DIAMAGNETISME: BAHAN, APLIKASI, CONTOH - FISIK - 2024

The diamagnetisme adalah salah satu jawaban adalah materi di hadapan medan magnet luar. Ini dicirikan dengan berlawanan atau berlawanan dengan medan magnet ini dan biasanya, kecuali itu satu-satunya respons magnetis material, intensitasnya adalah yang paling lemah dari semuanya.

Ketika efek tolak adalah satu-satunya yang diberikan material ke magnet, material tersebut dianggap diamagnetik. Jika efek magnetis lain 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 ke tolakan antara salah satu kutub magnet dan sepotong material, terutama terbukti dalam unsur-unsur seperti bismut dan antimon.

Kemudian, pada tahun 1845 Michael Faraday mempelajari efek ini lebih dekat dan menyimpulkan bahwa ini adalah properti yang melekat pada semua materi.

Bahan diamagnetik dan responsnya

Perilaku magnetis bismut dan antimon, dan lain-lain seperti emas, tembaga, helium, dan zat seperti air dan kayu, sangat berbeda dari tarikan magnet kuat yang terkenal yang digunakan magnet pada besi, nikel, atau kobalt.

Meskipun umumnya merupakan respons intensitas rendah, dalam menghadapi medan magnet eksternal 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 mampu mengangkat stroberi, pizza, dan katak secara magnetis pada tahun 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 mengeluarkan gaya magnet yang mampu menarik magnet kecil dengan gaya dan Anda dapat mencoba membuat gaya ini mengimbangi beratnya, namun magnet kecil tidak tetap stabil.

Segera setelah ia mengalami perpindahan minimal, gaya yang diberikan oleh magnet besar menariknya dengan cepat. Namun, ketika jari manusia berada di antara magnet, magnet kecil itu menjadi stabil dan melayang di antara ibu jari dan telunjuk orang tersebut. Sihir itu disebabkan oleh efek tolakan yang disebabkan oleh diamagnetisme jari-jari itu.

Dari mana asal respons magnetik dalam materi?

Asal mula diamagnetisme, yang merupakan respons fundamental zat apa pun terhadap aksi medan magnet eksternal, terletak pada fakta bahwa atom terdiri dari partikel subatomik 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 magnetis dalam materi apa pun, bukan hanya senyawa besi.

Elektron terutama bertanggung jawab atas sifat magnet 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 lingkaran kecil arus 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 mengasumsikan bahwa elektron memiliki gerakan rotasi di sekitar porosnya, suatu sifat yang disebut spin.

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

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

Pada 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 di orbital dibentuk berpasangan dengan spin berlawanan dan kulitnya diisi dengan jumlah elektron genap.

Magnetisme dalam materi

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

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

Namun jika material tersebut mengandung semacam magnetisasi permanen maka responnya akan menjadi tarikan, seperti halnya paramagnetisme dan ferromagnetisme.

Untuk mengukur efek yang dijelaskan, pertimbangkan medan magnet luar H , yang diterapkan pada bahan isotropik (sifatnya sama pada titik mana pun di ruang), di mana magnetisasi M berasal . Sebagai hasilnya, di dalam induksi magnetik diciptakan B , sebagai hasil dari interaksi yang terjadi antara H dan M .

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

B = μ H.

Magnetisasi material juga akan sebanding dengan H :

M = χ H.

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

Dalam Sistem Internasional, 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 media yang mengacu pada ruang hampa, yang tidak berdimensi.

Dalam hal suseptibilitas magnet χ yang merupakan sifat yang paling sesuai untuk menggambarkan sifat diamagnetik suatu bahan, persamaan ini ditulis sebagai berikut:

B = (1 + χ) μ _atau H.

Dengan μ _r = 1 + χ

Dalam Sistem Internasional B hadir dalam Tesla (T), sedangkan H dinyatakan dalam Ampere / meter, sebuah satuan yang dulunya dianggap Lenz, namun hingga saat ini tetap tersisa dalam satuan dasar.

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

Biasanya χ ada di urutan -10 ^-6 hingga -10 ^-5 . Superkonduktor dicirikan dengan memiliki χ = -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 melayang benda, seperti yang dijelaskan di awal.

Aplikasi: magneto-encephalography 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 materi organik.

Arus listrik kecil beredar di dalam tubuh manusia dan hewan yang niscaya menciptakan efek magnetis. Pada saat ini, sementara pembaca mengikuti kata-kata ini dengan matanya, arus listrik kecil bersirkulasi 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 SQUID (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. Perangkat lunak bertanggung jawab untuk mengumpulkan data yang diperoleh dan mengubahnya menjadi peta rinci aktivitas otak.

Medan magnet eksternal dapat mempengaruhi otak dengan cara tertentu. Berapa banyak? Beberapa penelitian baru-baru ini menunjukkan bahwa medan magnet yang cukup kuat, sekitar 1 T, mampu mempengaruhi lobus parietal, mengganggu aktivitas otak selama beberapa saat.

Sebaliknya, para sukarelawan telah menghabiskan 40 jam di dalam magnet yang menghasilkan intensitas 4 T, telah pergi tanpa menderita efek negatif yang dapat diamati. University of Ohio setidaknya, telah menunjukkan bahwa sejauh ini tidak ada risiko untuk tinggal dalam bidang 8 T.

Beberapa organisme seperti bakteri dapat menggabungkan kristal kecil magnetit dan menggunakannya untuk menyesuaikan diri di 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 dalam otak manusia, meskipun tidak diketahui tujuannya untuk apa. Orang dapat berspekulasi bahwa ini adalah keterampilan yang tidak digunakan lagi.

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 terakumulasi dalam 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. Limusa. 557 -577.
2. Muda, Hugh. 2016. Fisika Universitas Sears-Zemansky dengan Fisika Modern. Edisi ke-14 Pearson. 942
3. Zapata, F. (2003). Studi mineralogi yang terkait dengan sumur minyak Guafita 8x milik lapangan Guafita (Negara Bagian Apure) menggunakan pengukuran Kerentanan Magnetik dan Spektroskopi Mossbauer. Gelar tesis. Universitas Pusat Venezuela.