Μαγνητική επιδεκτικότητα

Εισαγωγή

Ένα εφαρμοσμένο μαγνητικό πεδίο μπορεί να προκαλέσειμαγνητική επιδεκτικότητα (Λατινικά:susceptibles, «δεκτικός»· υποδεικνύεται) σε υλικά. Με άλλα λόγια, είναι ο λόγος της έντασης του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου H προς τη μαγνήτιση M (μαγνητική ροπή ανά μονάδα όγκου). Οι αποκρίσεις των περισσότερων υλικών σε ένα εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες:παραμαγνητισμός, όπου το μαγνητικό πεδίο ευθυγραμμίζεται με το υλικό και διαμαγνητισμός, όπου το μαγνητικό πεδίο δεν ευθυγραμμίζεται καθόλου με το υλικό. Σε ένα μαγνητικό πεδίο, η μαγνητική επιδεκτικότητα ενός υλικού καθορίζει εάν έλκεται ή όχι προς ή μακριά από το μαγνητικό πεδίο. Ένα μεγαλύτερο μαγνητικό πεδίο έλκει παραμαγνητικά υλικά, τα οποία ευθυγραμμίζονται με το εφαρμοζόμενο πεδίο. Ελλείψει μαγνητικού πεδίου, τα διαμαγνητικά υλικά τείνουν να απομακρύνονται μεταξύ τους και σε περιοχές με χαμηλότερα πεδία. Ο παραμαγνητισμός ή ο διαμαγνητισμός εμφανίζεται όταν η εγγενής μαγνήτιση του υλικού δημιουργεί ένα πρόσθετο μαγνητικό πεδίο πάνω από το επιβαλλόμενο. Είναι δυνατόν να αποκτήσουμε γνώσεις για τη δομή των υλικών μετρώντας ποσοτικά τη μαγνητική τους επιδεκτικότητα. Αυτό παρέχει πληροφορίες για τα επίπεδα σύνδεσης και ενέργειας. Για παλαιομαγνητικές έρευνες και δομική γεωλογία, χρησιμοποιείται συνήθως.

Τύπος μαγνητικής επιδεκτικότητας

Xm=I/H

Μια μαγνητική ευαισθησία ο λόγος δεν έχει μονάδα γιατί είναι ο λόγος δύο ποσοτήτων που εκφράζονται στις ίδιες μονάδες. Η μαγνητική επιδεκτικότητα επηρεάζεται από τα χαρακτηριστικά του υλικού και της θερμοκρασίας.

Ο μαθηματικός όρος

Σε αυτήν την περίπτωση, Xm=I εάν H=1.

Με άλλα λόγια, ημαγνητική επιδεκτικότητα ενός υλικού είναι η ποσότητα μαγνήτισης που δημιουργεί όταν εκτίθεται σε μαγνήτη μοναδιαίας ισχύος.

Ενδιαφέροντα στοιχεία για τη μαγνητική επιδεκτικότητα

Είναι δυνατό να προβλεφθεί η συμπεριφορά ενός υλικού από τη μαγνητική του επιδεκτικότητα . Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική, μπορεί να μελετηθεί η ικανότητα ενός μαγνητικού πεδίου να προσελκύει ή να απωθεί ένα υλικό. Όταν τα παραμαγνητικά υλικά ανακαλύπτουν μέρη με υψηλότερα μαγνητικά πεδία, μπορεί να έλκονται από αυτά. Ενώ ευθυγραμμίζεται με το μαγνητικό πεδίο, αυτό συμβαίνει. Ανάλογα με την κατάσταση, τα διαμαγνητικά υλικά μπορεί να παρουσιάζουν μοναδική συμπεριφορά. Τα μαγνητικά πεδία δεν μπορούν να ευθυγραμμιστούν σε αυτά τα υλικά. Ως αποτέλεσμα, τα υλικά ωθούνται μακριά από τοποθεσίες με υψηλότερα μαγνητικά πεδία και προς περιοχές με χαμηλότερα. Πάντα, η μαγνήτιση του υλικού είναι πάνω από το εφαρμοζόμενο πεδίο. Προστίθεται στο μαγνητικό πεδίο που έχει ήδη. Μπορεί να αλλάξει τον παραμαγνητισμό και τον διαμαγνητισμό χρησιμοποιώντας διαφορετικούς τύπους γραμμών πεδίου. Είναι δυνατή η ποσοτική μέτρηση της μαγνητικής επιδεκτικότητας. Όλα αυτά είναι ικανά να μας παρέχουν τις απαραίτητες γνώσεις με βάση τη δομή του υλικού. Επιπλέον, μπορεί να αποκαλύψει πληροφορίες σχετικά με τα ενεργειακά επίπεδα του υλικού και τη δύναμη των δεσμών του.

