Diamagnetismo: materiais, aplicações, exemplos - Ciência - 2023

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o diamagnetismo É uma das respostas que a matéria dá à presença de um campo magnético externo. É caracterizado por ser oposto ou oposto a este campo magnético e geralmente, a menos que seja a única resposta magnética do material, sua intensidade é a mais fraca de todas.

Quando o efeito repulsivo é o único que um material apresenta a um ímã, o material é considerado diamagnético. Se houver predomínio de outros efeitos magnéticos, dependendo do que for, será considerado paramagnético ou ferromagnético.

Sebald Brugmans é creditado em 1778 com a primeira referência à repulsão entre qualquer um dos pólos de um ímã e um pedaço de material, particularmente evidente em elementos como o bismuto e o antimônio.

Mais tarde, em 1845, Michael Faraday estudou mais de perto esse efeito e concluiu que era uma propriedade inerente a toda matéria.

Materiais diamagnéticos e sua resposta

O comportamento magnético do bismuto e antimônio, e outros como ouro, cobre, hélio e substâncias como água e madeira, difere muito da atração magnética bem conhecida e poderosa que os ímãs exercem sobre o ferro, níquel ou cobalto.

Apesar de ser geralmente uma resposta de baixa intensidade, em face de um campo magnético externo suficientemente intenso, qualquer material diamagnético, mesmo matéria orgânica viva, é capaz de experimentar uma magnetização oposta muito notável.

Gerando campos magnéticos tão fortes quanto 16 Tesla (já 1 Tesla é considerado bastante forte), os pesquisadores do Nijmegen High Field Magnet Laboratory em Amsterdã, na Holanda, conseguiram levitar magneticamente morangos, pizzas e sapos na década de 1990.

Também é possível levitar um pequeno ímã entre os dedos de uma pessoa, graças ao diamagnetismo e a um campo magnético suficientemente forte. Por si só, o campo magnético exerce uma força magnética capaz de atrair um pequeno ímã com força e você pode tentar fazer essa força compensar o peso, porém o pequeno ímã não fica muito estável.

Assim que experimenta um deslocamento mínimo, a força exercida pelo grande ímã o atrai rapidamente. No entanto, quando dedos humanos se interpõem entre os ímãs, o pequeno ímã se estabiliza e levita entre o polegar e o indicador da pessoa. A magia se deve ao efeito de repulsão causado pelo diamagnetismo dos dedos.

Qual é a origem da resposta magnética na matéria?

A origem do diamagnetismo, que é a resposta fundamental de qualquer substância à ação de um campo magnético externo, está no fato de os átomos serem constituídos por partículas subatômicas que possuem uma carga elétrica.

Essas partículas não são estáticas e seu movimento é responsável pela produção de um campo magnético. Claro, a matéria está cheia deles, e você sempre pode esperar algum tipo de resposta magnética em qualquer material, não apenas compostos de ferro.

O elétron é o principal responsável pelas propriedades magnéticas da matéria. Em um modelo muito simples, pode-se presumir que essa partícula orbita o núcleo atômico com um movimento circular uniforme. Isso é suficiente para o elétron se comportar como um minúsculo loop de corrente capaz de gerar um campo magnético.

A magnetização deste efeito é chamada magnetização orbital. Mas o elétron tem uma contribuição adicional para o magnetismo do átomo: o momento angular intrínseco.

Uma analogia para descrever a origem do momento angular intrínseco é supor que o elétron tem um movimento rotacional em torno de seu eixo, uma propriedade chamada spin.

Por ser um movimento e por ser uma partícula carregada, o spin também contribui para o chamado magnetização de rotação.

Ambas as contribuições dão origem a uma magnetização líquida ou resultante, porém a mais importante é precisamente aquela devida ao spin. Os prótons no núcleo, apesar de possuírem carga elétrica e spin, não contribuem significativamente para a magnetização do átomo.

Em materiais diamagnéticos, a magnetização resultante é zero, uma vez que as contribuições do momento orbital e do momento de spin se cancelam. O primeiro por causa da lei de Lenz e o segundo, porque os elétrons nos orbitais se estabelecem em pares com spin oposto e as camadas são preenchidas com um número par de elétrons.

Magnetismo na matéria

O efeito diamagnético surge quando a magnetização orbital é influenciada por um campo magnético externo. A magnetização assim obtida é denotada M y é um vetor.

Independentemente de para onde o campo seja direcionado, a resposta diamagnética será sempre repulsiva graças à lei de Lenz, que afirma que a corrente induzida se opõe a qualquer mudança no fluxo magnético através do loop.

Mas se o material contém algum tipo de magnetização permanente, a resposta será atração, como é o caso do paramagnetismo e do ferromagnetismo.

Para quantificar os efeitos descritos, considere um campo magnético externo H, aplicado a um material isotrópico (suas propriedades são as mesmas em qualquer ponto do espaço), dentro do qual ocorre uma magnetização M. Graças a isso, uma indução magnética é criada dentro B, como resultado da interação que ocorre entre H Y M.

