Zacznijmy od tego, co oznacza diamagnetyzm. To zjawisko fizyczne polegające na osłabianiu pola magnetycznego w bardzo małym stopniu przez umieszczenie w tym polu pewnej substancji zwanej diamagnetykiem.
Czy wiesz, w jaki sposób bada się wpływ substancji na pole magnetyczne? Jak wykonać pomiar indukcji magnetycznej wewnątrz badanej substancji? Typowy układ doświadczalny, pozwalający na taki pomiar przedstawiony jest na Rys. 1.:
R5UzRooyKDpEW
Wyobraźmy sobie dwa rdzenie z badanej substancji umieszczone wewnątrz elektromagnesu. W małej szczelince między rdzeniami umieszczamy czujnik indukcji magnetycznej – teslomierzteslomierzteslomierz (Rys. 2.).
Ponieważ szczelinka między rdzeniami jest bardzo wąska, pole magnetyczne wewnątrz szczelinki jest z dobrym przybliżeniem polem jednorodnym, więc indukcja magnetyczna wewnątrz szczeliny ma taką samą wartość jak w rdzeniu.
R13PzWk8ibaOg
Miarą wpływu substancji na pole magnetyczne, w którym ta substancja jest „zanurzona”, jest względny współczynnik przenikalności magnetycznej. Jest on zdefiniowany jako stosunek wartości indukcji magnetycznej w obecności danej substancji do wartości indukcji magnetycznej bez tej substancji (w próżni),
Substancje - ze względu na wartość względnego współczynnika przenikalności magnetycznej - zostały podzielone na trzy główne grupy:
diamagnetyki – w bardzo małym stopniu zmniejszają pole magnetyczne; (np. dla wody ),
paramagnetyki – w bardzo małym stopniu zwiększają pole magnetyczne; (np. dla cyny ),
ferromagnetyki – w bardzo wielkim stopniu zwiększają pole magnetyczne; (np. dla żelaza elektrolitycznego ).
Tutaj będą nas interesowały diamagnetyki. Należą do nich: woda, miedź, ołów, złoto, srebro, cynk, rtęć, gazy szlachetne, siarka, diament, grafit, chlorek sodu, kwarc, ciekły azot. Do tego należy dodać prawie wszystkie związki organiczne i większość związków nieorganicznych. Z metali najsilniejsze właściwości diamagnetyczne wykazuje bizmut.
Wartość indukcji pola magnetycznego wytworzonego w diamagnetyku jest wprost proporcjonalna do indukcji pola zewnętrznego, co oznacza, że współczynnik ma dla diamagnetyka stałą wartość.
Jak to się dzieje, że diamagnetyki zmniejszają pole magnetyczne?
Na początku należy stwierdzić, że atomy substancji diamagnetycznych mają zerowy moment magnetycznymoment magnetycznymoment magnetyczny. Czyżby ustał w nich ruch elektronów? Absolutnie tak się nie dzieje! Chodzi o to, że momenty magnetyczne poszczególnych elektronów w atomie wzajemnie się znoszą. Wyobraźmy sobie na przykład atom helu. Ma on wypełnioną powłokę elektronową, na której znajdują się 2 elektrony (Rys. 3.).
R1KBh1u8EakHI
Wypadkowy moment magnetyczny atomu helu równy jest zeru. Okazuje się, że tego typu atomów, o wszystkich sparowanych elektronachelektrony sparowanesparowanych elektronach, a więc pozbawionych momentu magnetycznego, jest całkiem sporo. Zauważ, że jeśli dla jakiegoś obiektu wektor jest zerowy, to ten obiekt nie wytwarza pola magnetycznego. Tak jest właśnie z atomami diamagnetyków.
Co się stanie, jeśli atom diamagnetyka wprowadzimy w zewnętrzne pole magnetyczne? Na to pytanie poprawnie odpowiada fizyka kwantowa. Tutaj możemy przedstawić jedynie uproszczony, poglądowy model diamagnetyzmu.
Wprowadzenie w zewnętrzne pole magnetyczne spowoduje, że w atomie zajdzie zjawisko indukcji elektromagnetycznejindukcja elektromagnetycznaindukcji elektromagnetycznej. Z punktu widzenia obecnego w atomie elektronu pojawi się wirowe pole elektryczne (Rys. 4a.).
RAUwL1j1x2SEP
Spowoduje ono pojawienie się „prądu atomowego”. Prąd ten - zgodnie z regułą Lenzareguła Lenzaregułą Lenza - wytworzy pole magnetyczne „przeciwdziałające” zmianom strumienia zewnętrznej indukcji magnetycznej przez powierzchnię „obwodu”, czyli - w naszym modelu - orbity elektronu. W sytuacji przedstawionej na Rys. 4a. pole to będzie - w środku zaznaczonej linią przerywaną pętli - przeciwne do zewnętrznego. Analogicznie będzie z wektorem momentu magnetycznego, co - po zatrzymaniu magnesu - widoczne jest na Rys. 4b.