Χρήσεις μαγνητικής επιδεκτικότητας

Στις περισσότερες περιπτώσεις, το MS χρησιμοποιείται ως σχετικός δείκτης μεσολάβησης για αλλαγές στη σύνθεση που μπορούν να συνδεθούν με διαδικασίες εναπόθεσης που διέπονται από παλαιοκλίμα. Οι καταγραφείς ευαισθησίας είναι εξαιρετικά επωφελείς για τη συσχέτιση κορμού πυρήνα-προς-πυρήνα και πυρήνα-προς-κάτω τρύπα λόγω της μεγάλης ακρίβειας και ευαισθησίας τους. Μια πιο εις βάθος διερεύνηση των μαγνητικών χαρακτηριστικών του ιζήματος, της ισχύος και της κατεύθυνσης των ρευμάτων του ωκεανού ή του ανέμου ή της πηγής του MS απαιτείται συνήθως σε ένα εργαστήριο που βασίζεται στην ακτή. Κατά τη διάρκεια των ερευνών θερμικής απομαγνήτισης, η μαγνητική επιδεκτικότητα μετράται σε απομονωμένα δείγματα για να ανιχνευθούν αλλαγές στη μαγνητική ορυκτολογία που προκαλούνται από μεταβάσεις φάσης ή οξείδωση. Τα σιδηρομαγνητικά και παραμαγνητικά ορυκτά μπορούν σε πολλές περιπτώσεις να συσχετιστούν με ρεύματα πυθμένα, συμπίεση ή παραμόρφωση χρησιμοποιώντας το AMS, το οποίο μετρά τον προτιμώμενο προσανατολισμό και κατανομή αυτών των ορυκτών. Για τη σωστή ερμηνεία των ευρημάτων του AMS, είναι συνήθως απαραίτητο να γίνει μια διεξοδική ανάλυση των μαγνητικών χαρακτηριστικών του δείγματος.

Περιβαλλοντικές επιπτώσεις της μαγνητικής επιδεκτικότητας

Οι ιδιότητες που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία των περισσότερων υλικών απαιτούν την εξισορρόπηση των πυρήνων στη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Για τα παραμαγνητικά υλικά, η εξίσωση Curie-Weiss δηλώνει ότι k =c/T, με το c να είναι η σταθερά Curie και το T να είναι θερμοκρασίες Kelvin. Στους 20°C, η MS του καθαρού παραμαγνητικού υλικού είναι 1,7 τοις εκατό (3,5 τοις εκατό, 7,1 τοις εκατό) μεγαλύτερη από την ευαισθησία σε θερμοκρασία δωματίου στους 5°C (10°C, 20°C) κάτω από τη θερμοκρασία δωματίου. Μεταξύ 0°C και 20°C, η εξάρτηση από τη θερμοκρασία άλλων υλικών είναι λιγότερο έντονη.

Επειδή το μαγνητικό πεδίο ευθυγραμμίζει κάπως τις μαγνητικές ροπές των παραμαγνητικών μορίων, η μαγνητική επιδεκτικότητα ενός διαμερίσματος που περιέχει χηλικές ενώσεις Gd-DTPA αλλάζει. Το σχήμα και ο προσανατολισμός του μαγνητικού πεδίου στο οποίο βρίσκεται το μόριο του ξενιστή παίζουν επίσης ρόλο σε αυτή τη μετατόπιση της ευαισθησίας. Τα τοπικά μαγνητικά πεδία των πρωτονίων του νερού τροποποιούνται από το διαφορικό μαγνητικής επιδεκτικότητας, το οποίο έχει επίδραση στις τοπικές συχνότητες συντονισμού. Τρία πράγματα μπορούν να συμβούν στο σήμα από ένα συγκεκριμένο voxel ως αποτέλεσμα αυτού.

