Diamagnetism

Ülevaateks vaata Magnetism.

Diamagnetilise aine magnetdomeenid reageerimas välisele magnetväljale

Diamagnetism on magnetismi avaldumisvorm, mille puhul väline magnetväli tekitab teatud ainetes (diamagneetikutes) magnetvälja, mis on vastupidine välisele magnetväljale. Ilma välise magnetväljata pole diamagneetikutel oma magnetvälja; nad on mittemagnetilised. Üldjuhul avaldub diamagnetism üpris nõgalt, tugev on diamagnetiline efekt ainult ülijuhtides.

Üldine iseloomustus

Tuntumad diamagneetikud ja nende magnetiline vastuvõtlikkus χ ^[1]

Ainel	χ (× 10−5)
ülijuht	−105
pürolüütiline grafiit	−40,9
vismut	−16,6
elavhõbe	−2,9
hõbe	−2,6
teemant	−2,1
tina	−1,8
grafiit	−1,6
vask	−1,0
vesi	−0,91

Ükskõik millisele ruumis liikuvale laengule (sealhulgas elektronile) mõjub magnetväljas jõud. Rakendades diamagnetilisele ainele magnetvälja, muutub elektronide nurkkiirus. Sisuliselt hakkavad elektronid kiiremini liikuma.^[2] Sellega kaasneb magnetvälja tekkimine, mis on välise magnetväljaga vastassuunaline (Lenzi reegel) ^[3].^[4] Kuna kõik aatomid omavad elektrone, on ka kõik ained mingil määral diamagnetilised ^[2]. Diamagnetilise välja osakaal on tugevate püsivate magnetmomentidega ainetes üldjuhul väike. Selle tõttu saab diamagnetismi jälgida vaid ainetes, kus ei esine ühtegi teist magnetismi vormi ^[3], seega kui aine ei ole ei para- ega ferromagnetiline.^[5] Diamagnetiliste ainete magnetiline läbitavus on väiksem kui 1 ja magnetiline vastuvõtlikkus on väiksem kui 0 ^[6]. Kui väline väli on null, on ka vastutöötav väli diamagneetikutes null.^[5][7] Diamsgnetilised omadused ei sõltu diamagneetiku temperatuurist ^[8].

Magneetumusvektori (M) sõltuvus magnetvälja tugevusest (H). Magnetilise vastuvõtlikkuse (χ) sõltumatus temperatuurist (T)

Diamagneetikute aatomite välistes elektronkihtides ei esine paardumata elektrone. Mõned näited diamagnetilistest ainetest, mille välimine elektronkiht on täidetud: grafiit, molekulaarne vesinik, vismut, vesi, naatriumkloriid ja kõik leelismetallide ning halogeenide ioonid.^[9][10]

Diamagneetikute molekulidel ei ole püsivat dipoolmomenti .^[3] Välise magnetvälja,rakendamisel tekivad magnetdipoolid, mille dipoolmoment on vastassuunaline välisele magnetväljale. Nähtus järgib parema käe reeglit.^[11]

Diamagnetismi mõistmiseks võib vaadelda kaheelektronilist aatomit, kus elektronide tiirrlevad tuuma suhtes samal kiirusel, aga vastassuundades. Kuna mõlema elektroni magnetmomendid on suuruselt võrdsed ja vastassuunalised, tühistavad need teineteist ja aatomi magnetmoment on null. Kui aga rakendatakse välist magnetvälja, kogevad elektronid lisanduvat jõudu. See jõud lisandub elektrostaatilisele jõule ja suurendab selle elektroni orbitaalkiirust, mille magnetmoment on antiparalleelne välise väljaga, ja vähendab selle elektroni orbitaalkiirust, mille magnetmoment on paralleelne välise väljaga. Selle tõttu ei tühista antud kahe elektroni magnetmomendid enam teibneteist ja aine omandab summaarse magnetmomendi, mis on vastupidine rakendatud välise väljaga.^[3]

Diamagnetismi ja paramagnetismi erinevus seisneb nende vastasuunalises mõjus välise magnetvälja suhtes. Diamagneetik tõukub ja paramagneetik tõmbub magnetvälja suhtes. Dia- ja paramagnetismi erinevust väljendab magnetilise vastuvõtlikkuse χ väärtus: kui χ < 0, on aine diamagneetik, kui χ > 0, siis [[paramagneetik.^[12] Diamagneetikutel on magnetiline läbitavus μ väiksem kui magnetiline konstant μ₀.^[3]

Hariliku juhtivuse (vasakul) muutumine ülijuhtivuseks (paremal). Ülijuhtivuse saavutades, lükkab materjal magnetvälja enda pinnakihtidesse
T – materjali temperatuur; T_c – kriitiline temperatuur, mis on vajalik, et saavutada ülijuhtivust; B – magnetväli

Diamagnetism üijuhtivuse korral

Kuigi diamagnetism on teiste magnetismi nähtustega võrreldes üpris nõrk, siis ülijuhtivuse tingimustes on olukord hoopis teine.. Ülijuhid on täiuslikud diamagneetikud ja tõrjuvad magnetvälja enda sees väljapoole. Tänu diamagnetismile läheneb ülijuhtide elektritakistus nullile.^[12] Seetõttu ei avalda ülijuhist diamagneetik selles tekkivatele pöörisvoolludele paaaega mitte mingit takistust ^[11].

Magnetiline levitatsioon

Konn, käitumas kui diamagneetik.^[13]

Pürolüütiline grafiit hõljumas tugevas magnetväljas

Diamagneetikuid saab magnetväljas leviteerida ehk hõljutada, s.t hoida stabiilses tasakaalus ilma energiatarbimiseta. Kaks tugevaimate diamagnetiliste omadustega ainet on grafiit ja vismut. Nii saab pürolüütilisest grafiidist valmistatud õhukest plaati stabiilselt hõljutada tugevate (näiteks haruldastest muldmetallidest) püsimagnetite väljas. Seda saab teha toatemperatuuril, pakkudes suhteliselt käepärast võimalt diamagnetismi demonstreerimiseks.

Samuti on võimalik panna magnet hõljuma, kasutades vertikaalset ülijuhist õhksüdamikpooliga elektromagnetit. Selle elektromagneti toime on vertikaalselt stabiilne, aga horisontaalselt ebastabiilne. See tähendab, et hõljuv magnet hakkab pooli sees liikuma elektromagneti tsentrist eemale vastu poolialust. Kui selle sisepind on kaetud vismutiga, hakkab hõljuv magnet sellest tõukuma ja võtab pooli sees püsiva asendi.

Kui elektromagnet on stabiilne horisontaalselt, aga vertikaalselt ebastabiilne, saab magnetit panna hõljuma diamagnetiliste plaatidega, mis asetatakse hõljutatava magneti alla ja kohale. Diamagnetilisteks plaatideks saab demonstreerija kasutada näiteks sõrmi.

Diamagnetilist levitatsiooni on sooritatud ka elava koega. Magnetvälja on hõljuma pandud näiteks elus konn. Diamagnetiline tõukumine tasakaalustab kehale mõjuva gravitatsiooni. See võimaldab uurida kaaluta oleku mõju väikestel kehadel, avakosmosesse minemata.^[14]

Ajalugu

S. J. Brugmans avastas 1778. aastal, et vismut ja antimon tõrjuvad väliseid magnetvälju. Termini diamagnetism võttis 1845. aastal kasutusele Michael Faraday, kui ta leidis, et kõik looduses leiduvad ained reageerivad välistele magnetväljadele.^[15]

Vaata ka

• Paramagnetism
• Ferromagnetism