Кіріспе

Диамагнетизм – магнит өрісінен итерілетін материалдардың қасиеті; сыртқы магнит өрісі оларда кері бағытталған индукцияланған магнит өрісін тудырады, осылайша итергіш күш пайда болады. Пара- және ферромагниттік материалдар керісінше, магнит өрісіне тартылады. Диамагнетизм – барлық материалдарда болатын кванттық механикалық құбылыс; егер ол магнетизмге жалғыз үлес қосса, онда материал диамагнетик деп аталады. Парамагниттік және ферромагниттік заттарда әлсіз диамагниттік күш материалдағы магниттік дипольдердің тартымды күшімен жеңіледі. Диамагниттік материалдардың магниттік өткізгіштігі вакуумдық өткізгіштік μ0-ден кем. Көптеген материалдарда диамагнетизм әлсіз эффект болып табылады, оны жоғары сезімтал зертханалық құралдар ғана анықтай алады, бірақ суперөткізгіш күшті диамагнетик ретінде әрекет етеді, өйткені ол өзінің ішкі кеңістігінен кез келген магнит өрісін толығымен шығарып тастайды (Майснер эффектісі). Диамагнетизм алғаш рет 1778 жылы Антон Брюгманс висмуттың магнит өрісінен итерілетінін байқағанда ашылды. 1845 жылы Майкл Фарадей оның материяның қасиеті екенін көрсетті және кез келген материалдың (диамагниттік немесе парамагниттік) сыртқы магнит өрісіне жауап беретінін тұжырымдады. Уильям Уивеллдің ұсынысымен Фарадей алғашқыда бұл құбылысты диамагнетикалық деп атады (диа префиксі – арқылы немесе бойымен деген мағынаны білдіреді), кейін оны диамагнетизм деп өзгертті. Химияда бөлшектің (атом, ион немесе молекуланың) парамагниттік немесе диамагниттік екенін анықтау үшін қарапайым тәсіл қолданылады: егер бөлшектегі барлық электрондар жұптасқан болса, онда осы бөлшектен жасалған зат диамагнетик болады; егер жұптаспаған электрондары болса, онда зат парамагнетик болады.

Материалдар

Диамагнетизм – барлық материалдардың қасиеті және материалдың магнит өрісіне реакция жасауына әрқашан әлсіз үлес қосады. Дегенмен, магнетизмнің басқа түрлері (мысалы, ферромагнетизм немесе парамагнетизм) одан әлдеқайда күшті, сондықтан материалда әртүрлі магнетизм түрлері болғанда, диамагнетизмнің үлесі көбінесе ескерілмейді. Диамагниттік мінез-құлық ең күшті әсер ететін заттар диамагниттік материалдар немесе диамагниттер деп аталады. Диамагниттік материалдар – көптеген адамдардың пікірінше магниттік емес заттар, оларға су, ағаш, мұнай және кейбір пластиктер сияқты көптеген органикалық қосылыстар, сондай-ақ мыс және әсіресе, көптеген ядролық электрондары бар ауыр металдар – сынап, алтын және висмут жатады. Әртүрлі молекулалық фрагменттердің магниттік сезімталдық шамалары Паскаль тұрақтылары деп аталады (lt=Пол Паскаль атымен аталған). Диамагниттік материалдар, мысалы, су немесе су негізіндегі материалдар, салыстырмалы магниттік өткізгіштігі 1-ге тең немесе одан кем, демек, магниттік сезімталдығы 0-ге тең немесе одан кем болады, себебі сезімталдық ретінде анықталады. Бұл диамагниттік материалдардың магнит өрістерінен тебілетінін білдіреді. Алайда, диамагнетизм өте әлсіз қасиет болғандықтан, оның әсерлерін күнделікті өмірде байқау қиын. Мысалы, су сияқты диамагниттердің магниттік сезімталдығы ең күшті диамагниттік материал – висмут, бірақ пиролиттік көміртек бір жазықтықта сезімталдығы болуы мүмкін. Дегенмен, бұл шамалар парамагниттер мен ферромагниттердің көрсеткен магнетизмінен бірнеше есе кішідір. χv ішкі магнит өрісінің сыртқы өріске қатынасынан туындағандықтан, ол өлшемсіз шама болып табылады. Сирек жағдайларда диамагниттік үлес парамагниттік үлестен күшті болуы мүмкін. Бұл алтынға қатысты, оның магниттік сезімталдығы 0-ден кем (және де ол, анықтамасы бойынша, диамагниттік материал), бірақ рентгендік магниттік айналмалы дихроизммен мұқият өлшенгенде, күшті диамагниттік үлес басып тастайтын өте әлсіз парамагниттік үлесі бар. +Белгілі диамагниттік материалдарМатериал χv [× 10−5 (SI бірліктері)]Суперөткізгіш −105Пиролиттік көмір −40.9Висмут −16.6Неон −6.74Сынап −2.9Күміс −2.6Көміртек (алмаз) −2.1Қорғасын −1.8Көміртек (графит) −1.6Мыс −1.0Су −0.91