RoNvDiYC4Ljw4
Można spytać, dlaczego ten (powstały wskutek zmiany strumienia indukcji magnetycznej) prąd w atomach nie ustaje, gdy przestaniemy zmieniać strumień. Przysunęliśmy magnes i już jest nieruchomy, a nadal nie ustaje wywołany indukcją ruch elektronów. Z podobną sytuacją mamy do czynienia w nadprzewodniku, który ma praktycznie zerowy opór elektryczny. Zatem w naszej sytuacji - z braku materialnego przewodnika i jakiejkolwiek przeszkody dla ruchu elektronów - wzbudzony w atomie prąd będzie płynął w nieskończoność, chyba że coś go „wyłączy”.
„Prąd” ten wytwarza pole magnetyczne, więc można mierzyć jego magnetyczny moment dipolowy.
A w jaki sposób można wyjaśnić „zniknięcie” uprzednio wytworzonego momentu magnetycznegomoment magnetycznymomentu magnetycznego, gdy usuniemy z obszaru diamagnetyka zewnętrzne pole magnetyczne? Tak jest istotnie: diamagnetyk nie wykazuje żadnej pozostałości magnetycznej, więc atomowe momenty magnetyczne powinny zniknąć.
Jeśli zaczniemy oddalać magnes od atomu z Rys. 4b., wygenerujemy wirowe pole elektryczne o zwrocie przeciwnym do tego przedstawionego na Rys. 4a. - patrz Rys. 5a. Spowoduje ono - obrazowo rzecz biorąc - „wyhamowanie” uprzednio wyindukowanego prądu.
Rxs5pgsf6Qun7
Na Rys. 5b. - być może niezbyt ciekawym, ale ważnym - mamy atom już bez „prądu atomowego” i oddalony odeń magnes. Istotne jest, że pokazaliśmy, skąd bierze się brak trwałego namagnesowania w takiej sytuacji.
R1R2ZKVOq8C2d
W próbce diamagnetyka mamy ogromną liczbę atomów. Choć efekt wytwarzania przeciwnego pola w pojedynczym atomie jest bardzo słaby, to sumaryczny efekt jest już zauważalny, chociaż nadal niewielki. Np. dla bizmutu - metalu, w którym diamagnetyzm manifestuje się najsilniej - względna przenikalność magnetyczna . Jeśli wprowadzimy próbkę bizmutu w pole magnetyczne o indukcji równej , to zmierzona wartość indukcji w bizmucie będzie wynosiła . Widać efekt zmniejszenia pola magnetycznego. Na magnetyczne pole wypadkowe składa się pole zewnętrzne i przeciwnie skierowane pole wytworzone w atomach tego metalu.
Słowniczek
Teslomierz
Teslomierz
(ang.: teslameter) - przyrząd do pomiaru indukcji magnetycznej. Składa się z przetwornika pola magnetycznego w sygnał elektryczny oraz układu do pomiaru sygnału. Ze względu na zasadę działania wyróżniamy teslomierze hallotronowe, rezonansowe, indukcyjne oraz transduktorowe.
Dipol magnetyczny
Dipol magnetyczny
(ang.: magnetic dipole) - układ wytwarzający pole magnetyczne, które cechuje magnetyczny moment dipolowy, na przykład magnes trwały, solenoid lub pojedyncza pętla z prądem. Wszystkie skończone źródła pola magnetycznego są dipolami.
Moment magnetyczny
Moment magnetyczny
(ang.: magnetic dipole moment) - wielkość fizyczna cechująca dipol magnetyczny, która określa jego oddziaływanie z zewnętrznym polem magnetycznym. Moment magnetyczny dipolowy definiuje się przez moment siły działający na niego w zewnętrznym polu magnetycznym .
Indukcja elektromagnetyczna
Indukcja elektromagnetyczna
(ang.: electromagnetic induction) - wytwarzanie prądu indukcyjnego w obwodzie zamkniętym w wyniku zmiany strumienia pola magnetycznego przez ten obwód.
Reguła Lenza
Reguła Lenza
(ang.: Lenz' rule) - reguła ułatwiająca szybkie wyznaczenie kierunku prądu indukcyjnego. Formułuje się ją najczęściej w następujący sposób:
Kierunek prądu indukcyjnego jest taki, że przeciwdziała zmianie strumienia magnetycznego, która go wywołała.
„Przeciwdziałanie” polega na tym, że jeśli strumień indukcji przez powierzchnię rozpiętą na obwodzie rośnie, to pole magnetyczne wytworzone przez prąd indukcyjny w tym obwodzie jest tak skierowane, żeby zmniejszać ten strumień. I odwrotnie: gdy strumień maleje, to wyindukowane pole magnetyczne jest skierowane tak, żeby ten strumień zwiększyć.
Elektrony sparowane
Elektrony sparowane
(ang.: paired electrons) - w fizyce atomowej określenie dla pary elektronów w jednym atomie, mających bardzo zbliżone energie i łączny (wypadkowy) moment magnetyczny równy zero.