Ιδιότητες Διαμαγνητικών Υλικών

Οι μαγνητικές δυνάμεις των ηλεκτρονίων ενός υλικού θα αλλάξουν όταν τεθούν σε ένα μαγνητικό πεδίο. Ο νόμος του Faraday για τη μαγνητική επαγωγή περιγράφει αυτό το φαινόμενο. Οι μαγνητικές ιδιότητες καθορίζουν πώς αποκρίνεται σε μια εξωτερική μαγνητική δύναμη.

Τα υλικά ταξινομούνται σε τρεις τύπους ανάλογα με την απόκρισή τους στα εξωτερικά εφαρμοζόμενα μαγνητικά πεδία:διαμαγνητικά, παραμαγνητικά ή σιδηρομαγνητικά πεδία. Τα άτομα υλικών που παρουσιάζουν διαμαγνητική συμπεριφορά δεν έχουν μόνιμη μαγνητική διπολική ροπή.

Όταν ένα διαμαγνητικό υλικό εισάγεται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, προκαλείται μια ασθενής και λεπτή μαγνητική διπολική ροπή προς την κατεύθυνση του εφαρμοζόμενου πεδίου. Χωρίς την εφαρμογή μαγνητικού πεδίου, τα διαμαγνητικά υλικά δεν έχουν καθαρή μαγνητική ροπή (Η). Η περιστροφική κίνηση των ηλεκτρονίων και οι αλληλεπιδράσεις τους μεταξύ τους είναι οι απαρχές του μαγνητισμού.

Όταν το διαμαγνητικό υλικό υποβάλλεται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, τα περιστρεφόμενα ηλεκτρόνια υφίστανται μια κίνηση που παράγει ηλεκτρικό ρεύμα, με αποτέλεσμα τη μαγνήτιση προς την αντίθετη κατεύθυνση από το μαγνητικό πεδίο.

Όταν ένα ηλεκτρόνιο σε μια ατομική τροχιά κινείται μέσα από ένα μαγνητικό πεδίο, η δύναμη που ασκείται στο ηλεκτρόνιο προκαλεί μια ελαφρά μετατόπιση στην τροχιακή κίνηση. η τροχιά του ηλεκτρονίου διεργάζεται γύρω από την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου. Οι ιδιότητες των διαμαγνητικών υλικών ποικίλλουν στη φύση.

Ποιοι είναι οι διαφορετικοί τύποι μαγνητικών ιδιοτήτων;

Οι μαγνητικές ιδιότητες που κατέχουν τα άτομα και τα ιόντα ενός υλικού είναι υπεύθυνες για τις μαγνητικές ιδιότητες που δείχνει το υλικό. Η περιστροφή των ατόμων γύρω από τον πυρήνα του ατόμου και το σπιν των ηλεκτρονίων στον άξονά τους προκαλεί τις μαγνητικές ιδιότητες των υλικών. Τα υλικά ταξινομούνται σε πέντε τύπους ανάλογα με τις μαγνητικές τους ιδιότητες. Περιλαμβάνουν:

1. Παραμαγνητικό- Το μαγνητικό πεδίο μαγνητίζει τουλάχιστον ένα ζεύγος ασύζευκτων ηλεκτρονίων στο περίβλημα της τροχιάς του, προκαλώντας παραμαγνητισμό.
2. Διαμαγνητικός – Ο διαμαγνητισμός είναι επαγόμενος μαγνητισμός που εμφανίζεται όταν τα υλικά υποβάλλονται σε υψηλό μαγνητικό πεδίο.
3. Σιδηρομαγνητική- Όταν οι μαγνητικές ροπές ευθυγραμμίζονται και προς τις δύο κατευθύνσεις (παράλληλες και αντιπαράλληλες), αλλά σε ανομοιόμορφες ποσότητες, σχηματίζονται σιδηρομαγνητικές ουσίες.
4. Αντισιδηρομαγνητικός- Ο αντισιδηρομαγνητισμός είναι ο μαγνητισμός στον οποίο οι μαγνητικές ροπές των γειτονικών ατόμων ευθυγραμμίζονται αντιπαράλληλα.
5. Σιδηρομαγνητική- Οι μαγνητικές ροπές περιοχών σε σιδηρομαγνητικές ουσίες είναι ευθυγραμμισμένες σε άνισες ποσότητες σε παράλληλες και αντιπαράλληλες κατευθύνσεις.

Τι προκαλεί τον Διαμαγνητισμό;

Η τροχιακή κίνηση των ηλεκτρονίων παράγει μαγνητικά πεδία δημιουργώντας βρόχους ατομικού ρεύματος. Όταν ένα υλικό που δείχνει τη διαμαγνητική ιδιότητα υποβάλλεται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, οι περιστροφές του ρεύματος θα τείνουν να διατάσσονται ώστε να δρουν αντίθετα από το εφαρμοζόμενο πεδίο.

Στον διαμαγνητισμό, τα ηλεκτρόνια μέσα σε ένα υλικό ανταποκρίνονται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο περιστρέφοντας γρήγορα, δημιουργώντας μαγνητικές δυνάμεις που αντιτίθενται στο εξωτερικό πεδίο. Όλα τα υλικά είναι διαμαγνητικά σε κάποιο βαθμό αφού όλα τα άτομα περιέχουν ηλεκτρόνια. Ωστόσο, εάν υπάρχει διαμαγνητισμός, οι μεγαλύτερες δυνάμεις του παραμαγνητισμού ή του σιδηρομαγνητισμού θα τον ξεπεράσουν γρήγορα. Όλα αυτά μαζί είναι υπεύθυνα για τις διαφορετικές ιδιότητες του διαμαγνητισμού.

