Diamágnesesség

A diamágnesesség a mágnesesség egy formája, amely csak külső mágneses tér hatására jelentkezik. Ez általában egy gyenge hatás, de a szupravezetők erős hatást produkálnak.

Pirolitikus grafit lebegése

A diamágneses anyagok jellegzetes tulajdonsága, hogy bennük a spin- és a pályamomentum semlegesítik egymást, ezért normális állapotukban nincs kifelé irányuló mágneses momentumuk. Lenz törvénye értelmében csak külső tér hatására alakul ki egy azzal ellentétes irányú eredő mágneses mező. A diamágneses anyagok relatív permeabilitása 1-nél kisebb, de 1-hez nagyon közeli érték, a szuszceptibilitása pedig negatív. A diamágneses anyagok a mágneses fluxusvonalakat eltérítik az anyagtól, a szupravezetők teljesen kizárják, kivéve egy igen vékony réteget a felületen.

Története

1778-ban S. J. Bergman figyelte meg először, hogy a bizmut és az antimon taszítja a mágneses teret. Magát a “diamágnesesség” elnevezést Michael Faraday alkotta meg 1845-ben, amikor rájött, hogy a természetben minden anyag rendelkezik valamilyen formájában a diamágnesességgel egy külső mágneses tér hatására.

Diamágneses anyagok

Szupravezető, a tökéletes diamágnes

Ismertebb diamágneses anyagok^[1]

Anyag	${\displaystyle x_{v}(\cdot 10^{-5})}$
Bizmut	-16,6
Szén (gyémánt)	-2,1
Réz	-1,0
Ólom	-1,8
Ezüst	-2,6
Higany	-2,9
Víz	-0,91
Szupravezető	-${\displaystyle 10^{5}}$

A diamágnesesség általános jelenség, mert az összes elektron, beleértve az atom elektronjait, mindig egy gyenge reakciót mutatnak. Azonban azon anyagoknál, amelyek a mágnesesség más formáit mutatják (ferromágnesesség, paramágnesesség) a diamágnesességet teljesen elnyomják. Azok az anyagok, amelyekre leginkább a diamágneses tulajdonságok jellemzőek, diamágneseknek hívjuk. Ezek közé tartoznak a nem-fizikusok által “nem mágneses” anyagoknak nevezett anyagok, mint például a víz, fa, a legtöbb szerves anyag, mint például a petróleum és néhány műanyag és több fém, mint a réz is, különösen a nehézfémek, amelyek sok elektronnal rendelkeznek (higany, arany, bizmut). Különböző molekuláris részek diamágnesességét Pascal-állandónak nevezik.

Diamágneses anyagok relatív mágneses permeabilitása kisebb mint 1, a mágneses szuszceptibilitása kisebb, mint 0, és ezért taszítják a mágneses mezőt. Mivel a diamágnesesség egy gyenge hatású jelenség, ezért a mindennapokban nem figyelhető meg. A fenti táblázatból látható, hogy a legerősebb diamágnesességet mutató anyag a bizmut. A mágneses szuszceptibilitásuk nagyságrendekkel kisebb, mint a para- vagy ferromágneseknek.

A szupravezető lényegében egy tökéletes diamágnes. Amikor egy mágneses mezőbe helyezik, kizárja a mezőt és a fluxusvonalak elkerülik ezt a régiót. (Meissner-Ochsenfeld-effektus) A szupravezető szuszceptibilitása ${\displaystyle x_{v}=-1}$. Ez a hatás nem az örvényáramoknak tudható be, mint ahogy az közönséges diamágneses anyagoknál érvényes.

Továbbá minden vezető effektív diamágneses hatást mutat, amikor változó mágneses térbe kerül. A Lorentz-erő hat az elektronokra, ami előidézi az elektronok körforgását, kialakítva az örvényáramot. Az örvényáramok aztán mágneses teret produkálnak, amely ellentétes az alkalmazott térrel, ellenállva a vezető mozgásával.

Diamágnesesség demonstrálása

Vízfelszín meggörbítése

Ha egy erős mágnest (például szupramágnes) egy vízréteg takar el (a mágnes átmérőjéhez képest vékony rétegben), akkor a mágnes tere meggörbíti a vizet. Ez egy kis gödröcskét képez a víz felszínén.^[2][3]

Diamágneses levitáció

Élő béka lebegése

A képen egy élő béka levitál (lebeg) egy 32 mm átmérőjű Bitter szolenoid függőleges furatában 16 tesla erősségű mágneses térben, a Nijmegen High Field Magnet Laboratory-ban. Diamágneses mágneses térben létrejöhet a lebegés egyensúlyi állapotban, energiafelhasználás nélkül.

