DIAMAGNETISMUS: MATERIALIEN, ANWENDUNGEN, BEISPIELE - KÖRPERLICH - 2025

Der Diamagnetismus ist eine der Antworten auf die Materie bei Vorhandensein eines externen Magnetfeldes. Es zeichnet sich dadurch aus, dass es diesem Magnetfeld entgegengesetzt oder entgegengesetzt ist, und normalerweise ist seine Intensität die schwächste von allen, es sei denn, es ist die einzige magnetische Reaktion des Materials.

Wenn der abstoßende Effekt der einzige ist, den ein Material einem Magneten präsentiert, wird das Material als diamagnetisch betrachtet. Wenn andere magnetische Effekte überwiegen, wird dies je nach dem, was es ist, als paramagnetisch oder ferromagnetisch angesehen.

Ein Stück Wismut, ein diamagnetisches Material. Quelle: Pixabay.

Sebald Brugmans wird 1778 der erste Hinweis auf die Abstoßung zwischen einem der Pole eines Magneten und einem Stück Material zugeschrieben, was insbesondere bei Elementen wie Wismut und Antimon deutlich wird.

Später, 1845, untersuchte Michael Faraday diesen Effekt genauer und kam zu dem Schluss, dass er eine inhärente Eigenschaft aller Materie ist.

Diamagnetische Materialien und ihre Reaktion

Das magnetische Verhalten von Wismut und Antimon sowie anderen wie Gold, Kupfer, Helium und Substanzen wie Wasser und Holz unterscheidet sich stark von der bekannten starken magnetischen Anziehungskraft, die Magnete auf Eisen, Nickel oder Eisen ausüben Kobalt.

Obwohl es sich im Allgemeinen um eine Reaktion mit geringer Intensität handelt, kann jedes diamagnetische Material, selbst lebende organische Materie, angesichts eines ausreichend intensiven externen Magnetfelds eine sehr bemerkenswerte entgegengesetzte Magnetisierung erfahren.

Durch die Erzeugung von Magnetfeldern mit einer Stärke von bis zu 16 Tesla (bereits 1 Tesla gilt als ziemlich stark) konnten Forscher des Nijmegen High Field Magnet Laboratory in Amsterdam in den Niederlanden in den 1990er Jahren Erdbeeren, Pizzen und Frösche magnetisch schweben lassen.

Dank Diamagnetismus und einem ausreichend starken Magnetfeld ist es auch möglich, einen kleinen Magneten zwischen den Fingern einer Person zu schweben. An sich übt das Magnetfeld eine Magnetkraft aus, die einen kleinen Magneten mit Kraft anziehen kann, und Sie können versuchen, diese Kraft dazu zu bringen, das Gewicht auszugleichen, der kleine Magnet bleibt jedoch nicht sehr stabil.

Sobald es eine minimale Verschiebung erfährt, zieht es die vom großen Magneten ausgeübte Kraft schnell an. Wenn sich jedoch menschliche Finger zwischen den Magneten befinden, stabilisiert sich der kleine Magnet und schwebt zwischen Daumen und Zeigefinger der Person. Die Magie beruht auf dem Abstoßungseffekt, der durch den Diamagnetismus der Finger verursacht wird.

Was ist der Ursprung der magnetischen Reaktion in der Materie?

Der Ursprung des Diamagnetismus, der die grundlegende Reaktion einer Substanz auf die Wirkung eines externen Magnetfelds darstellt, liegt in der Tatsache, dass Atome aus subatomaren Teilchen bestehen, die eine elektrische Ladung haben.

Diese Partikel sind nicht statisch und ihre Bewegung ist für die Erzeugung eines Magnetfelds verantwortlich. Natürlich ist die Materie voll davon, und Sie können immer eine Art magnetische Reaktion in jedem Material erwarten, nicht nur in Eisenverbindungen.

Das Elektron ist hauptsächlich für die magnetischen Eigenschaften der Materie verantwortlich. In einem sehr einfachen Modell kann angenommen werden, dass dieses Teilchen den Atomkern mit einer gleichmäßigen Kreisbewegung umkreist. Dies reicht aus, damit sich das Elektron wie eine winzige Stromschleife verhält, die ein Magnetfeld erzeugen kann.

