- Les matériaux diamagnétiques et leur réponse
- Quelle est l'origine de la réponse magnétique dans la matière?
- Magnétisme dans la matière
- Applications: magnéto-encéphalographie et traitement de l'eau
- Références
Le diamagnétisme est l'une des réponses à la question en présence d'un champ magnétique externe. Il se caractérise par être opposé ou opposé à ce champ magnétique et généralement, à moins que ce ne soit la seule réponse magnétique du matériau, son intensité est la plus faible de toutes.
Lorsque l'effet répulsif est le seul qu'un matériau présente à un aimant, le matériau est considéré comme diamagnétique. Si d'autres effets magnétiques prédominent, selon ce qu'il est, il sera considéré comme paramagnétique ou ferromagnétique.
Un morceau de bismuth, un matériau diamagnétique. Source: Pixabay.
Sebald Brugmans est crédité en 1778 de la première référence à la répulsion entre l'un des pôles d'un aimant et un morceau de matériau, particulièrement évidente dans des éléments tels que le bismuth et l'antimoine.
Plus tard, en 1845, Michael Faraday a étudié cet effet de plus près et a conclu qu'il s'agissait d'une propriété inhérente à toute matière.
Les matériaux diamagnétiques et leur réponse
Le comportement magnétique du bismuth et de l'antimoine, et d'autres tels que l'or, le cuivre, l'hélium et des substances telles que l'eau et le bois, diffère grandement de la puissante attraction magnétique bien connue que les aimants exercent sur le fer, le nickel ou cobalt.
Bien qu'étant généralement une réponse de faible intensité, face à un champ magnétique extérieur suffisamment intense, tout matériau diamagnétique, même la matière organique vivante, est capable de subir une aimantation opposée très remarquable.
En générant des champs magnétiques aussi puissants que 16 Tesla (déjà 1 Tesla est considéré comme assez puissant), les chercheurs du Nijmegen High Field Magnet Laboratory à Amsterdam aux Pays-Bas ont pu léviter magnétiquement des fraises, des pizzas et des grenouilles dans les années 1990.
Il est également possible de faire léviter un petit aimant entre les doigts d'une personne, grâce au diamagnétisme et à un champ magnétique suffisamment puissant. À lui seul, le champ magnétique exerce une force magnétique capable d'attirer un petit aimant avec force et vous pouvez essayer de faire en sorte que cette force compense le poids, cependant le petit aimant ne reste pas très stable.
Dès qu'il subit un déplacement minimal, la force exercée par le grand aimant l'attire rapidement. Cependant, lorsque des doigts humains viennent entre les aimants, le petit aimant se stabilise et lévite entre le pouce et l'index de la personne. La magie est due à l'effet répulsif provoqué par le diamagnétisme des doigts.
Quelle est l'origine de la réponse magnétique dans la matière?
L'origine du diamagnétisme, qui est la réponse fondamentale de toute substance à l'action d'un champ magnétique externe, réside dans le fait que les atomes sont constitués de particules subatomiques qui ont une charge électrique.
Ces particules ne sont pas statiques et leur mouvement est responsable de la production d'un champ magnétique. Bien sûr, la matière en est pleine et vous pouvez toujours vous attendre à une sorte de réponse magnétique dans n'importe quel matériau, pas seulement dans les composés de fer.
L'électron est principalement responsable des propriétés magnétiques de la matière. Dans un modèle très simple, on peut supposer que cette particule tourne autour du noyau atomique avec un mouvement circulaire uniforme. Cela suffit pour que l'électron se comporte comme une minuscule boucle de courant capable de générer un champ magnétique.
La magnétisation de cet effet est appelée aimantation orbitale. Mais l'électron a une contribution supplémentaire au magnétisme de l'atome: le moment cinétique intrinsèque.
Une analogie pour décrire l'origine du moment cinétique intrinsèque est de supposer que l'électron a un mouvement de rotation autour de son axe, une propriété qui est appelée spin.
Étant un mouvement et étant une particule chargée, le spin contribue également à la soi-disant aimantation de spin.
Les deux contributions donnent lieu à une aimantation nette ou résultante, mais la plus importante est précisément celle due au spin. Les protons dans le noyau, malgré leur charge et leur spin électriques, ne contribuent pas de manière significative à la magnétisation de l'atome.
Dans les matériaux diamagnétiques, l'aimantation résultante est nulle, car les contributions du moment orbital et celles du moment de spin s'annulent. Le premier à cause de la loi de Lenz et le second, parce que les électrons dans les orbitales sont établis par paires avec un spin opposé et les coquilles sont remplies d'un nombre pair d'électrons.
Magnétisme dans la matière
L'effet diamagnétique se produit lorsque la magnétisation orbitale est influencée par un champ magnétique externe. L'aimantation ainsi obtenue est notée M et est un vecteur.
Indépendamment de la direction du champ, la réponse diamagnétique sera toujours répulsive grâce à la loi de Lenz, qui stipule que le courant induit s'oppose à toute modification du flux magnétique à travers la boucle.
Mais si le matériau contient une sorte d'aimantation permanente, la réponse sera l'attraction, tel est le cas du paramagnétisme et du ferromagnétisme.
Pour quantifier les effets décrits, considérons un champ magnétique externe H, appliqué sur un matériau isotrope (ses propriétés sont les mêmes en tout point de l'espace), à l'intérieur duquel une aimantation M prend naissance. Comme résultat, l' intérieur d' une induction magnétique créée B, en tant que résultat de l'interaction qui se produit entre H et M.
