O que é o Diamagnetismo?
Diamagnetismo é um termo usado para especificar o comportamento de materiais que são repelidos na presença de um campo magnético, em oposição a materiais paramagnéticos e ferromagnéticos que são atraídos por um campo magnético.
Levitação antimagnética.
O diamagnetismo é um efeito quântico que existe em todos os materiais, mas quando um material possui uma das duas outras propriedades, é tão fraco que geralmente não é observado: ferromagnetismo ou paramagnetismo.
Ou seja, o diamagnetismo corresponde ao tipo mais fraco de resposta magnética do sistema.
Em materiais diamagnéticos, os dipolos fundamentais não são permanentes, esses materiais não são afetados por mudanças de temperatura, e seus valores de suscetibilidade são geralmente próximos de uma parte por milhão (10−6) e são sempre negativos, pois a lei de Lenz afirma que um circuito exposto a um campo magnético externo variável produzirá um campo magnético oposto que é o oposto da mudança nesse campo magnético externo.
Os materiais se repelem devido a valores negativos de suscetibilidade, mas o efeito é fraco, ou seja, apenas percebido em campos magnéticos fortes, ordens de magnitude maiores que o campo magnético da Terra.
Foi observado pela primeira vez por Sebald Justinus Brugmans em 1778, quando observou que o bismuto e o antimônio eram repelidos por um campo magnético. Em 1845, Michael Faraday nomeou e estudou o diamagnetismo, através do qual concluiu que o diamagnetismo é uma propriedade da matéria em que todos os materiais respondem de maneira diamagnética ou paramagnética a um campo magnético aplicado a eles.
Material
Materiais diamagnéticos (como água ou materiais à base de água) têm permeabilidade relativa menor ou igual a 1, então sua suscetibilidade magnética é menor ou igual a 0, porque a suscetibilidade é definida por χv = μv – 1. Isso indica que o material diamagnético é repelido pelo campo magnético. No entanto, como o diamagnetismo é uma propriedade fraca, seu efeito não pode ser observado na vida cotidiana. Por exemplo, a suscetibilidade magnética de substâncias diamagnéticas como a água é de cerca de χv = -9,05×10-6. O material diamagnético mais forte é o bismuto com χv = -1,66 × 10-4, embora o grafite pirolítico possa ter uma suscetibilidade magnética de χv = -4,00 × 10-4 em um dos planos. Mesmo assim, esses valores são ordens de grandeza inferiores aos possuídos por materiais paramagnéticos e ferromagnéticos.
Todos os condutores apresentam diamagnetismo mais eficiente ao interagir com um campo magnético variável no tempo. A força de Lorentz agindo sobre os elétrons faz com que eles se movam para formar correntes parasitas, que induzem um campo magnético induzido na direção oposta ao campo magnético aplicado.
A supercondutividade
A transição da condutividade normal (esquerda) para supercondutividade (direita). Durante a transição, o condutor repele o campo magnético e age como um diamagneto perfeito.
Supercondutores são materiais que perdem sua resistência à corrente elétrica abaixo de uma certa temperatura. Os supercondutores são perfeitamente diamagnéticos (χv = -1). Porque repele todos os campos magnéticos (exceto superfícies muito finas) devido ao efeito Meissner. Esse efeito, provavelmente a característica mais conhecida dos supercondutores, é responsável pela levitação magnética dos ímãs, por exemplo, quando são colocados sobre um pedaço de supercondutor. A explicação para esse fenômeno está na completa repulsão do supercondutor ao campo magnético externo, o que torna o campo magnético interno zero, desde que o campo magnético externo aplicado não seja muito forte.
Material diamagnético primário (valor de suscetibilidade χv adimensional).
Material χv [x 10−5]
Supercondutor -105
Grafite Pirolítico -40,9
Bismuto -16,6
Mercúrio -2,9
Prata -2,6
Diamante -2,1
Chumbo -1,8
Grafite -1,6
Cobre -1,0
Água -0,91
A teoria
Nos materiais, os elétrons geralmente estão dispostos em orbitais sem resistência entre eles, atuando como loops de corrente. Portanto, pode-se dizer que, em geral, o efeito do diamagnetismo é universal, pois qualquer campo magnético aplicado induzirá uma corrente nessas espiras oposta à carga, semelhante aos supercondutores, que são inerentemente perfeitamente diamagnéticos. No entanto, como os elétrons são mantidos em órbita pela carga dos prótons, e mais ainda pelo princípio de exclusão de Pauli, muitos materiais exibem diamagnetismo, mas respondem mal aos campos magnéticos aplicados.
