دیامغناطیس

در این ویدیو می خواهم تاثیر دیامغناطیس را نشان دهم. دیامغناطیس به رفتار یک ماده برای ایجاد یک میدان مغناطیسی داخلی اشاره دارد که در جهت مخالف میدان مغناطیسی بیرونی است. این خاصیت همه ماده است. اما فقط در موادی قابل مشاهده است که دیامغناطیس با پارامغناطیس (تقویت میدان بیرونی از طریق فرآیندهای درونی) یا فرومغناطیس پوشانده نشده است. دیامغناطیس در مقایسه با انواع دیگر مغناطیس بسیار ضعیف است.
به ویژه مواد دیامغناطیس عبارتند از مس، بیسموت، طلا و نقره. (منبع: Stöcker, Taschenbuch der Physik, 5. korrigierte Auflage 2004 [Stöcker, Pocketbook of Physics, تجدید نظر شده ویرایش پنجم 2004])

ویدیوی من چهار آهنربای انباشته Q-20-20-10-N را نشان می دهد. بنابراین نگه داشتن کل پشته آسان تر است، یک تکه فلز کوچک (در این مورد یک چاقوی آهنی) بین آهنربای دوم و سوم قرار داده شد.
آهنرباها روی یک کاسه شیشه ای قرار گرفتند که لبه آن با آب پر شده بود. فاصله بین سطح آب و کف آهنرباها حدود 1 تا 2 میلی متر است. دوربین در مقابل کاسه شیشه ای قرار داشت و زاویه دید از زیر به سمت سطح آب کمی به سمت بالا متمایل بود. در این زاویه کم انعکاس کل وجود دارد، بنابراین این احتمال را که اثر مشاهده شده می تواند صرفاً بازتابی از قسمت زیرین آهنربا باشد، منتفی می شود.
یک تکه کاغذ سفید روی میز پشت کاسه شیشه ای گذاشته بود (که مستقیماً در انعکاس آب قابل مشاهده نیست). پشت کاسه شیشه ای و مستقیماً پشت کاغذ یک پس زمینه سبز تیره قرار دارد (نور در آن منعکس می شود).

هنگامی که میدان مغناطیسی به سطح آب نزدیک می شود، یک فرورفتگی کوچک ظاهر می شود. این فرورفتگی فقط به طور غیرمستقیم قابل مشاهده است: از آنجایی که سطح صاف آب زمینه تیره را منعکس می کند و برآمدگی کوچک کاغذ سفید را منعکس می کند، به وضوح قابل مشاهده است که سطح آب مخدوش شده است.
برای اثبات اینکه این اثر در اثر تماس آهنرباها با آب ایجاد نمی شود، آهنرباها عمداً با سطح آب تماس گرفتند. بلافاصله، قسمت زیرین آهنربای پایین قابل مشاهده می شود.
حرکت آهنرباها در بالای آب نشان می دهد که این اثر تنها به دلیل قرار گرفتن آهنرباها ایجاد می شود.
تحقیقات بیشتر نشان داد که این اثر جابجایی آب در میدان‌های مغناطیسی ناهمگن قوی‌تر از میدان‌های همگن است، مانند آنچه در اینجا استفاده می‌شود. این اثر را می توان با استفاده از آهنرباهای قوی تر افزایش داد. یک میدان ناهمگن باعث افزایش بیشتر اثر می شود.
در این مرحله، من می خواهم تأکید کنم که موسی از این روش برای جدا کردن آب دریای سرخ استفاده نکرد. یک میدان مغناطیسی به اندازه کافی قوی احتمالا فقط در ستارگان (نوترونی) ایجاد می شود.

مواد دیامغناطیسی توسط یک میدان مغناطیسی دفع می شوند. یک میدان مغناطیسی اعمال شده یک میدان مغناطیسی القایی در آنها در جهت مخالف ایجاد می کند و باعث ایجاد نیروی دافعه می شود. در مقابل، مواد پارامغناطیس و فرومغناطیسی توسط یک میدان مغناطیسی جذب می شوند. دیامغناطیس یک اثر مکانیکی کوانتومی است که در همه مواد رخ می دهد. هنگامی که این ماده تنها سهمی در مغناطیس دارد، ماده دیامغناطیس نامیده می شود. در مواد پارامغناطیس و فرومغناطیسی، نیروی دیامغناطیس ضعیف با نیروی جاذبه دوقطبی های مغناطیسی موجود در ماده غلبه می کند. نفوذپذیری مغناطیسی مواد دیامغناطیس کمتر از نفوذپذیری خلاء، μ0 است. در بیشتر مواد، دیامغناطیس یک اثر ضعیف است که فقط با ابزارهای حساس آزمایشگاهی قابل تشخیص است، اما یک ابررسانا به عنوان یک دیامغناطیس قوی عمل می کند زیرا یک میدان مغناطیسی را به طور کامل از درون خود دفع می کند.

