Diamagnetismo

El diamagnetismo es una forma de magnetismo que exhiben algunos materiales en presencia de un campo magnético . Los materiales diamagnéticos se caracterizan por el hecho de que la magnetización tiene la dirección opuesta al campo magnético, por lo que estos materiales son débilmente "repelidos". Este es un efecto muy débil de naturaleza cuántica , cancelado si el material tiene otras propiedades magnéticas como ferromagnetismo o paramagnetismo . En el campo no científico, los materiales diamagnéticos a menudo se denominan simplemente no magnéticos .

En la experiencia común, las sustancias que muestran un comportamiento diamagnético son el agua , la mayoría de las sustancias orgánicas (ADN, aceites, plásticos) y algunos metales como el mercurio , el oro , el cobre , la plata y el bismuto .

Historia

En 1778, SJ Brugmans observó por primera vez que los campos magnéticos repelían el bismuto y el antimonio . Sin embargo, el término diamagnetismo fue acuñado por Michael Faraday en septiembre de 1845, cuando descubrió que todos los materiales en la naturaleza poseen un componente diamagnético en respuesta a un campo magnético externo aplicado.

Descripción

Susceptibilidad de algunos materiales diamagnéticos [1]

Material	x v (10 −5 )
superconductores	−10 5
Carbón pirolítico	−40,0
Bismuto	−16,6
Mercurio	−2,9
Plata	−2,6
Carbono (diamante)	−2,1
Guiar	−1,8
Carbono (grafito)	−1,6
Cobre	−1,0
Cascada	−0,91

El diamagnetismo se observa en aquellos materiales cuyas moléculas no poseen su propio momento dipolar magnético , pero cuya magnetización se realiza únicamente por el fenómeno de la precesión de Larmor .

La relación que une los vectores y es proporcionalmente lineal: $\ matemáticasbf H$ $\matemáticas M$

{\ matemáticasbf M} = \ chi _ {m} {\ matemáticasbf H}

donde es la susceptibilidad magnética . En los materiales diamagnéticos la permeabilidad magnética relativa es menor o igual a 1 y por lo tanto la susceptibilidad magnética es una constante negativa: [2] esto describe (pero no explica) por qué los materiales diamagnéticos son "repelidos" por el campo magnético, es decir, y tienen la dirección opuesta. $\chi_{m}$ $\mu_r$ $\chi_{m} = \mu_{r}-1$ $\matemáticas M$ $\ matemáticasbf H$

Superconductores

Los superconductores pueden considerarse materiales diamagnéticos perfectos en los que . Utilizan el efecto Meissner para expulsar el campo de su interior, excepto una fina capa superficial. $\chi_{m} = - 1$

Diamagnetismo de Langevin

El teorema de Bohr-van Leeuwen muestra que no puede haber diamagnetismo en un sistema físico puramente clásico. Sin embargo, la teoría clásica del diamagnetismo de Langevin, en la que el electrón es tratado como una carga que gira alrededor del núcleo y cuyo movimiento constituye una corriente microscópica, proporciona resultados acordes con los obtenidos mediante el enfoque (exacto) proporcionado por la mecánica cuántica . [3] El modelo de Langevin se aplica a materiales que contienen átomos cuyas capas electrónicas están completas, por lo que no se aplica a los metales .

Un campo de intensidad aplicado a un electrón de carga y masa da una precesión de Larmor con frecuencia y el número de revoluciones por unidad de tiempo es , de modo que la corriente electrónica para un átomo de electrones es: [3] $B.$ $Y$ $metro$ $\ omega = eB / 2m$ $\ omega / 2 \ pi$ $Z$

yo = - {\ frac {Ze^{2} B} {4\pi m}}

El momento magnético es igual a la corriente por el área del bucle, que en este caso es la órbita del electrón. Esta área está dada por , con la distancia promedio del electrón desde el eje z a lo largo del cual se supone que se dirige el campo. Por lo tanto, el momento magnético viene dado por: $\mu$ $\pi\izquierda\langle\rho^{2}\derecha\rangle$ $\izquierda\langle\rho^{2}\derecha\rangle$

\ mu = - {\ frac {Ze ^ {2} B} {4m}} \ langle \ rho ^ {2} \ rangle

Si la distribución de carga tiene simetría esférica se puede suponer que las coordenadas son variables independientes e idénticamente distribuidas , y en este caso:

\ izquierda \ langle x ^ {2} \ derecha \ rangle = \ izquierda \ langle y ^ {2} \ derecha \ rangle = \ izquierda \ langle z ^ {2} \ derecha \ rangle = {\ frac {1} {3 }} \ izquierda \ langle r ^ {2} \ derecha \ rangle

donde es la distancia promedio de los electrones al núcleo. Por lo tanto: $\ izquierda \ langle r ^ {2} \ right \ rangle$

\ izquierda \ langle \ rho ^ {2} \ derecha \ rangle = \ izquierda \ langle x ^ {2} \ derecha \ rangle + \ izquierda \ langle y ^ {2} \ derecha \ rangle = {\ frac {2} { 3}} \ izquierda \ langle r ^ {2} \ right \ rangle

Si es el número de átomos por unidad de volumen, la susceptibilidad magnética es: $No.$

\ chi = {\ frac {\ mu _ {0} N \ mu} {B}} = - {\ frac {\ mu _ {0} NZe ^ {2}} {6m}} \ langle r ^ {2} \ rango

Diamagnetismo en metales

Los metales tienen electrones libres y por tanto no se les puede aplicar el modelo de Langevin . La teoría del diamagnetismo para un gas de electrones se denomina diamagnetismo de Landau y se basa en el campo generado por la curvatura de su trayectoria mediante la fuerza de Lorentz . Este efecto es contrarrestado por el paramagnetismo de Pauli asociado con la polarización de espín de los electrones libres. [4] [5]

Sin embargo, para identificar si una configuración electrónica es estable, es necesario aplicar la regla de Hund que establece: el arreglo de electrones más estable en un subnivel es el que tiene el mayor número de espines paralelos. La disposición de los electrones dentro del carbono, por ejemplo, satisface esta afirmación. Tenga cuidado, porque los giros paralelos, según Hund, hacen que el metal sea paramagnético.

Notas

^ Propiedades magnéticas de los sólidos, Carl L., Hyper Physics
^ Libro de oro de la IUPAC , "diamagnético "
^ a b Charles Kittel , Introducción a la física del estado sólido , sexto, John Wiley & Sons , 1986, págs. 299-302, ISBN 0-471-87474-4 .
^ MC Chang, Diamagnetism and paramagnetism ( PDF ), en notas de conferencias de NTNU . Consultado el 24 de febrero de 2011 .
^ Nikos Drakos, Ross Moore y Peter Young, Diamagnetismo de Landau , sobre electrones en un campo magnético , 2002. Consultado el 27 de noviembre de 2012 .

Bibliografía

Corrado Mencuccini, Vittorio Silvestrini, Física II , Nápoles, Liguori Editore, 2010, ISBN 978-88-207-1633-2 .
( EN ) John D Jackson, Electrodinámica clásica , 3ª edición, Wiley, 1999, ISBN 0-471-30932-X .
Griffiths, David J., Introducción a la electrodinámica (3.ª ed.) , Prentice Hall, 1998, ISBN 0-13-805326-X .

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Enlaces externos

( EN ) Diamagnetismo , en Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.