• Ως αποτέλεσμα των διαφορών ευαισθησίας, τα σήματα από το νερό των ιστών θα εμφανίζονται σε ένα εύρος συχνοτήτων και η καθαρή ένταση του σήματος θα μειωθεί λόγω ακύρωσης φάσης εάν η κατανομή πεδίου δεν είναι στολή. Όταν υπάρχει ανομοιογένεια στο στατικό μαγνητικό πεδίο, αυτό θα παράγει ένα φαινόμενο Τ2. Οι αλληλουχίες ηχούς βαθμίδωσης, για παράδειγμα, είναι ιδιαίτερα ευάλωτες σε αυτές τις επιδράσεις επειδή δεν στοχεύουν στην αφαίρεση της ανομοιογένειας.
•  Η παρουσία διαβαθμίσεων πεδίου intravoxel, όπως οι ακολουθίες spin-echo, θα συμβάλει έμμεσα στην απώλεια σήματος κατά τη διάρκεια του χρόνου απεικόνισης μέσω διάχυσης σε αυτές τις διαβαθμίσεις. Αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως ένα φαινόμενο Τ2 που γίνεται ισχυρότερο καθώς ο χρόνος διάχυσης μεγαλώνει (δηλαδή, ΤΕ). Χρησιμοποιώντας αλληλουχίες σχετικά ευαίσθητες στη διάχυση, όπως μια αλληλουχία πολλαπλών ηχούς Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) με μικρές περιόδους ηχούς, αυτά τα αποτελέσματα μπορούν να διαφοροποιηθούν από την εγγενή χαλάρωση spin-spin, όπως περιγράφηκε προηγουμένως.
• Λόγω των μικρών μεγεθών voxel και της ευρείας χωρικής έκτασης των διαφορών ευαισθησίας, η κατανομή πεδίου εντός του voxel μπορεί να εξακολουθεί να είναι ομοιόμορφη, αλλά έχει παραμορφωθεί λόγω του καθαρού πεδίου και της μετατόπισης συχνότητας . Καθώς το TE αυξάνεται, τόσο θα αλλάζει η φάση του σήματος που προκαλείται από αυτή τη μετατόπιση στη συχνότητα συντονισμού, η οποία μπορεί να φανεί σε εικόνες ευαίσθητες στη φάση.

Συμπέρασμα 

Η κατανομή όγκου των υπερπαραμαγνητικών (SP) σωματιδίων μπορεί να ανακατασκευαστεί χρησιμοποιώντας μαγνητικά δεδομένα ως συνάρτηση της θερμοκρασίας και του χρόνου. Ακριβείς παρατηρήσεις μπορούν να γίνουν μόνο όταν οι επιστήμονες καταλάβουν πώς αλλάζουν οι μαγνητικές ροπές με τη θερμοκρασία. Τα μαζικά μαγνητικά χαρακτηριστικά χρησιμοποιούνται συνήθως για την εξαγωγή εξαρτήσεων από τη θερμοκρασία. Τα μαγνητικά χαρακτηριστικά των μικροσκοπικών σωματιδίων, από την άλλη πλευρά, επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από επιφανειακές επιδράσεις που συνδέονται με οξείδωση σε χαμηλή θερμοκρασία, μειωμένο συντονισμό των επιφανειακών περιστροφών και αλληλεπιδράσεις με γειτονικά μόρια. Είναι δύσκολο να μετρηθούν αυτές οι επιπτώσεις, ιδιαίτερα σε πετρώματα και ιζήματα. Για να ξεπεραστεί αυτό το ζήτημα, παρέχεται μια μέθοδος για την εκ νέου δημιουργία των μαγνητικών χαρακτηριστικών των συγκροτημάτων σωματιδίων SP. Με βάση την αντιστροφή δεδομένων μαγνητικής επιδεκτικότητας σε ένα εύρος θερμοκρασιών και συχνοτήτων, αναπτύχθηκε η προσέγγιση. Είναι δυνατό να εξαχθούν εκτιμήσεις για τις εξαρτήσεις από τη θερμοκρασία, το αποτελεσματικό πεδίο αλληλεπίδρασης και τον προεκθετικό παράγοντα στη θεωρία χαλάρωσης Néel-Brown χωρίς να γίνουν προηγούμενες υποθέσεις σχετικά με τα μαγνητικά χαρακτηριστικά των σωματιδίων, χάρη στον πλεονασμό των δεδομένων. Χρησιμοποιώντας αριθμητικά δείγματα που προσεγγίζουν τις τυπικές μετρήσεις ευαισθησίας τόσο των φυσικών όσο και των τεχνητών δειγμάτων, η μέθοδος αντιστροφής αξιολογήθηκε και βρέθηκε ότι λειτουργεί. Για τον παλαιο- και περιβαλλοντικό μαγνητισμό, οι μελέτες αντιστροφής ευαισθησίας μπορούν να ρίξουν φως στα μαγνητικά χαρακτηριστικά των μικρών σωματιδίων.