Жоғары өткізгіштер

Суперөткіштерді толық диамагниттер деп санауға болады, себебі олар Мейснер эффектісіне байланысты барлық магниттік өрістерді (жіңішке беттік қабаттан басқа) сыртқа шығарады.

Су бетінің қисық реңктері

Егер күшті магнит (мысалы, супермагнит) су қабатымен (магнит диаметріне қарағанда жұқа) жабылса, онда магнит өрісі суды күшті түрде итеріп жібереді. Бұл су бетінде шағылысу арқылы көрінетін аз ғана ойыс тудырады.

Левитация

Диамагниттер қуатты тұтынусыз магнит өрісінде тұрақты тепе-теңдікте көтерілуі мүмкін. Эрншоу теоремасы статикалық магниттік левитация мүмкіндігін жоққа шығарады. Алайда, Эрншоу теоремасы тек оң магниттік сезімталдыққа ие заттарға ғана қолданылады, мысалы ферромагниттер (тұрақты оң моменті бар) және парамагниттер (оң моментті тудыратын). Бұл заттар өрістің максималды нүктелеріне тартылады, ал бос кеңістікте мұндай нүктелер жоқ. Диамагниттер (жағымсыз моментті тудыратын) өрістің минималды нүктелеріне тартылады, ал бос кеңістікте өрістің минималды нүктесі болуы мүмкін. Диамагниттік қасиеті ерекше жоғары пиролитті графиттің жұқа кесігі, сирек кездесетін тұрақты магниттердің өрісіндегідей, магнит өрісінде тұрақты түрде жүзуге қабілді. Бұл компоненттердің бәрі бөлме температурасында қолданылуы мүмкін, бұл диамагнетизмді визуальды түрде тиімді және салыстырмалы түрде ыңғайлы демонстрациялайды. Нидерландыдағы Нимгеген қаласындағы Радбоуд университеті су және басқа да заттарды левитация арқылы сынап көрген тәжірибелер жүргізді. Ең таңғажайып нәрсе – тірі бақаның (суретті қараңыз) көтерілуі болды. 2009 жылдың қыркүйегінде NASA-ның Калифорния штатының Пасадена қаласындағы Jet Propulsion Laboratory (JPL) суперөткізгіш магнитті пайдаланып тышқандарды левитацияға қол жеткізгенін жариялады, бұл маңызды қадам болды, өйткені тышқандар биологиялық жағынан бақаларға қарағанда адамға жақын. JPL микрогравитацияның сүйек және бұлшық ет массасына тигізетін әсерін зерттеу үшін эксперименттер жүргізуді жоспарлап отыр. Ақуыз кристалдарының өсуін зерттеген жақындағы тәжірибелер Жердің гравитациясына қарсы әрекет ететін жағдайда өсуге мүмкіндік беретін, күшті магниттерді қолдануға негіделген жаңа техникаға әкелді. Көрсету үшін үйде жасалған қарапайым құрылғыны висмут пластиналарынан және тұрақты магнитті левитациялайтын бірнеше тұрақты магниттерден құрастыруға болады.