Todas essas quantidades são vetoriais. B Y M são proporcionais a H, sendo a permeabilidade do material μ e a susceptibilidade magnética χ, as respectivas constantes de proporcionalidade, que indicam qual é a resposta particular da substância à influência magnética externa:

B = μH

A magnetização do material também será proporcional ao H:

M = χH

As equações acima são válidas no sistema cgs. Muito B Como H Y M eles têm as mesmas dimensões, embora unidades diferentes. Para B o gauss é usado neste sistema e para H oersted é usado. O motivo para fazer isso é diferenciar o campo aplicado externamente do campo gerado dentro do material.

No Sistema Internacional, que é o comumente usado, a primeira equação assume uma aparência um pouco diferente:

B = μ_ou μ_r H

μ_oué a permeabilidade magnética do espaço vazio que é igual a 4π x 10-7 T.m / A (Teslameter / Ampère) e μ_r é a permeabilidade relativa do meio em referência ao vácuo, que é adimensional.

Em termos de susceptibilidade magnética χ, que é a característica mais adequada para descrever as propriedades diamagnéticas de um material, esta equação é escrita assim:

B = (1 + χ) μ_ouH

Com μ_r= 1 + χ

No Sistema Internacional B vem em Tesla (T), enquanto H é expresso em Ampère / metro, uma unidade que antes se pensava ser chamada de Lenz, mas que até agora foi mantida em termos de unidades fundamentais.

Nos materiais em que χ é negativo, eles são considerados diamagnéticos. E é um bom parâmetro para caracterizar essas substâncias, uma vez que χ nelas pode ser considerado um valor constante independente da temperatura. Esse não é o caso de materiais que têm mais respostas magnéticas.

Normalmente χ é da ordem de -10^-6 para -10^-5. Os supercondutores são caracterizados por possuírem χ = -1 e, portanto, o campo magnético interno é completamente cancelado (efeito Meisner).

Eles são os materiais diamagnéticos perfeitos, nos quais o diamagnetismo deixa de ser uma resposta fraca e se torna forte o suficiente para levitar objetos, como descrito no início.

Aplicações: magnetoencefalografia e tratamento de água

Os seres vivos são feitos de água e matéria orgânica, cuja resposta ao magnetismo é geralmente fraca. No entanto, o diamagnetismo, como já dissemos, é uma parte intrínseca da matéria, incluindo a matéria orgânica.

Pequenas correntes elétricas circulam dentro de humanos e animais que, sem dúvida, criam um efeito magnético. Neste exato momento, enquanto o leitor acompanha essas palavras com os olhos, pequenas correntes elétricas circulam em seu cérebro que lhe permitem acessar e interpretar as informações.

A fraca magnetização que ocorre no cérebro é detectável. A técnica é conhecida como magnetoencefalografia, que usa detectores chamados SQUIDs (Dispositivos de interferência quântica supercondutores) para detectar campos magnéticos muito pequenos, da ordem de 10^-15 T.

Os SQUIDs são capazes de localizar fontes de atividade cerebral com enorme precisão. Um software é responsável por coletar os dados obtidos e transformá-los em um mapa detalhado da atividade cerebral.

Os campos magnéticos externos podem afetar o cérebro de alguma forma. Que tanto? Algumas pesquisas recentes mostraram que um campo magnético bastante intenso, em torno de 1 T, é capaz de afetar o lobo parietal, interrompendo parte da atividade cerebral por breves momentos.

Outros, por outro lado, nos quais os voluntários passaram 40 horas dentro de um ímã que produz 4 T de intensidade, saíram sem sofrer nenhum efeito negativo observável. A Universidade de Ohio, pelo menos, indicou que até agora não há risco de permanecer dentro de campos de 8 T.

Alguns organismos, como as bactérias, são capazes de incorporar pequenos cristais de magnetita e usá-los para se orientar no campo magnético da Terra. A magnetita também foi encontrada em organismos mais complexos, como abelhas e pássaros, que a usariam para o mesmo propósito.

Existem minerais magnéticos no corpo humano? Sim, a magnetita foi encontrada no cérebro humano, embora não se saiba para que finalidade ela está lá. Pode-se especular que esta é uma habilidade obsoleta.

Quanto ao tratamento da água, ele se baseia no fato de os sedimentos serem basicamente substâncias diamagnéticas. Campos magnéticos fortes podem ser usados para remover sedimentos de carbonato de cálcio, gesso, sal e outras substâncias que causam dureza na água e se acumulam em tubos e recipientes.

É um sistema com muitas vantagens para conservar o meio ambiente e manter as tubulações em bom funcionamento por muito tempo e com baixo custo.

Referências

Eisberg, R. 1978.Física quântica. Limusa. 557 -577.
Jovem, Hugh. 2016 Sears-Zemansky’s University Physics with Modern Physics. 14ª Ed. Pearson. 942
Zapata, F. (2003). Estudo das mineralogias associadas ao poço de petróleo Guafita 8x pertencente ao campo Guafita (Apure State) por medidas de suscetibilidade magnética e espectroscopia Mossbauer. Tese de graduação. Universidade Central da Venezuela.