Az Earnshaw-elmélet szerint úgy tűnik, hogy a statikus mágneses levitáció kizárt. Azonban az Earnshaw-elmélet csak azokra az objektumokra vonatkozik, amelyeknek pozitív momentumuk van, mint például a ferromágneseknek (amelyeknek permanens pozitív momentumuk van) és a paramágneseknek (amelyek pozitív momentumot indukálnak). A diamágnesek negatív momentumot indukálnak. Egy vékony rétegű pirolitikus grafit, amely rendszerint erősen diamágneses anyag, stabilan lebeghet mágneses térben, amely származhat permanens ritkaföldfém mágnesektől.

Ezek mind bemutathatóak szobahőmérsékleten, mint a diamágnesesség demonstrációja. 2009 szeptemberében a NASA Jet Propulsion Laboratory (Pasadena, Kalifornia) bejelentette, hogy sikerült egy egeret lebegtetniük egy szupravezető-mágnes segítségével.^[4] Ez nagy előrelépés volt, hiszen egy egér jóval közelebb áll az emberhez, mint egy béka)^[5] A kutatók abban reménykednek, hogy hasonló kísérleteket képesek produkálni csontokon és izmokon mikrogravitációs környezetben.

A jelenleg folyó kísérletekben proteinkristályok növekedését vizsgálják erős mágneses térben, amely a Föld gravitációját ellensúlyozza.^[6]

Otthon is elvégezhető kísérlet: néhány permanens mágnessel lebegtetni lehet bizmut lemezeket.^[7]

A diamágnesesség elmélete

A Bohr–van Leeuwen-elmélet szerint egy tisztán klasszikus rendszerben nem létezhet sem diamágnesesség, sem paramágnesesség. Mégis a diamágnesességre Langevin klasszikus elmélete hasonló előrejelzést ad, mint a kvantumelmélet.^[8]

Langevin-féle diamágnesesség

A diamágnesesség Langevin elméleténél az anyag atomjai zárt héjban vannak (lásd dielektrium). A Larmor-precesszió szerinti frekvencia ${\displaystyle \omega =eB/2m}$. A fordulatszám ${\displaystyle \omega /2\pi }$, így az áram Z elektronnal rendelkező atomnál: (SI-egységben) .^[8]

${\displaystyle I=-{\frac {Ze^{2}B}{4\pi m}}.}$

ahol egy e töltésű és m tömegű elektronra ható térerősség: B

Egy áramhurok mágneses momentuma egyenlő az áram és a hurok területének szorzatával. Tegyük fel, hogy a tér a Z-tengelyen van. Az átlagos hurokterület megadható, ahol az elektronok távolságának átlagos középértéke merőleges a z-tengelyre. A mágneses momentum ekkor:

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

Ha a töltéseloszlás gömb mentén szimmetrikus, akkor feltételezhetjük, hogy az x, y, z koordináták eloszlása független, és azonosan oszlanak el. Ekkor ${\displaystyle \langle x^{2}\rangle =\langle y^{2}\rangle =\langle z^{2}\rangle =\langle r^{2}\rangle /3}$, ahol ${\displaystyle \langle r^{2}\rangle }$ a mag elektronjai távolságának négyzetes középértéke. Ilymódon ${\displaystyle \langle \rho ^{2}\rangle =\langle x^{2}\rangle +\langle y^{2}\rangle =(2/3)\langle r^{2}\rangle }$. Ha N az atomok száma egységenként, a diamágneses szuszceptibilitás:

${\displaystyle \chi ={\frac {\mu _{0}N\mu }{B}}=-{\frac {\mu _{0}NZe^{2}}{6m}}\langle r^{2}\rangle .}$

Diamágnesesség fémekben

A Langevin-elmélet nem vonatkozik a fémekre, mert a fémeknek nincsenek lokalizált elektronjaik. A szabad elektronú gázokra vonatkozó diamágnesesség-elméletet Landau-diamágnesességnek hívják.

Jegyzetek

1. Nave, Carl L.: Magnetic Properties of Solids. HyperPhysics. (Hozzáférés: 2008. november 9.)
2. Diamagnetic water
3. Photographs of curving water
4. Liu, Yuanming (2010). „Magnetic levitation of large water droplets and mice”. Advances in Space Research 45 (1), 208–213. o. DOI:10.1016/j.asr.2009.08.033.
5. Scientists levitate live mice
6. Magnetic gravity trick grows perfect crystals
7. Diamagnetic Levitation
8. Kittel, Charles. Introduction to Solid State Physics, 6th, John Wiley & Sons (1986). ISBN 0-471-87474-4

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben a diamagnetism című az Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

Külső hivatkozások

• https://www.youtube.com/watch?v=8tFsrGRwOOM