Διαμαγνητισμός

Τα διαμαγνητικά (Diamagnetic) υλικά δημιουργούν ένα επαγόμενο μαγνητικό πεδίο με αντίθετη κατεύθυνση από το εξωτερικά εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο και απωθούνται από το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο. Η αντίθετη συμπεριφορά επιδεικνύεται από τα παραμαγνητικά υλικά. Ο διαμαγνητισμός είναι ένα φαινόμενο κβαντικής μηχανικής που συμβαίνει σε όλα τα υλικά· όταν είναι η μόνη συνεισφορά στον μαγνητισμό το υλικό λέγεται διαμαγνήτης. Αντίθετα με τους σιδηρομαγνήτες, οι διαμαγνήτες δεν είναι μόνιμοι μαγνήτες. Η μαγνητική διαπερατότητα τους είναι μικρότερη από μ₀, την διαπερατότητα του κενού. Στα περισσότερα υλικά ο διαμαγνητισμός είναι ασθενές φαινόμενο, αλλά ένας υπεραγωγός απωθεί το μαγνητικό πεδίο πλήρως, εκτός από ένα λεπτό στρώμα στην επιφάνεια.
Οι διαμαγνήτες ανακαλύφθηκαν πρώτα από τον Σέμπαλντ Γιουστίνους Μπρούγκμανς (Sebald Justinus Brugmans) το 1778, ο οποίος παρατήρησε ότι το βισμούθιο και το αντιμόνιο απωθούνταν από μαγνητικά πεδία. Το 1845, ο Μάικλ Φαραντέι έδειξε ότι ήταν μια ιδιότητα της ύλης και κατέληξε ότι κάθε υλικό ανταποκρίνεται (είτε με διαμαγνητικό ή με παραμαγνητικό τρόπο) σε ένα εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο. Υιοθέτησε τον όρο διαμαγνητισμός που του πρότεινε ο Γουίλιαμ Χίουελ (William Whewell).

Υπεραγωγοί

Οι υπεραγωγοί μπορεί να θεωρηθούν τέλειοι διαμαγνήτες (χᵥ = −1), επειδή απωθούν όλα τα πεδία (εκτός από ένα λεπτό στρώμα επιφάνειας) λόγω του φαινομένου Μάισνερ. Όμως αυτό το φαινόμενο δεν οφείλεται στα δινορεύματα, όπως στα συνήθη διαμαγνητικά υλικά.

Καμπυλωμένες επιφάνειες νερού

Αν ένας ισχυρός μαγνήτης (όπως ένας υπερμαγνήτης καλύπτεται με ένα στρώμα νερού (που είναι λεπτό συγκρινόμενο με τη διάμετρο του μαγνήτη) τότε το πεδίο του μαγνήτη απωθεί σημαντικά το νερό. Αυτό προκαλεί ένα ελαφρύ κοίλωμα στην επιφάνεια του νερού που μπορεί να ιδωθεί από την ανάκλασή του.

Αιώρηση (ανύψωση ή μετεωρισμός) (levitation)

