Diamagnetismo: materiais, aplicações, exemplos

O diamagnetism é uma das respostas é o assunto na presença de um campo magnético externo. É caracterizada por ser contrária ou oposta a esse 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 antes de um ímã, o material é considerado diamagnético. Se outros efeitos magnéticos predominarem, dependendo de qual deles for, será considerado paramagnético ou ferromagnético.

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Um pedaço de bismuto, material diamagnético. Fonte: Pixabay

Sebald Brugmans, em 1778, é creditado 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 esse efeito com mais detalhes e concluiu que era uma propriedade inerente a toda matéria.

Materiais diamagnéticos e sua resposta

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

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

Ao gerar campos magnéticos tão intensos quanto 16 Tesla (e um de 1 Tesla é considerado bastante intenso), os pesquisadores do Nijmegen High Field Magnet Laboratory em Amsterdã, na Holanda, conseguiram levitar magneticamente morangos, pizzas e sapos nos anos 90.

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 fortemente um pequeno ímã e essa força pode ser tentada para compensar o peso, no entanto, o pequeno ímã não permanece muito estável.

Assim que ele experimenta um deslocamento mínimo, a força exercida pelo grande ímã o atrai rapidamente. No entanto, quando os dedos humanos ficam entre os ímãs, o pequeno ímã se estabiliza e levita entre o polegar e o índice da pessoa. A mágica é devido ao efeito de repulsão causada 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, reside no fato de que os átomos são formados por partículas subatômicas que possuem uma carga elétrica.

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

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

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

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

Sendo um movimento e uma partícula carregada, o spin também contribui para a chamada magnetização do spin .

Ambas as contribuições dão origem a uma magnetização líquida ou resultante, porém a mais importante é precisamente a que ocorre devido à rotação. Os prótons no núcleo, embora possuam carga elétrica e rotação, não contribuem significativamente para a magnetização do átomo.

Nos materiais diamagnéticos, a magnetização resultante é nula, pois as contribuições do momento orbital e do momento da rotação são canceladas. O primeiro por causa da lei de Lenz e o segundo, porque os elétrons nos orbitais são estabelecidos em pares com rotação oposta 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 designada M e é um vetor.

Independentemente de onde o campo esteja indo, a resposta diamagnética será sempre repulsiva graças à lei de Lenz, que afirma que a corrente induzida se opõe a qualquer alteração no fluxo magnético que passa pelo loop.

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

Para quantificar os efeitos descritos, considere um campo magnético externo H , aplicado em um material isotrópico (suas propriedades são as mesmas em qualquer ponto do espaço), dentro do qual uma magnetização M se origina . Como um resultado, no interior de indução magnético é criado B , como um resultado da interacção que ocorre entre H e H .

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

B = μ H

A magnetização do material também será proporcional a H :

M = χ H

As equações acima são válidas no sistema cgs. Ambos B e H e M têm as mesmas dimensões, embora as unidades diferentes. Para B o gauss é usado neste sistema e para H o 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 comumente usado, a primeira equação assume uma aparência um pouco diferente:

B = μ ou μ r H

μ ou é a permeabilidade magnética de espaço vazio igual a 4n x 10-7 a Tm / A (metros Tesla / Ampere) e μ r é a permeabilidade relativa do meio em referência de vácuo, que é adimensional.

Em termos da suscetibilidade magnética χ, que é a característica mais apropriada para descrever as propriedades diamagnéticas de um material, esta equação é escrita da seguinte forma:

B = (1 + χ) μ ou H

Com μ r = 1 + χ

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

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

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

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

Aplicações: magneto-encefalografia 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 dissemos, é uma parte intrínseca da matéria, incluindo a orgânica.

Pequenas correntes elétricas circulam dentro de seres humanos e animais que, sem dúvida, criam um efeito magnético. Nesse exato momento, enquanto o leitor continua observando essas palavras, pequenas correntes elétricas circulam em seu cérebro, permitindo que ele acesse e interprete as informações.

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A fraca magnetização que ocorre no cérebro é detectável. A técnica é conhecida como magneto-encefalografia , que usa detectores chamados SQUIDs ( Superconducting Quantum Interference Devices ) para detectar campos magnéticos muito pequenos, da ordem de 10 a 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 de cerca de 1 T é capaz de afetar o lobo parietal, interrompendo parte da atividade cerebral por um breve momento.

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

Alguns organismos, como bactérias, são capazes de incorporar pequenos cristais de magnetita e usá-los para se orientar dentro do campo magnético da Terra. A magnetita também foi encontrada em organismos mais complexos, como abelhas e pássaros, que a usariam para o mesmo objetivo.

Existem minerais magnéticos no organismo humano? Sim, a magnetita foi encontrada no cérebro humano, embora não se saiba para que finalidade ela existe. Pode-se especular que é uma habilidade abandonada.

Quanto ao tratamento da água, baseia-se no fato de que os sedimentos são basicamente substâncias diamagnéticas. É possível usar campos magnéticos intensos e, assim, remover os sedimentos de carbonato de cálcio, gesso, sal e outras substâncias que causam dureza na água e se acumulam nos tubos e recipientes.

É um sistema com muitas vantagens para preservar o meio ambiente e manter os tubos em bom estado de funcionamento por um longo tempo e a baixo custo.

Referências

  1. Eisberg, R. 1978. Quantum Physics. Limusa 557-577.
  2. Jovem, Hugh. 2016. Universidade Física de Sears-Zemansky com Física Moderna. 14th Ed. Pearson. 942
  3. Zapata, F. (2003). Estudo de mineralogias associado ao poço de petróleo Guafita 8x pertencente ao campo de Guafita (Estado Apure) por meio de medidas de Susceptibilidade Magnética e Espectroscopia Mossbauer . Trabalho em grau especial. Universidade Central da Venezuela.

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