O teorema de Bohr-Van Leewen [6][7] prova que paramagnetismo ou diamagnetismo não pode existir em sistemas puramente clássicos, no entanto, a teoria diamagnetismo clássico de Paul Langevin nos dá as mesmas previsões que a teoria quântica. A teoria clássica é a seguinte:
Diamagnético de Langevin
A teoria do diamagnetismo de Langevin se aplica a materiais contendo átomos, e o número de revoluções por unidade de tempo é uma “camada fechada” (veja dielétrico). Um campo magnético de intensidade B, aplicado a um elétron de carga e e massa m, inicia a precessão de Larmor a uma frequência de ω = eB/2m. O número de revoluções por unidade de tempo é ω/2π. Portanto, a corrente de um átomo com elétrons Z é (no SI):
{\displaystyle I=-{Ze^{2}B \over 4\pi m}}{\displaystyle I=-{Ze^{2}B \over 4\pi m}}.
O momento magnético de um loop de corrente é igual a corrente vezes a área do loop. Suponha que o campo é alinhado com o eixo z, a área média do loop pode ser dada por π(ρ²) , onde (ρ²) é a raíz quadrada da distância dos elétrons perpendiculares ao eixo z. O momento magnético é, portanto:
{\displaystyle \mu =-{Ze^{2}B \over 4m}(\rho ^{2})}{\displaystyle \mu =-{Ze^{2}B \over 4m}(\rho ^{2})}.
Se a distribuição da carga é esfericamente simétrica, podemos supor que a distribuição das coordenadas x, y, z são independentes e igualmente distribuídas. Então {\displaystyle \langle x^{2}\rangle =\langle y^{2}\rangle =\langle z^{2}\rangle ={1 \over 3}\langle r^{2}\rangle }{\displaystyle \langle x^{2}\rangle =\langle y^{2}\rangle =\langle z^{2}\rangle ={1 \over 3}\langle r^{2}\rangle }. Onde. {\displaystyle \langle r^{2}\rangle }{\displaystyle \langle r^{2}\rangle }é a raiz quadrada da distância dos elétrons até o núcleo, portanto {\displaystyle \langle \rho ^{2}\rangle =\langle x^{2}\rangle +\langle y^{2}\rangle ={2 \over 3}\langle r^{2}\rangle }{\displaystyle \langle \rho ^{2}\rangle =\langle x^{2}\rangle +\langle y^{2}\rangle ={2 \over 3}\langle r^{2}\rangle }. Se n é o número de átomos por unidade de volume, a susceptibilidade magnética do volume é, em unidades do SI:
{\displaystyle \mathrm {X} ={\mu _{0}n\mu \over B}=-{\mu _{0}e^{2}Zn \over 6m}\langle r^{2}\rangle }{\displaystyle \mathrm {X} ={\mu _{0}n\mu \over B}=-{\mu _{0}e^{2}Zn \over 6m}\langle r^{2}\rangle }
A água curva
Se um ímã forte for coberto com uma camada de água mais fina que o diâmetro do ímã, o campo magnético do ímã repelirá a água, criando uma pequena curvatura na superfície que pode ser vista por reflexão.
Suspenso
Um sapo vivo flutua em um pequeno solenóide de 32 mm de diâmetro com um campo magnético de cerca de 16 Tesla.
Quando submetidos a um campo magnético, materiais diamagnéticos podem experimentar um efeito de levitação em equilíbrio estável sem consumir energia para isso. O teorema de Earnshaw parece descartar a possibilidade de levitação magnetostática, mas o teorema só se aplica a objetos com suscetibilidade magnética positiva, como ferromagnéticos (com um momento magnético positivo permanente) e paramagnéticos (com um momento magnético positivo induzido), que são afetados por um campo máximo, não pode existir no espaço. O diamagnetismo (causando um momento negativo) é atraído pelo campo mínimo que pode existir no espaço livre.
Um pedaço fino de grafite pirolítico, que é altamente diamagnético, flutua de forma estável no campo magnético gerado por ímãs permanentes de terras raras. Este experimento pode ser realizado em temperatura ambiente com todos os componentes, tornando-se assim um excelente exemplo para demonstrar o diamagnetismo.
Um experimento na Universidade Católica Radboud Universiteit Nijmegen suspende água e outras substâncias, especificamente um pequeno sapo vivo (veja a foto).
Em setembro de 2009, a NASA, mais precisamente o Jet Propulsion Laboratory em Pasadena, Califórnia, anunciou que havia concluído com sucesso um experimento usando supercondutores magnéticos para levitar camundongos. [12] Como os camundongos são muito mais biologicamente semelhantes aos humanos do que os sapos, esse feito é importante, e mais experimentos devem ser realizados apesar dos efeitos da microgravidade na massa óssea e muscular.
