Диамагнетики - это что такое?

Диамагнетики - это удивительные вещества, которые ведут себя необычно в магнитном поле. Давайте разберемся, что это такое, почему они так реагируют и где применяются на практике.

Определение диамагнетиков

Диамагнетики - это вещества, которые намагничиваются в направлении, противоположном внешнему магнитному полю. То есть если поле направлено сверху вниз, то диамагнетик намагничивается снизу вверх. Это фундаментальное свойство, присущее всем веществам.

Ключевые свойства диамагнетиков:

• Намагничиваются в противоположную сторону от внешнего поля
• Слабо реагируют на магнитное поле
• Магнитная восприимчивость отрицательная
• Магнитная проницаемость чуть меньше 1

Примерами чистых диамагнетиков являются инертные газы, водород, кремний, медь, золото. Это вещества, в атомах которых магнитные моменты электронов полностью компенсируют друг друга.

В отличие от пара- и ферромагнетиков, диамагнетики очень слабо реагируют на магнитное поле. Но это свойство есть у любых веществ, оно просто перекрывается более сильными эффектами у других магнетиков.

История открытия

В 1778 году С.Дж. Бергман впервые заметил, что висмут и сурьма отталкиваются от магнита. Он положил образцы этих металлов на кораблик из бумаги и подвел к ним магнит - кораблик двинулся в обратную сторону. Но это явление долго не признавали, пока в 1848 году Майкл Фарадей не ввел специальный термин "диамагнетизм".

Фарадей выдвинул гипотезу, что все вещества в той или иной степени проявляют диамагнитные свойства, когда к ним прикладывают внешнее магнитное поле.

Причиной, по которой диамагнетизм так долго не замечали, стала его слабая реакция на поле по сравнению с другими эффектами. Например, пара- и ферромагнетики гораздо сильнее притягиваются магнитом. Поэтому роль диамагнетизма часто оказывалась незаметной.

Причины диамагнетизма

Причина диамагнитных свойств кроется на уровне атомов и их электронов. Согласно квантовой теории, электроны в атоме движутся по орбитам вокруг ядра. Их движение эквивалентно круговым электрическим токам.

Когда на атом действует внешнее магнитное поле, орбиты электронов начинают вращаться вслед за этим полем. Это вращение называется прецессией Лармора. Оно порождает дополнительные индукционные токи, которые создают магнитный момент, направленный навстречу внешнему полю.

Весь этот процесс описывается законом электромагнитной индукции Фарадея. Именно индуцированные токи и вызывают аномальное поведение диамагнетиков в магнитном поле.

Чтобы точно описать некоторые эффекты, связанные с диамагнетизмом, требуются квантовомеханические представления о строении атомов. Но общее понимание можно получить из классической физики.

Таким образом, диамагнетики - это вещества, электроны в атомах которых при намагничивании создают локальные токи, направленные против внешнего магнитного поля. Это фундаментальное квантовое явление присутствует в любых материалах.

Виды диамагнетизма

Существует несколько разновидностей диамагнетизма в зависимости от природы вещества и типа электронов, которые создают индукционные токи.

В металлах часть электронов свободно перемещается между атомами. Эти свободные электроны тоже начинают двигаться по спиралям при наложении внешнего магнитного поля. Такой вид диамагнетизма называется диамагнетизмом свободных электронов.

В диэлектриках, наоборот, почти все электроны связаны со своими атомами. При намагничивании вращаются целые электронные орбитали внутри атомов. Это диамагнетизм связанных электронов.

В жидкостях и твердых телах атомы находятся близко друг к другу и взаимодействуют. Из-за этого орбитали электронов частично деформируются, что приводит к небольшому ослаблению диамагнитного эффекта по сравнению с изолированными атомами.

Особо сильный диамагнетизм проявляется в висмуте и графите, где велик вклад свободных электронов. Этот эффект назван диамагнетизмом Ландау в честь советского физика.

Формулы и константы

Для количественного описания диамагнитных свойств используются такие величины как магнитная восприимчивость χ и магнитная проницаемость μ .

Восприимчивость характеризует намагниченность вещества на единицу напряженности магнитного поля. У диамагнетиков она всегда отрицательна.

Проницаемость показывает, во сколько раз магнитная индукция в веществе больше, чем в вакууме. Для диамагнетиков она чуть меньше единицы.

С помощью формул можно рассчитать вклад каждого электрона в диамагнитную восприимчивость атома. А зная строение атомов в веществе, найти полную восприимчивость, например 1 моля этого вещества.

Эксперименты и демонстрации

Диамагнетики обладают рядом интересных и нетипичных свойств, которые можно продемонстрировать с помощью простых опытов.

Если поместить образец диамагнетика в неоднородное магнитное поле, то он будет выталкиваться из области с более сильным полем в область с меньшим. Это связано со слабым отталкивающим взаимодействием диамагнетиков и магнитного поля.

Также из-за этого тонкий образец будет стремиться установиться перпендикулярно силовым линиям поля, а во вращающемся поле начнет вращаться вслед за ним из-за явления, называемого барнетт-эффект.

Применение диамагнетиков

Несмотря на слабость диамагнитного эффекта, он находит ряд полезных применений на практике:

• Защита чувствительных электронных компонентов от воздействия магнитных полей
• Термоизоляция с помощью диамагнитной левитации
• Создание сверхпроводящих магнитов

Поскольку диамагнетики выталкивают магнитное поле, их используют для экранирования различных устройств, чувствительных к нему - от точных измерительных приборов до магнитных носителей информации.

Явление левитации позволяет подвесить и изолировать образец без механических креплений. Это находит применение в термоизоляции и охлаждении до сверхнизких температур.

Сверхпроводящие магниты

Особого внимания заслуживают сверхпроводники - материалы, которые при очень низких температурах резко теряют электрическое сопротивление и проявляют аномально сильные диамагнитные свойства.

В сверхпроводниках наблюдается так называемый эффект Мейснера - магнитное поле полностью вытесняется из объема материала. Это происходит благодаря появлению макроскопических поверхностных токов, компенсирующих внешнее поле.

Такой сверхдиамагнетизм позволяет создавать очень сильные постоянные магниты на основе сверхпроводящих сплавов. Они используются в ускорителях элементарных частиц, магнитной визуализации и другом научном оборудовании.

Медицинская диагностика

Интересные применения находит и обычный диамагнетизм - например, в медицинской визуализации и диагностике.

Поскольку разные ткани организма обладают слегка разной магнитной восприимчивостью, это позволяет отличать их друг от друга с помощью ядерного магнитного резонанса и других методов.

Кроме того, некоторые вводимые контрастные вещества проявляют сильные диамагнитные или парамагнитные свойства, что улучшает видимость нужных органов и тканей при визуализации.

Химический анализ

В химии диамагнетизм также применяется для изучения строения и свойств различных веществ и химических соединений.

Например, измерение магнитной восприимчивости растворов позволяет судить о концентрации веществ в них, степени диссоциации молекул на ионы.

Кроме того, диамагнитные (и парамагнитные) свойства используют для поиска и исследования новых перспективных материалов - полупроводников, сверхпроводников, магнитных жидкостей.

Диамагнитные аномалии

Хотя диамагнетизм обычно слабо проявляется, у некоторых веществ он имеет аномально большую величину.

Рекордсменами по абсолютной величине диамагнитной восприимчивости являются висмут, пиролитический графит и некоторые сверхпроводники.

Кроме того, при очень низких температурах ферро- и антиферромагнитные материалы могут полностью терять свои магнитные свойства и переходить в диамагнитное состояние.