Теория

Материалдағы электрондар, әдетте, орбитальдарда орналасады, нәтижесінде дерлік кедергі болмайды және ток айналымдары сияқты қызмет етеді. Сондықтан, диамагнетизм эффектілерінің жиі кездесетінін елестетуге болады, себебі кез келген қолданылған магнит өрісі осы айналымдарда өзгеріске қарсы токтар тудырады, бұл өте жақсы диамагнетиктер болып табылатын суперөткізгіштерге ұқсас. Дегенмен, электрондар протондардың зарядымен орбитальдарда берік ұсталып, сонымен қатар Паулидің тыйым салу принципімен шектелгендіктен, көптеген материалдар диамагнетизмді көрсетеді, бірақ қолданылған өріске әдетте өте аз сезімталдық танытады. Бор-Ван Лиувен теоремасы таза классикалық жүйеде диамагнетизмнің немесе парамагнетизмнің болуы мүмкін емес екенін дәлелдейді. Алайда, Лангевиннің диамагнетизмге арналған классикалық теориясы кванттық теориямен бірдей нәтиже береді. Классикалық теория төменде келтірілген.

Лангевин диамагнетизмі

Пол Лангевеннің диамагнетизм теориясы (1905) жабық электрондық қабықшалары бар атомдарды қамтитын материалдарға қолданылады (диэлектриктерді қараңыз). Е зарядты және m массалы электронға B интенсивтілігіндегі өріс қолданғанда, Лармор прецессиясы туындайды, оның жиілігі . Бірлік уақыттағы айналу саны , сондықтан Z электроны бар атом үшін ток (СИ бірліктерінде) тең болады. Атомдарда Лангевин тұрақсыздығы Ван Влектың парамагниттік тұрақсыздығымен шамалас болады.

Металдар

Лангевин теориясы металдар үшін толық картина емес, себебі оқшауланбаған электрондар да бар. Еркін электрондық газдағы диамагнетизмді сипаттайтын теория Ландау диамагнетизмі деп аталады, ол Лев Ландаудың құрметіне аталған және электрондардың траекториясы Лоренц күшінің әсерінен қисайған кезде пайда болатын әлсіз қарсыласу өрісін қарастырады. Алайда, Ландау диамагнетизмін Паули парамагнетизмімен салыстыру қажет, бұл оқшауланбаған электрондардың спиндерінің поляризациясымен байланысты эффект. 3D жүйенің және әлсіз магниттік өрістердің жағдайында (көлемдік) диамагниттік сезімталдық Ландау квантталуын қолдана отырып есептелуі мүмкін, ол СИ бірліктерінде Ферми энергиясына тең:

мұндағы – Ферми энергиясы. Бұл , дәл Паули парамагниттік сезімталдығына тең, мұнда – Бор магнетоны және – энергия бірлігіне шаққандағы күйлердің тығыздығы (көлемге шаққандағы күйлер саны). Бұл формула тасымалдаушылардың спиндік дегенерациясын (спині ½ болатын электрондар) ескереді. Допингтелген жартылай өткізгіштерде Ландау және Паули сезімталдықтары арасындағы қатынас заряд тасымалдаушылардың вакуумдағы электрон массасынан өзгеше болуына байланысты өзгеруі мүмкін, бұл диамагниттік үлеске қосымша үлестің енуіне әкеледі. Бұл жерде ұсынылған формула тек көлемдік материалдарға қатысты; кванттық нүктелер сияқты шектелген жүйелерде кванттық шектелудің салдарынан сипаттама өзгереді. Сонымен қатар, күшті магниттік өрістерде оқшауланбаған электрондардың сезімталдығы өріс күшіне байланысты тербеледі, бұл құбылыс Де Хаас-Ван Альфен эффекті деп аталады, оны алғаш рет Ландау теориялық тұрғыдан сипаттады.