner).

Mereka adalah bahan diamagnetik yang sempurna, di mana diamagnetisme berhenti menjadi respons yang lemah, dan menjadi cukup kuat untuk mengangkat benda, seperti yang dijelaskan di awal.

Kegunaan: magnetik-ensefalografi dan pengolahan air

Makhluk hidup terbuat dari air dan bahan organik, yang responsnya terhadap magnet umumnya lemah. Namun, diamagnetisme, seperti yang telah kita katakan, adalah bagian intrinsik dari materi, termasuk materi organik.

Arus listrik kecil berperedaran di dalam tubuh manusia dan hewan yang tidak diragukan lagi menciptakan efek magnetis. Pada saat ini, sementara pembaca mengikuti kata-kata ini dengan matanya, arus listrik kecil beredar di otaknya yang memungkinkan dia untuk mengakses dan menafsirkan informasi.

Magnetisasi lemah yang terjadi di otak dapat dideteksi. Teknik ini dikenal sebagai magneto-encephalography , yang menggunakan detektor yang disebut SQUIDs ( Superconducting Quantum Interference Devices ) untuk mendeteksi medan magnet yang sangat kecil, pada urutan 10 -15 T.

SQUID mampu menemukan sumber aktivitas otak dengan sangat presisi. Sebuah perangkat lunak bertanggung jawab untuk mengumpulkan data yang diperoleh dan mengubahnya menjadi peta rinci aktivitas otak.

Medan magnet eksternal dapat mempengaruhi otak dalam beberapa cara. Berapa banyak? Beberapa penelitian terbaru menunjukkan bahwa medan magnet yang cukup kuat, sekitar 1 T, mampu mempengaruhi lobus parietal , mengganggu sebagian aktivitas otak untuk beberapa saat.

Lainnya, 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 menunjukkan bahwa sejauh ini tidak ada risiko untuk tetap berada dalam bidang 8 T.

Beberapa organisme seperti bakteri mampu menggabungkan kristal magnetit kecil dan menggunakannya untuk menyesuaikan diri dalam medan magnet bumi. Magnetit juga 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 itu ada. Orang bisa berspekulasi bahwa ini adalah keterampilan yang sudah usang.

Mengenai pengolahan air, didasarkan pada fakta bahwa sedimen pada dasarnya adalah zat diamagnetik. Medan magnet yang kuat dapat digunakan untuk menghilangkan sedimen kalsium karbonat, gipsum, garam dan zat lain yang menyebabkan kesadahan dalam air dan menumpuk di pipa dan wadah.

Ini adalah sistem dengan banyak keuntungan untuk melestarikan lingkungan dan menjaga pipa agar berfungsi dengan baik untuk waktu yang lama dan dengan biaya rendah.

Referensi

  1. Eisberg, R. 1978. Fisika Kuantum. Limus. 557 -577.
  2. Muda, Hu. 2016. Fisika Universitas Sears-Zemansky dengan Fisika Modern. Edisi 14. Pearson. 942
  3. Zapata, F. (2003). Kajian mineralogi yang terkait dengan sumur minyak Guafita 8x milik lapangan Guafita (Apure State) melalui pengukuran Susceptibility Magnetik dan Spektroskopi Mossbauer . Tesis gelar. Universitas Pusat Venezuela.

Fisika modern – apa yang dipelajari juga cabangnya
Tegangan normal: terdiri dari apa, bagaimana cara menghitungnya, contoh
Permitivitas listrik – apa itu, rumus, percobaan
Kalor sensibel: konsep, rumus, dan latihan yang diselesaikan