Die Magnetisierung durch diesen Effekt wird als Orbitalmagnetisierung bezeichnet . Das Elektron hat jedoch einen zusätzlichen Beitrag zum Magnetismus des Atoms: den intrinsischen Drehimpuls.

Eine Analogie zur Beschreibung des Ursprungs des intrinsischen Drehimpulses besteht darin, anzunehmen, dass das Elektron eine Rotationsbewegung um seine Achse hat, eine Eigenschaft, die als Spin bezeichnet wird.

Spin ist eine Bewegung und ein geladenes Teilchen und trägt auch zur sogenannten Spinmagnetisierung bei .

Beide Beiträge führen zu einer Netto- oder resultierenden Magnetisierung, die wichtigste ist jedoch genau die aufgrund des Spins. Die Protonen im Kern tragen trotz elektrischer Ladung und Spin nicht wesentlich zur Magnetisierung des Atoms bei.

In diamagnetischen Materialien ist die resultierende Magnetisierung Null, da sich die Beiträge sowohl des Orbitalmoments als auch des Spinmoments aufheben. Das erste wegen des Lenzschen Gesetzes und das zweite, weil die Elektronen in den Orbitalen paarweise mit entgegengesetztem Spin aufgebaut sind und die Schalen mit einer geraden Anzahl von Elektronen gefüllt sind.

Magnetismus in der Materie

Der diamagnetische Effekt entsteht, wenn die Orbitalmagnetisierung durch ein externes Magnetfeld beeinflusst wird. Die so erhaltene Magnetisierung wird mit M bezeichnet und ist ein Vektor.

Unabhängig davon, wohin das Feld gerichtet ist, ist die diamagnetische Reaktion dank des Lenzschen Gesetzes, das besagt, dass der induzierte Strom einer Änderung des Magnetflusses durch die Schleife entgegenwirkt, immer abstoßend.

Wenn das Material jedoch eine Art Permanentmagnetisierung enthält, ist die Reaktion eine Anziehung, wie dies bei Paramagnetismus und Ferromagnetismus der Fall ist.

Um die beschriebenen Effekte zu quantifizieren, betrachten Sie ein externes Magnetfeld H , das an ein isotropes Material angelegt wird (seine Eigenschaften sind an jedem Punkt im Raum gleich), innerhalb dessen eine Magnetisierung M entsteht . Als Ergebnis erzeugte in einer magnetischen Induktion B , als Ergebnis der Wechselwirkung , die zwischen auftritt H und M .

Alle diese Größen sind Vektoren. B und M sind proportional zu H , wobei es sich um die Permeabilität des Materials μ und die magnetische Suszeptibilität χ handelt, die jeweiligen Proportionalitätskonstanten, die angeben, wie die Substanz auf äußeren magnetischen Einfluss besonders reagiert:

B = μ H

Die Magnetisierung des Materials ist auch proportional zu H :

M = χ H.

Die obigen Gleichungen gelten im CGS-System. Sowohl B als auch H und M haben die gleichen Abmessungen, obwohl unterschiedliche Einheiten. Für B wird das Gauß in diesem System verwendet und für H wird das Oersted verwendet. Der Grund dafür ist, das extern angelegte Feld von dem im Material erzeugten Feld zu unterscheiden.

Im häufig verwendeten internationalen System sieht die erste Gleichung etwas anders aus:

B = μ _oder μ _r H.

μ _o ist die magnetische Permeabilität des leeren Raums, die 4π × 10 –7 Tm / A (Teslameter / Ampere) entspricht, und μ _r ist die relative Permeabilität des Mediums in Bezug auf Vakuum, das dimensionslos ist.

In Bezug auf die magnetische Suszeptibilität χ, die die am besten geeignete Eigenschaft zur Beschreibung der diamagnetischen Eigenschaften eines Materials ist, wird diese Gleichung wie folgt geschrieben:

B = (1 + χ) μ _oder H.

Mit μ _r = 1 + χ

Im internationalen System kommt B in Tesla (T) vor, während H in Ampere / Meter ausgedrückt wird, einer Einheit, die früher als Lenz bezeichnet wurde, aber bisher in Grundeinheiten belassen wurde.