Ιδιότητες Διαμαγνητικών Υλικών

Ευαισθησία

Όταν μια ουσία μπαίνει σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, η ευαισθησία της μετρά πόσο μαγνητίζεται.

Η μαγνητική επιδεκτικότητα ενός υλικού συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα chi (χ).

Εκφράζεται ως το μέγεθος της εσωτερικής πόλωσης (J) διαιρούμενο με την ισχύ του εξωτερικού πεδίου (B0): 

χ =J / B0

Τα διαμαγνητικά υλικά αντιστέκονται στο μαγνητικό πεδίο. ως εκ τούτου η μαγνητική επιδεκτικότητα είναι αρνητική για τα διαμαγνητικά υλικά. Το σπιν σε μια διαμαγνητική ουσία ευθυγραμμίζεται προς την αντίθετη κατεύθυνση του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου. Η τιμή της ευαισθησίας δεν εξαρτάται από τη θερμοκρασία.

Διαπερατότητα διαμαγνητικών ουσιών

Η ικανότητα των διαμαγνητικών υλικών να απορρίπτουν τις γραμμές δύναμης είναι γνωστή ως διαπερατότητα (λόγω της δομής του διαμαγνητικού υλικού). Απορρίπτουν τις γραμμές δύναμης και εμποδίζουν τις μαγνητικές γραμμές δύναμης να τις περάσουν. Ως αποτέλεσμα, το 1 για διαμαγνητικά υλικά.

Ο λόγος της εσωτερικής μαγνήτισης προς το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο μετριέται με μαγνητική διαπερατότητα.

Όταν το διαμαγνητικό υλικό τοποθετείται σε ένα μαγνητικό πεδίο, οι γραμμές μαγνητικής δύναμης προτιμούν να μην το περνούν σαν η διαμαγνητική ουσία να εκτινάσσεται γραμμές μαγνητικού πεδίου. Ως αποτέλεσμα, οι γραμμές μαγνητικού πεδίου του δείγματος μειώνονται σε μικρότερη τιμή.

Σημεία που πρέπει να θυμάστε στα Διαμαγνητικά υλικά

• Σε ένα μη ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο, τα διαμαγνητικά υλικά μετατοπίζονται από ισχυρή ένταση σε ασθενέστερη θέση. Αυτό υποδηλώνει ότι το μαγνητικό πεδίο τα απωθεί ασθενώς.
• Στα κυμαινόμενα μαγνητικά πεδία, οποιοσδήποτε αγωγός θα έχει υψηλή διαμαγνητική επίδραση, επειδή θα δημιουργηθούν ρεύματα κυκλοφορίας στον αγωγό από τις διακυμάνσεις στο μαγνητικό πεδίο. Επειδή δεν υπάρχει αντίσταση στο σχηματισμό βρόχων ρεύματος σε έναν υπεραγωγό, θα είναι ένας τέλειος διαμαγνήτης.
• Μια άλλη ιδιότητα των διαμαγνητικών υλικών είναι ότι επειδή το πεδίο είναι ισχυρότερο στα άκρα, μια ράβδος διαμαγνητικού υλικού αιωρείται σε ένα ομοιογενές μαγνητικό πεδίο με το μήκος του να είναι ρυθμισμένο κατά 90 μοίρες ως προς την κατεύθυνση του πεδίου.
• Τα διαμαγνητικά υλικά δεν έχουν ατομικά δίπολα επειδή η προκύπτουσα μαγνητική ροπή κάθε ατόμου είναι μηδέν λόγω των ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων.
• Στο διαμαγνητισμό, η μαγνητική ροπή ανά μονάδα μάζας σε ένα δεδομένο πεδίο παραμένει σταθερή για μια συγκεκριμένη ουσία σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών.
• Όταν τα διαμαγνητικά υλικά τοποθετούνται σε ένα μη ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο, μετατοπίζονται από τις ισχυρότερες στις ασθενέστερες περιοχές του πεδίου.
• Ο μόλυβδος, ο άνθρακας και το βισμούθιο είναι μερικά παραδείγματα διαμαγνητικών υλικών.

Συμπέρασμα

Τα μαγνητικά πεδία έχουν ασθενή και αρνητική ευαισθησία στα διαμαγνητικά υλικά. Όταν εφαρμόζεται μαγνητικό πεδίο, τα διαμαγνητικά υλικά απωθούνται κάπως και χάνουν τις μαγνητικές τους ιδιότητες όταν το πεδίο αποσύρεται. Τα διαμαγνητικά υλικά αποτελούνται από άτομα χωρίς καθαρές μαγνητικές ροπές. Μόνο εάν δεν υπάρχουν άλλα μαγνητικά φαινόμενα, όπως ο σιδηρομαγνητισμός, του οποίου η επιδεκτικότητα είναι σημαντικά υψηλότερη στις περισσότερες περιπτώσεις, η διαμαγνητική απόκριση ενός υλικού συμβάλλει στη μαγνήτισή του. Ο διαμαγνητισμός υπάρχει σε όλα τα υλικά. Είναι ανεξάρτητο από τη θερμοκρασία και συχνά αγνοείται, καθώς είναι τόσο μικρό σε σύγκριση με τα σιδηρομαγνητικά και παραμαγνητιστικά αποτελέσματα.