با نگه داشتن مواد دیامغناطیسی در یک میدان مغناطیسی، حرکت مداری الکترون به گونه ای تغییر می کند که گشتاورهای دوقطبی مغناطیسی بر روی اتم ها / مولکول ها در جهت مخالف میدان مغناطیسی خارجی القا می شود، همانطور که در شکل نشان داده شده است.
برهمکنش مواد دیامغناطیسی در میدان مغناطیسی
دیامغناطیس اولین بار زمانی کشف شد که آنتون بروگمنز در سال 1778 مشاهده کرد که بیسموت توسط میدان های مغناطیسی دفع می شود.[1] در سال 1845، مایکل فارادی نشان داد که این خاصیت ماده است و به این نتیجه رسید که هر ماده ای (به صورت دیامغناطیسی یا پارامغناطیسی) به یک میدان مغناطیسی اعمال شده پاسخ می دهد. به پیشنهاد ویلیام ویول، فارادی ابتدا به این پدیده به عنوان دیامغناطیس اشاره کرد (پیشوند دیا به معنای از طریق یا عرض)، سپس آن را به دیامغناطیس تغییر داد.[2][3]

یک قانون ساده ساده در شیمی برای تعیین اینکه آیا یک ذره (اتم، یون یا مولکول) پارامغناطیس یا دیامغناطیس است استفاده می‌شود:[4] اگر همه الکترون‌های موجود در ذره جفت شوند، ماده ساخته شده از این ذره دیامغناطیس است. اگر الکترون های جفت نشده داشته باشد، آن ماده پارامغناطیس است.

1- Gerald Küstler (2007). “Diamagnetic Levitation – Historical Milestones”. Rev. Roum. Sci. Techn. – Électrotechn. Et Énerg. 52, 3: 265–282.
2- Jackson, Roland (21 July 2014). “John Tyndall and the Early History of Diamagnetism”. Annals of Science. 72 (4): 435–489. doi:10.1080/00033790.2014.929743. PMC 4524391. PMID 26221835.
3- “diamagnetic, adj. and n”. OED Online. Oxford University Press. June 2017.
4- “Magnetic Properties”. Chemistry LibreTexts. 2 October 2013. Retrieved 21 January 2020.

دیامغناطیس اغلب بر اساس این واقعیت توضیح داده می شود که آب دارای دو الکترون جفتی در اوربیتال های هیبرید شده آنها بر اساس نظریه پیوند والانس است. این تا حدی درست است زیرا می دانیم که نظریه پیوند ظرفیت معیار درستی برای مغناطیس نیست.

نظریه صحیح‌تر برای توضیح این موضوع، نظریه اوربیتال مولکولی است که بیان می‌کند آب دیامغناطیس است زیرا اوربیتال‌های مولکولی آن دارای الکترون‌های جفت هستند.

هیچ تناقضی واقعی بین تمایل آب به جذب توسط میدان های الکتریکی و دفع (ضعیف) توسط میدان های مغناطیسی وجود ندارد. به دو موقعیت فیزیکی فکر کنید. میدان الکتریکی ممکن است از مقداری بار نامتعادل در برخی مناطق ناشی شود. میدان مغناطیسی ممکن است از یک منطقه کاملاً خنثی باشد که در آن بارهای مثبت و منفی در جهت مخالف حرکت می کنند. هیچ دلیل منطقی وجود ندارد که چرا این موقعیت های فیزیکی مختلف باید تأثیر یکسانی بر روی آب داشته باشند.

با این حال، حتی به خودی خود، دیا مغناطیس جالب است. اگر بخواهید آب را متشکل از دوقطبی های مغناطیسی کوچک تصور کنید (مثلاً اینکه چگونه می توانید آب را متشکل از دوقطبی های کوچک مولکولی الکتریکی تصور کنید) پس انتظار دارید که آن را فقط بر اساس قیاس با نحوه جذبش به سمت میدان های مغناطیسی جذب کند. به میدان های الکتریکی این قیاس خوب خواهد بود حتی اگر الکتریسیته و مغناطیس هیچ ربطی به یکدیگر نداشته باشند. بنابراین این به ما می گوید که یک تصویر کلاسیک از آب که از دوقطبی های مغناطیسی ثابت تشکیل شده است، مشکلاتی دارد. در واقع دیامغناطیس یک اثر مکانیکی کوانتومی محض است که با این اصطلاحات کلاسیک قابل توصیف نیست.