Diamagnetism

Diamagnetism on materjali omadus tekitada välises magnetväljas sellele vastu töötavat magnetvälja. Välise magnetvälja ja materjali vahel tekib tõukumine. Selle omaduse tõttu avaldub diamagnetism vaid välise välja olemasolul. Üldjuhul on diamagnetism üpris nõrk nähtus, kuid ülijuhtides avaldub tugevat efekti.

Diamagnetismile vastandlik nähtus on paramagnetism, mille käigus vaadeldav materjal tõmbub välise magnetvälja poole.

Üldine iseloomustus 

Ükskõik millisele ruumis liikuvale laengule (s.o orbitaalelektronile) mõjub magnetväljas jõud. Rakendades diamagnetilistele materjalidele magnetvälja, muutub orbitaalelektronide nurkkiirus. Sisuliselt hakkavad elektronid kiiremini pöörlema . Sellega kaasneb materjalist tuleneva magnetvälja tekkimine, mis on välise magnetväljaga vastasseisus (Lenzi seadus) . Kuna kõik aatomid omavad elektrone, on ka kõik materjalid mingil määral diamagnetilised . Diamagnetilise välja osakaal on tugevate püsivate magnetmomentidega materjalides üldjuhul väike. Selle tõttu saab diamagnetismi jälgida vaid materjalides, kus ei esine ühtegi teist magnetismi vormi . Diamagnetism on magnetismi jäänukefekt kui vaadeldav materjal ei ole, ei para- ega ferromagnetiline. Diamagnetiliste materjalide magnetiline läbitavus on väiksem kui 1 ja magnetiline vastuvõtlikkus on väiksem kui 0 . Ferromagneetikutel on aga magnetiline läbitavus väga suur . Kui väline väli on null, on ka vastutöötav väli diamagneetikutes null.

Kuna diamagnetismi efektid on omased igale aatomile, ei sõltu diamagnetism temperatuurist . Diamagnetiliste materjalide välistes elektronkihtides ei esine paardumata elektrone. Mõned näited diamagneetilstest materjalidest on kõik elemendid, mille välimine elektronkiht on täidetud (s.o väärisgaasid), grafiit, molekulaarne vesinik, vask, vismut, vesi, naatriumkloriid ja kõik leelismetallide ning halogeenide ioonid.

Kahe tugeva elektromagneti vahele asetades, hakkavad diamagnetilised materjalid tõmbuma regioonide poole, kus magnetväli on nõrk.

Diamagnetilised materjalid koosnevad molekulidest, millel ei ole püsivat dipoolmomenti . Rakendades välist magnetvälja, indutseeritakse magnetilised dipoolid, mille indutseeritud dipoolmoment on vastassuunaline välisele magnetväljale. Nähtus järgib parema käe reeglit nii välja poolt indutseeritud voolus kui ka vastupidi .

Nagu eelpool öeldud, on väline väli põhjustatud ühes suunas pöörlevate orbitaalelektronide suurenevast kiirusest ja teist pidi pöörlevate elektronide kiiruse vähenemisest. See muutus toob kaasa summaarse dipoolmomendi ja välisele väljale vastu töötava magnetvälja.

Diamagnetismi mõistmiseks võib kujutada klassikalist kaheelektronilist aatomit, kus elektronide pöörlevad tuuma suhtes samal kiirusel, aga vastassuundades. Elektronid püsivad ringikujulistel orbiitidel tuuma rakendatava elektrostaatilise jõu tõttu. Kuna mõlema elektroni magnetmomendid on suuruselt võrdsed ja vastassuunalised, välistavad nad üksteist ja aatomi magnetmoment on null. Kui aga rakendatakse välist magnetvälja, kogevad elektronid lisanduvat jõudu. Lisanduv jõud lisandub elektrostaatilisele jõule ja suurendab selle elektroni orbitaalkiirust, mille magnetmoment on antiparalleelne välise väljaga vähendab selle elektroni orbitaalkiirust, mille magnetmoment on paralleelne välise väljaga. Selle tõttu ei välista antud kahe elektroni magnetmomendid enam üksteist ja aine omandab summaarse magnetmomendi, mis on vastupidine rakendatud välise väljaga.