In solchen Materialien, in denen χ negativ ist, werden sie als diamagnetisch angesehen. Und es ist ein guter Parameter, um diese Substanzen zu charakterisieren, da χ in ihnen als temperaturunabhängiger konstanter Wert angesehen werden kann. Dies ist bei Materialien mit stärker magnetischen Reaktionen nicht der Fall.

Normalerweise liegt χ in der Größenordnung von -10 ^-6 bis -10 ^-5 . Supraleiter zeichnen sich durch χ = -1 aus und daher wird das interne Magnetfeld vollständig aufgehoben (Meisner-Effekt).

Sie sind die perfekten diamagnetischen Materialien, bei denen der Diamagnetismus keine schwache Reaktion mehr darstellt und stark genug wird, um Objekte zu schweben, wie zu Beginn beschrieben.

Anwendungen: Magnetoenzephalographie und Wasseraufbereitung

Lebewesen bestehen aus Wasser und organischer Materie, deren Reaktion auf Magnetismus im Allgemeinen schwach ist. Wie wir bereits gesagt haben, ist der Diamagnetismus jedoch ein wesentlicher Bestandteil der Materie, einschließlich der organischen Materie.

In Mensch und Tier zirkulieren kleine elektrische Ströme, die zweifellos einen magnetischen Effekt erzeugen. In diesem Moment, während der Leser diesen Worten mit den Augen folgt, zirkulieren kleine elektrische Ströme in seinem Gehirn, die es ihm ermöglichen, auf die Informationen zuzugreifen und sie zu interpretieren.

Die schwache Magnetisierung, die im Gehirn auftritt, ist nachweisbar. Die Technik ist als Magnetoenzephalographie bekannt, bei der Detektoren, sogenannte SQUIDs (Supraleitende Quanteninterferenzvorrichtungen), verwendet werden, um sehr kleine Magnetfelder in der Größenordnung von 10 bis ¹⁵ T zu erfassen .

SQUIDs sind in der Lage, Quellen für Gehirnaktivität mit großer Präzision zu lokalisieren. Eine Software ist dafür verantwortlich, die erhaltenen Daten zu sammeln und in eine detaillierte Karte der Gehirnaktivität umzuwandeln.

Externe Magnetfelder können das Gehirn in irgendeiner Weise beeinflussen. Wie viel? Einige neuere Forschungen haben gezeigt, dass ein ziemlich intensives Magnetfeld um 1 T den Parietallappen beeinflussen und einen Teil der Gehirnaktivität für kurze Momente unterbrechen kann.

Andere hingegen, bei denen Freiwillige 40 Stunden in einem Magneten verbracht haben, der 4 T Intensität erzeugt, sind ohne erkennbare negative Auswirkungen gegangen. Zumindest die University of Ohio hat angegeben, dass bislang kein Risiko besteht, in Feldern von 8 T zu bleiben.

Einige Organismen, wie z. B. Bakterien, können kleine Magnetitkristalle einbauen und sich damit im Erdmagnetfeld orientieren. Magnetit wurde auch in komplexeren Organismen wie Bienen und Vögeln gefunden, die es für den gleichen Zweck verwenden würden.

Gibt es magnetische Mineralien im menschlichen Körper? Ja, Magnetit wurde im menschlichen Gehirn gefunden, obwohl nicht bekannt ist, zu welchem ​​Zweck es dort ist. Man könnte spekulieren, dass dies eine veraltete Fähigkeit ist.

In Bezug auf die Wasseraufbereitung beruht dies auf der Tatsache, dass Sedimente im Wesentlichen diamagnetische Substanzen sind. Starke Magnetfelder können verwendet werden, um Calciumcarbonat-Sedimente, Gips, Salz und andere Substanzen zu entfernen, die Wasserhärte verursachen und sich in Rohren und Behältern ansammeln.

Es ist ein System mit vielen Vorteilen, um die Umwelt zu schonen und die Rohre lange Zeit und zu geringen Kosten in gutem Zustand zu halten.

Verweise

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