Диамагнетики — класс магнитных материалов¶
Диамагнетики — это вещества, магнитная восприимчивость которых отрицательна и по абсолютной величине крайне мала (порядка 10⁻⁵…10⁻⁹). При помещении в однородное магнитное поле диамагнетик слабо выталкивается из области максимальной индукции поля, а намагниченность его направлена противоположно вектору магнитного поля. Диамагнетизм проявляют все вещества без исключения, однако у большинства материалов он маскируется более сильными эффектами — парамагнетизмом или ферромагнетизмом.
¶Природа диамагнетизма
Диамагнетизм обусловлен изменением орбитального движения электронов под действием внешнего магнитного поля. Согласно теории, сформулированной П. Ланжевеном (1905) и развитой в работах И. Е. Тамма и Л. Д. Ландау, наложение магнитного поля приводит к возникновению дополнительных вихревых токов в атоме, создающих момент, направленный против внешнего поля (правило Ленца в атомном масштабе). Этот эффект не зависит от температуры, что отличает диамагнетизм от парамагнетизма.
Диамагнитная восприимчивость χ отрицательна и слабо зависит от внешних условий. Для большинства диамагнетиков χ составляет −(1…30)·10⁻⁶ в СИ. Исключение — сверхпроводники, у которых в состоянии магнитной экранировки (эффект Мейснера) эффективная восприимчивость равна −1 (идеальное диамагнитное экранирование).
¶Классификация веществ по магнитным свойствам
| Тип | Восприимчивость χ | Температурная зависимость | Примеры | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Диамагнетики | χ < 0, | χ | ~ 10⁻⁵…10⁻⁹ | практически отсутствует | вода, кварц, биологические ткани, Au, Cu, Bi |
| Парамагнетики | χ > 0, | χ | ~ 10⁻³…10⁻⁵ | обратно пропорциональна T (закон Кюри) | Al, Pt, кислород, соли железа |
| Ферромагнетики | χ >> 1, нелинейна | наличие точки Кюри | Fe, Co, Ni, гадолиний | ||
| Антиферромагнетики | χ > 0, мала | максимум при точке Нееля | MnO, FeO, Cr | ||
| Ферримагнетики | χ >> 1 | наличие точки Кюри | магнетит, ферриты |
Диамагнетиком является любое вещество с полностью занятыми электронными оболочками, то есть с нулевым суммарным магнитным моментом атома или молекулы. Наиболее типичные примеры — инертные газы, вода и большинство органических соединений, металлы с заполненными d- и f-подуровнями (медь, золото, серебро, висмут), а также многие соли.
¶Классические диамагнетики
- Висмут — один из самых сильных диамагнетиков среди обычных материалов (χ ≈ −1,65·10⁻⁴), его свойства активно изучаются в физике конденсированного состояния.
- Пиролитический графит — обладает анизотропной диамагнитной восприимчивостью, что позволяет визуально демонстрировать диамагнитное левитирование.
- Вода — слабый диамагнетик (χ ≈ −9·10⁻⁶), что имеет значение в ядерно-магнитной резонансной томографии и биофизике.
- Сверхпроводники — в сверхпроводящем состоянии полностью вытесняют магнитное поле из объёма (эффект Мейснера — Оксенфельда, открытие 1933 года).
¶Диамагнитная левитация
Диамагнитное левитирование — явление удержания диамагнитного тела в магнитном поле за счёт силы Архимеда в магнитной жидкости. В 1997 году Андрей Гейм (впоследствии нобелевский лауреат по физике 2010 года) в Манчестерском университете продемонстрировал левитацию живой лягушки в поле индукцией около 16 Тл, создаваемом сверхпроводящим соленоидом. Опыт получил широкую известность как «лягушачья левитация» и стал иллюстрацией того, что диамагнитные силы способны компенсировать вес живого организма при достаточно сильном поле.
¶Применение
Диамагнитные свойства используются в нескольких областях:
- Ядерно-магнитная резонансная томография (ЯМРТ) — диамагнитная восприимчивость тканей определяет распределение локального магнитного поля и контрастность изображения.
- Криогенная техника и сверхпроводимость — эффект Мейснера лежит в основе бесконтактного подвеса и магнитного экранирования.
- Материаловедение — измерение диамагнитной восприимчивости применяется для контроля фазового состава, определения содержания примесей и диагностики сверхпроводящих переходов.
- Физика конденсированного состояния — изучение диамагнитного отклика графита, висмута и других полуметаллов позволяет исследовать электронную структуру и топологические свойства материалов.
¶Диамагнетизм в биологии
Диамагнитные силы действуют на все биологические ткани, поскольку вода и органические молекулы диамагнитны. В сильных полях (несколько тесла) диамагнитная сила на воду сопоставима с гравитационной, что позволяет уравновешивать отдельные органы или целые организмы. Этот принцип используется в биофизических экспериментах по бесконтактному удержанию образцов.
Источники:
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1.
- Тамм И. Е. Основы теории электричества.
- Киттель Ч. Введение в физику твёрдого тела.
- Гейм А. К. «Diamagnetic levitation: frog and fly» (доклады и публикации 1997–2000 гг.).