Diamagnetism kirjeldab, kuidas materjal reageerib kui ta asetada magnetvälja. Paramagnetism on samalt põhimõttelt sarnane. Dia- ja paramagnetismi erinevus seisneb nende vastasmõju suunas, materjalidele mõjuva välise magnetvälja suhtes. Diamagneetik tõukub ja paramagneetik tõmbub magnetvälja suhtes. Teistpidi vaadates, töötab diamagneetik välisele magnetväljale vastu ja paramagneetik tõmbab välist magnetvälja enda poole. Dia- ja paramagnetismi erinevust saab mõõta magneetumusena M = χ H, arvestades muutust magnetväljas H ja magnetilist vastuvõtlikkust χ. Kui χ < 0, loetakse antud materjali diamagnetiliseks. Kui χ > 0, on see materjal paramagneetik.

Ajalugu 

S. J. Brugmans avastas 1778. aastal, et vismut ja antimon tõrjuvad väliseid magnetvälju. Mõiste "diamagnetism" lõi Michael Faraday 1845. aastal, kui ta leidis, et kõik materjalid looduses omasid mingil määral diamagnetilist vastasmõju välisele rakendatud magnetväljale.

Teooria 

Nagu eespool nimetatud, on diamagneetiku magneetumus, võrreldes para- ja ferromagneetikutega, väga väike. Materjali magneetumust ehk magneetumusvektorit iseloomustatakse läbi materjali summaarse magnetilise dipoolmomendi μkogu. Materjali magneetumus M on defineeritud järgmiselt:

M = μkogu / V

kus V on materjali ruumala.

Seega on kogu magnetväli B:

B = B0 + μ0 M

kus μ0 on vaakumi magnetiline läbitavus ehk magnetiline konstant ja B0 väliselt rakendatud magnetiline väli. μ0 võib asendada:

μ = Km μ0

kus μ on magnetiline läbitavus ja Km on suhteline magnetiline läbitavus, mis on iseloomulik igale ainele. Kui materjal ei reageeri välisele magnetväljale mingisuguse magneetumisega, siis Km = 1.

Magnetiline suurus, mis näitab kui palju ühe materjali suhteline magnetiline läbitavus erineb teisest, nimetatakse magnetiliseks vastuvõtlikkuseks:

χ = Km – 1

Veel üks võimalus materjalide tekkivate magnetväljade iseloomustamiseks, on defineerida suurus nimega magnetvälja tugevus H:

H = B0 / μ0 = B / μ0 – M

Antud sõltuvust võib kirjutada ka:

B = μ0 (H + M) 

Para- ja diamagnetiliste materjalide puhul on magneetumusvektor M võrdeline magnetvälja tugevusega H. Kui need materjalid panna välisesse magnetvälja, võib kirjutada

M = χ H

Teisendades valemeid

M = χ H

ja

B = μ0 (H + M)

saame:

B = μ0 (H + M) = μ0 (H + χ H) = μ0 (1 + χ ) H

või

B = μ H

μ on seotud magnetilise vastuvõtlikkusega läbi seose:

μ = μ0 (1 + χ)

Aineid saab klassifitseerida selle alusel, kuidas nende magnetiline läbitavus suhtub magnetkonstanti μ0. Diamagneetikutel on magnetiline läbitavus väiksem kui magnetkonstant.

Ülijuhtivus 

Kuigi diamagnetism on teiste magnetismi nähtustega võrreldes üpris nõrk, esineb siiski ka ülijuhtivust. See nähtus esineb üldjuhul madalatel temperatuuridel. Ülijuhid on täiuslikud diamagnetilised materjalid ja tõrjuvad enda seest väljamagnetvälja jõujooni (sõltuvalt välja intensiivsusest ja temperatuurist). Tänu diamagnetismile on ülijuhtide elektriline takistus null. On täheldatud, et ülijuhid on suutelised ennast märkimisväärse jõuga puruks rebima, et pääseda välisest magnetväljast. Ülijuhtmagnetid on tähtsad komponendid magnetresonantstomograafias.