Οι διαμαγνήτες μπορούν να αιωρούνται σε σταθερή ισορροπία σε ένα μαγνητικό πεδίο, χωρίς κατανάλωση ενέργειας. Το θεώρημα του Έρνσο (Earnshaw's theorem) φαίνεται να αποκλείει την πιθανότητα της στατικής μαγνητικής αιώρησης. Όμως, το θεώρημα του Έρνσο ισχύει μόνο για αντικείμενα με θετικές επιδεκτικότητες, όπως οι σιδηρομαγνήτες (που έχουν μια μόνιμη θετική ροπή) και οι παραμαγνήτες (που επάγουν μια θετική ροπή). Αυτοί έλκονται στα μέγιστα του πεδίου, που δεν υπάρχουν στον ελεύθερο χώρο. Οι διαμαγνήτες (που επάγουν μια αρνητική ροπή) έλκονται στα ελάχιστα του πεδίου και εκεί μπορεί να υπάρχει ένα ελάχιστο πεδίο σε ελεύθερο χώρο.
Ένα λεπτό κομμάτι από πυρολυτικό γραφίτη, που είναι ένα ασυνήθιστα ισχυρό διαμαγνητικό υλικό, μπορεί να είναι σταθερά αιωρούμενο σε ένα μαγνητικό πεδίο, όπως σε αυτό από μόνιμους μαγνήτες σπανίων γαιών. Αυτό μπορεί να γίνεται με όλα τα συστατικά σε θερμοκρασία δωματίου, κάνοντας μια οπτικά ενεργή επίδειξη του διαμαγνητισμού.
Το Πανεπιστήμιο Ράντμπουντ του Ναϊμέχεν, στην Ολλανδία, έχει εκτελέσει πειράματα όπου το νερό και άλλες ουσίες αιωρήθηκαν επιτυχώς, με πιο θεαματική την αιώρηση ενός ζωντανού βατράχου (δείτε το σχήμα).
Τον Σεπτέμβριο του 2009, το εργαστήριο αεριοπροώθησης της NASA στην Πασαντένα της Καλιφόρνια ανακοίνωσε την επιτυχή αιώρηση ποντικών χρησιμοποιώντας έναν υπεραγώγιμο μαγνήτη (superconducting magnet), ένα σημαντικό βήμα προόδου, επειδή οι ποντικοί είναι πλησιέστεροι βιολογικά προς τους ανθρώπους από τους βατράχους. Ελπίζουν να εκτελέσουν πειράματα όσον αφορά τις επιπτώσεις της μικροβαρύτητας στα οστά και τη μυϊκή μάζα.
Πρόσφατα πειράματα μελέτης της ανάπτυξης πρωτεϊνικών κρυστάλλων έχουν οδηγήσει σε μια τεχνική χρήσης ισχυρών μαγνητών που επιτρέπουν την ανάπτυξη με τρόπους που εξουδετερώνουν τη βαρύτητα της Γης.
Μια απλή οικιακή συσκευή επίδειξης μπορεί να κατασκευαστεί από πλάκες βισμουθίου και κάποιους μόνιμους μαγνήτες που αιωρεί έναν μόνιμο μαγνήτη.

Θεωρία

Τα ηλεκτρόνια σε ένα υλικό κυκλοφορούν γενικά σε τροχιακά, με ενεργή μηδενική αντίσταση και δρουν ως βρόχοι ρεύματος. Συνεπώς, μπορεί να υποτεθεί ότι τα διαμαγνητικά φαινόμενα γενικά, θα ήταν κάτι πολύ συνηθισμένο, αφού οποιοδήποτε εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο θα δημιουργούσε ρεύματα σε αυτούς τους βρόχους που θα μπορούσαν να αντιτίθενται στην μεταβολή, με παρόμοιο τρόπο με τους υπεραγωγούς, που στην πραγματικότητα είναι τέλειοι διαμαγνήτες. Όμως, επειδή τα ηλεκτρόνια κρατιούνται ισχυρά στα τροχιακά από το φορτίο των πρωτονίων και περιορίζονται παραπέρα από την Απαγορευτική αρχή του Πάουλι, πολλά υλικά επιδεικνύουν διαμαγνητισμό, αλλά συνήθως απαντούν πολύ λίγο στο εφαρμοζόμενο πεδίο.
Το θεώρημα Μπορ-Βαν Λούεν (Bohr–van Leeuwen theorem) αποδεικνύει ότι δεν μπορεί να υπάρχει κανένα διαμαγνητικό ή παραμαγνητικό υλικό σε ένα καθαρώς κλασικό σύστημα. Όμως, η κλασική θεωρία για τον διαμαγνητισμό Λανζεβέν δίνει την ίδια πρόβλεψη όπως και η κβαντική θεωρία. Η κλασική θεωρία δίνεται παρακάτω.

Στα μέταλλα

Η θεωρία Λανζεβέν δεν εφαρμόζεται στα μέταλλα, επειδή έχουν μη εντοπισμένα (non-localized) ηλεκτρόνια. Η θεωρία του διαμαγνητισμού ενός αερίου ελεύθερων ηλεκτρονίων (free electron gas) λέγεται διαμαγνητισμός Λαντάου (Landau) και θεωρεί αντίθετα το ασθενές αντιδρόν πεδίο που σχηματίζει όταν οι τροχιές τους καμπυλώνονται λόγω της δύναμης Λόρεντζ. Ο διαμαγνητισμός Λαντάου, όμως, πρέπει να αντιπαραβάλλεται με τον παραμαγνητισμό Πάουλι (Pauli paramagnetism), ένα φαινόμενο που σχετίζεται με την πόλωση των σπιν των απεντοπισμένων ηλεκτρονίων.