Diamagnétisme: matériaux diamagnétiques, applications et exemples
Le diamagnétisme est l’une des réponses de la matière en présence d’un champ magnétique externe. Il est caractérisé comme étant 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 devant un aimant, le matériau est considéré diamagnétique. Si d’autres effets magnétiques prédominent, ce sera considéré comme paramagnétique ou ferromagnétique.
Il est attribué à Sebald Brugmans en 1778 la première référence à la répulsion entre l'un des pôles d'un aimant et un morceau de matériau, particulièrement évident dans des éléments tels que le bismuth et l'antimoine.
Plus tard, en 1845, Michael Faraday étudia cet effet de plus près et conclut qu'il s'agissait d'une propriété inhérente à toute matière.
Matériaux diamagnétiques et leur réponse
Le comportement magnétique du bismuth et de l'antimoine, ainsi que d'autres facteurs tels que l'or, le cuivre, l'hélium et des substances telles que l'eau et le bois, diffère grandement de l'attraction magnétique connue et puissante exercée par les aimants sur le fer, le nickel ou le fer. cobalt
Bien qu’il s’agisse généralement d’une réponse de faible intensité, devant un champ magnétique externe suffisamment intense, tout matériau diamagnétique, même la matière organique vivante, est capable de subir une magnétisation opposée très nette.
Générant des champs magnétiques aussi intenses que 16 Tesla (et l’un des 1 Tesla est considéré comme assez intense), les chercheurs du laboratoire Nijmegen High Field Magnet d’Amsterdam (Pays-Bas) ont réussi à faire léviter magnétiquement fraises, pizzas et grenouilles dans les années quatre-vingt-dix.
Il est également possible de léviter un petit aimant entre les doigts d'une personne, grâce au diamagnétisme et à un champ magnétique suffisamment puissant. En soi, le champ magnétique exerce une force magnétique capable d'attirer fortement un petit aimant et on peut essayer que cette force compense le poids, mais le petit aimant ne reste pas très stable, dit-on.
Dès qu'il subit un déplacement minimal, la force exercée par le grand aimant l'attire rapidement. Cependant, lorsque les doigts de l'homme sont interposés 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 de répulsion 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 formés par des particules subatomiques à charge électrique.
Ces particules ne sont pas statiques et leur mouvement est responsable de la production du champ magnétique. Bien entendu, 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 de l'atome avec un mouvement circulaire uniforme. Cela suffit pour que l'électron se comporte comme une petite boucle de courant capable de générer un champ magnétique.
La magnétisation issue de cet effet s'appelle la magnétisation orbitale . Mais l'électron a une contribution supplémentaire au magnétisme de l'atome: le moment angulaire intrinsèque.
Une analogie pour décrire l'origine du moment angulaire intrinsèque est de supposer que l'électron possède un mouvement de rotation autour de son axe, propriété qui reçoit le nom de spin.
En tant que mouvement et particule chargée, le spin contribue également à la soi-disant magnétisation 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 du noyau, bien qu’ils aient une charge électrique et une rotation, ne contribuent pas de manière significative à la magnétisation de l’atome.
Dans les matériaux diamagnétiques, l'aimantation obtenue est nulle, car les contributions du moment orbital et du moment de rotation sont annulées. Le premier à cause de la loi de Lenz et le second, parce que les électrons des orbitales sont établis par paires avec des spins opposés et que les couches 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.
Peu importe l’orientation du champ, la réponse diamagnétique sera toujours répugnante grâce à la loi de Lenz, qui stipule que le courant induit s'oppose à toute modification du flux magnétique dans la boucle.
Mais si le matériau contient une sorte d'aimantation permanente, la réponse sera attrayante, 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 est créée. Grâce à cela, une induction magnétique B est créée à l'intérieur, à la suite de l'interaction qui se produit entre H et M.
Toutes ces quantités sont vectorielles. B et M sont proportionnels à H, avec 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
La magnétisation du matériau sera également proportionnelle à H :
M = χ H
Les équations ci-dessus sont valables dans le système cgs. B et H et M ont les mêmes dimensions, bien que différentes unités. Pour B, le gauss est utilisé dans ce système et pour H, le oersted est utilisé. Cela a pour but de différencier le champ appliqué de manière externe 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 ou est la perméabilité magnétique de l'espace vide qui équivaut à 4π x 10-7 Tm / A (Tesla-mètre / Ampère) et μ r est la perméabilité relative du milieu par rapport 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 est écrite comme suit:
B = (1 + χ) μ ou H
Avec μ r = 1 +
Dans le système international, B est exprimé en Tesla (T), tandis que H est exprimé en ampère / mètre, unité que l’on aurait appelée Lenz, mais qui a été laissée en termes d’unités fondamentales.
Dans les matériaux dans lesquels est négatif, ils sont considérés diamagnétiques. Et c’est un bon paramètre pour caractériser ces substances, car χ peut contenir une valeur constante indépendante de la température. Ce n'est pas le cas dans les matériaux qui ont plus de réponses magnétiques.
En général, χ est de l'ordre de -10-6 à -10-5. Les supraconducteurs se caractérisent par le fait que χ = -1 et que 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 intense 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, comme nous l'avons dit, le diamagnétisme fait partie intégrante de la matière, y compris de la matière organique.
De petits courants électriques circulent dans les humains et les animaux, ce qui crée sans aucun doute un effet magnétique. À ce moment précis, pendant que le lecteur suit ces mots, de petits courants électriques circulent dans son cerveau, ce qui lui permet d'accéder à l'information et de l'interpréter.
La faible magnétisation qui se produit dans le cerveau est détectable. Cette technique est connue sous le nom de magnéto-encéphalographie, qui utilise des détecteurs appelés SQUID ( supraconducteurs à interférence quantique ) pour détecter de très petits champs magnétiques, de l'ordre de 10 à 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 d'environ 1 T est capable d'affecter le lobe pariétal, interrompant une partie de l'activité cérébrale pendant de brefs instants.
D'autres, au contraire, dans lesquels des volontaires ont passé 40 heures à l'intérieur d'un aimant produisant 4 T d'intensité, sont partis sans subir d'effets négatifs observables. L’Université de l’Ohio a au moins indiqué que jusqu’à présent, il n’y avait aucun risque à rester dans les 8 champs T.
Certains organismes, comme les bactéries, peuvent incorporer de petits cristaux de magnétite et les utiliser pour s’orienter dans le champ magnétique terrestre. De même, la magnétite a 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, même si son utilité reste inconnue. On pourrait supposer que c'est une compétence désaffectée.
Quant au traitement de l'eau, il repose sur le fait que les sédiments sont essentiellement des substances diamagnétiques. Il est possible d’utiliser des champs magnétiques intenses et d’éliminer ainsi les sédiments de carbonate de calcium, de gypse, de sel et d’autres substances responsables de la dureté de l’eau et de l’accumulation dans les canalisations et les conteneurs.
C’est un système qui présente de nombreux avantages: préserver l’environnement et maintenir les canalisations en bon état de fonctionnement pendant longtemps et à faible coût.