Tuleb meeles pidada, et diamagnetism on aine omadus, ülijuhtivus on aine olek.

Ülijuhtivust võib iseloomustada ka läbi elektrilise takistuse rakendatud elektrivoolu suhtes. Kui takistus on positiivne, on tegu hariliku metalliga (eeldades, et esineb mingit juhtivust – tegu pole isolaatoriga). Kui elektriline takistus aga läheneb nullile, on tegu ülijuhiga.

Igas juhis esineb muutuvas magnetväljas tugevat diamaagnetismi. See on selle pärast, et juhis tekivad välisele magnetväljale vastu töötavad pöörisväljad. Ülijuht on täiuslik diamagneetik, sest selles tekkivatele pöörisväljadele ei avaldata mingit takistust . Diamagnetilistest materjalidest avalduvate väljade jõujooned kaarduvad materjalist eemale. Ülijuhtides tõrjutakse need täielikult õhukesse pinnakihti.

Ülijuhid on ained, mille elektriline takistus langeb nullini alla kriitilist temperatuuri. Teatud tüüpi ülijuhtides esineb ülijuhtivusseisundis täiuslik diamagnetism. Selle tõttu tõrjub ülijuht välise magnetvälja endast välja ja rakendatav magnetväli on materjali sees null. See nähtus kannab nime Meissneri efekt. Tuues püsimagneti ülijuhi lähedusse, tõrjuvad kaks materjali üksteist. Sellega on võimalik tekitada magnetilist levitatsiooni.

Magnetiline levitatsioon 

Diamagneetikud tõukavad välist välja ja tõukuvad ise tugeva magnetvälja suhtes. Kaks tugevaimate diamagnetiliste omadustega materjali on grafiit ja vismut.

Hoolimata, et diamagnetilised jõud on võrreldes ferromagnetiliste ainete, näiteks raua, mõjudega nõrgad, saab diamagnetismi abil tekitada ebatavalisi nähtusi, nagu näiteks levitatsiooni.

1842. aastal tõestati (Earnshaw' teoreem), et on võimatu panna hõljuma staatiliselt asetsevaid rivimagneteid, kasutades ükskõik, millise paigutusega liikumatuid magneteid ja gravitatsiooni. Siiski muudab diamagnetiliste materjalide lisamine nähtuse võimalikuks.

Näiteks on võimalik panna magnet hõljuma, kasutades vertikaalset ülijuhist solenoidelektromagnetit. See elektromagnet on vertikaalselt stabiilne, aga horisontaalselt ebastabiilne. See tähendab, et hõljuv magnet hakkab liikuma elektromagneti tsentrist eemale ja liikuma vastu solenoidi seinu. Kui solenoidi seinad on kaetud vismutiga, mis on diamagnetiline, hakkab hõljuv magnet sellest samuti tõukuma ja stabiliseerib oma positsiooni. Tekib stabiilne levitatsioon.

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

Kui vertikaalseks stabiliseerimiseks kasutada tugevama efektiga dimagneetikut, nagu näiteks grafiiti, saab hõljumisnähtust tekitada ka väiksemate püsimagnetitega.

Diamagneetilst levitatsiooni on sooritatud ka elava koega. Magnetvälja on hõljuma pandud näiteks elus konn. Diamagnetiline tõukumine tasakaalustab kehale mõjuva gravitatsiooni ühtlaselt üle keha. See võimaldab uurida kaalutu oleku mõju väikestel kehadel, avakosmosesse minemata.

Magnetväljas võib panna stabiilselt hõljuma õhukese kihi pürolüütilist grafiiti, mis on tugevalt diamagnetiline materjal. Seda on võimalik teha toatemperatuuril ja see katse sobib diamagnetismi demonstratsiooniks.

Vaata ka 
Magnetism
Paramagnetism
Superparamagnetism
Ferromagnetism
Antiferromagnetism
Ferrimagnetism
Elektromagnet
Magneetikud

Viited

Välislingid 
 Tartu Ülikool – Magnetism
 Miksike – Magnetism
 Eesti Entsüklopeedia – Diamagnetism
 Magnetism

Magnetism
Ülijuhtivus