Toutes ces quantités sont vectorielles. B et M sont proportionnels à H, étant la perméabilité du matériau μ et la susceptibilité magnétique χ, les constantes de proportionnalité respectives, qui indiquent quelle est la réponse particulière de la substance à l'influence magnétique externe:
B = μ H
L'aimantation du matériau sera également proportionnelle à H:
M = χ H
Les équations ci-dessus sont valides dans le système cgs. Les deux B et H et M ont les mêmes dimensions, bien que des unités différentes. Pour B, le gauss est utilisé dans ce système et pour H, le gauss est utilisé. La raison de cela est de différencier le champ appliqué à l'extérieur du champ généré à l'intérieur du matériau.
Dans le système international, qui est celui couramment utilisé, la première équation prend une apparence quelque peu différente:
B = μ ou μ r H
μ o est la perméabilité magnétique de l'espace vide qui équivaut à 4π x 10-7 Tm / A (Teslamètre / Ampère) et μ r est la perméabilité relative du milieu en référence au vide, qui est sans dimension.
En termes de susceptibilité magnétique χ, qui est la caractéristique la plus appropriée pour décrire les propriétés diamagnétiques d'un matériau, cette équation s'écrit comme ceci:
B = (1 + χ) μ ou H
Avec μ r = 1 + χ
Dans le système international, B est exprimé en Tesla (T), tandis que H est exprimé en ampère / mètre, une unité que l'on croyait autrefois appelée Lenz, mais qui jusqu'à présent a été laissée en termes d'unités fondamentales.
Dans les matériaux où χ est négatif, ils sont considérés comme diamagnétiques. Et c'est un bon paramètre pour caractériser ces substances, car χ en elles peut être considéré comme une valeur constante indépendante de la température. Ce n'est pas le cas pour les matériaux qui ont plus de réponses magnétiques.
Habituellement, χ est de l'ordre de -10 -6 à -10 -5. Les supraconducteurs sont caractérisés en ce qu'ils ont χ = -1 et donc le champ magnétique interne est complètement annulé (effet Meisner).
Ce sont les matériaux diamagnétiques parfaits, dans lesquels le diamagnétisme cesse d'être une réponse faible et devient suffisamment fort pour faire léviter des objets, comme décrit au début.
Applications: magnéto-encéphalographie et traitement de l'eau
Les êtres vivants sont constitués d'eau et de matière organique, dont la réponse au magnétisme est généralement faible. Cependant, le diamagnétisme, comme nous l'avons dit, fait partie intégrante de la matière, y compris la matière organique.
De petits courants électriques circulent à l'intérieur des humains et des animaux qui créent sans aucun doute un effet magnétique. À ce moment précis, alors que le lecteur suit ces mots du regard, de petits courants électriques circulent dans son cerveau qui lui permettent d'accéder et d'interpréter les informations.
La faible magnétisation qui se produit dans le cerveau est détectable. La technique est connue sous le nom de magnéto-encéphalographie, qui utilise des détecteurs appelés SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) pour détecter de très petits champs magnétiques, de l'ordre de 10-15 T.
Les SQUID sont capables de localiser les sources d'activité cérébrale avec une grande précision. Un logiciel est chargé de collecter les données obtenues et de les transformer en une carte détaillée de l'activité cérébrale.
Les champs magnétiques externes peuvent affecter le cerveau d'une certaine manière. Combien? Certaines recherches récentes ont montré qu'un champ magnétique assez intense, autour de 1 T, est capable d'affecter le lobe pariétal, interrompant une partie de l'activité cérébrale pendant de brefs instants.
D'autres, en revanche, dans lesquels des volontaires ont passé 40 heures à l'intérieur d'un aimant qui produit 4 T d'intensité, sont partis sans subir d'effets négatifs observables. Au moins, l'Université de l'Ohio a indiqué que jusqu'à présent, il n'y a aucun risque à rester dans les domaines de 8 T.
Certains organismes tels que les bactéries sont capables d'incorporer de petits cristaux de magnétite et de les utiliser pour s'orienter dans le champ magnétique terrestre. La magnétite a également été trouvée dans des organismes plus complexes tels que les abeilles et les oiseaux, qui l'utiliseraient dans le même but.
Y a-t-il des minéraux magnétiques dans le corps humain? Oui, de la magnétite a été trouvée dans le cerveau humain, bien que l'on ne sache pas dans quel but elle s'y trouve. On pourrait supposer qu'il s'agit d'une compétence obsolète.
Concernant le traitement de l'eau, il repose sur le fait que les sédiments sont essentiellement des substances diamagnétiques. Des champs magnétiques puissants peuvent être utilisés pour éliminer les sédiments de carbonate de calcium, le gypse, le sel et d'autres substances qui causent la dureté de l'eau et s'accumulent dans les tuyaux et les conteneurs.
C'est un système avec de nombreux avantages pour préserver l'environnement et maintenir les tuyaux en bon état de fonctionnement pendant longtemps et à faible coût.
Références
- Eisberg, R. 1978. Physique quantique. Limusa. 557 -577.
- Jeune, Hugh. 2016. Physique de l'Université Sears-Zemansky avec la physique moderne. 14e éd. Pearson. 942
- Zapata, F. (2003). Etude des minéralogies associées au puits de pétrole Guafita 8x appartenant au champ Guafita (Apure State) à l'aide de mesures de sensibilité magnétique et de spectroscopie de Mossbauer. Thèse de diplôme. Université centrale du Venezuela.