Mine sisu juurde

Diamagnetism

Allikas: Vikipeedia
Diamagnetilise materjali magnetdomeenid reageerimas välisele magnetväljale

Diamagnetismonmaterjaliomadustekitada välisesmagnetväljassellele vastutöötavatmagnetvälja.Välise magnetvälja ja materjali vahel tekib tõukumine. Selle omaduse tõttu avaldub diamagnetism vaid välise välja olemasolul. Üldjuhul on diamagnetism üpris nõrk nähtus, kuidülijuhtidesavaldub tugevat efekti.

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

Üldine iseloomustus

[muuda|muuda lähteteksti]
Tuntumad diamagnetilised materjalid ja nende magnetiline vastuvõtlikkus χ[1]
Material χv(× 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 liikuvalelaengule(s.o orbitaalelektronile) mõjub magnetväljasjõud.Rakendades diamagnetilistele materjalidele magnetvälja, muutub orbitaalelektronide nurkkiirus. Sisuliselt hakkavad elektronid kiiremini pöörlema[2].Sellega kaasneb materjalist tuleneva magnetvälja tekkimine, mis on välise magnetväljaga vastasseisus (Lenzi seadus)[3].[4]Kuna kõikaatomidomavad elektrone, on ka kõik materjalid mingil määral diamagnetilised[2].Diamagnetilise välja osakaal on tugevate püsivatemagnetmomentidegamaterjalides üldjuhul väike. Selle tõttu saab diamagnetismi jälgida vaid materjalides, kus ei esine ühtegi teist magnetismi vormi[3].Diamagnetism on magnetismi jäänukefekt kui vaadeldav materjal ei ole, ei para- egaferromagnetiline.[5]Diamagnetiliste materjalidemagnetiline läbitavuson väiksem kui 1 jamagnetiline vastuvõtlikkuson väiksem kui 0[6].Ferromagneetikutel on aga magnetiline läbitavus väga suur[5].Kui väline väli on null, on ka vastutöötav väli diamagneetikutes null.[5][7]

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

Kuna diamagnetismi efektid on omased igale aatomile, ei sõltu diamagnetism temperatuurist[8].Diamagnetiliste materjalide välisteselektronkihtidesei esine paardumata elektrone. Mõned näited diamagneetilstest materjalidest on kõikelemendid,mille välimineelektronkihton täidetud (s.oväärisgaasid),grafiit,molekulaarnevesinik,vask, vismut, vesi,naatriumkloriidja kõik leelismetallide ninghalogeenideioonid.[9][10]

Kahe tugevaelektromagnetivahele asetades, hakkavad diamagnetilised materjalid tõmbuma regioonide poole, kus magnetväli on nõrk.

Diamagnetilised materjalid koosnevadmolekulidest,millel ei ole püsivatdipoolmomenti[3].Rakendades välist magnetvälja, indutseeritakse magnetiliseddipoolid,mille indutseeritud dipoolmoment on vastassuunaline välisele magnetväljale. Nähtus järgib parema käe reeglit nii välja pooltindutseeritud vooluskui ka vastupidi[11].

Nagu eelpool öeldud, on väline väli põhjustatud ühes suunas pöörlevate orbitaalelektronide suurenevastkiirusestja teist pidi pöörlevate elektronide kiiruse vähenemisest. See muutus toob kaasa summaarse dipoolmomendi ja välisele väljale vastu töötava magnetvälja.[12]

Diamagnetismi mõistmiseks võib kujutada klassikalist kaheelektronilist aatomit, kus elektronide pöörlevadtuumasuhtes samal kiirusel, aga vastassuundades. Elektronid püsivadringikujulistelorbiitidel tuuma rakendatavaelektrostaatilise jõutõttu. Kuna mõlema elektronimagnetmomendidon 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.[3]

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 mõõtamagneetumusenaM = χ H, arvestades muutust magnetväljas H ja magnetilist vastuvõtlikkust χ. Kui χ < 0, loetakse antud materjali diamagnetiliseks. Kui χ > 0, on see materjal paramagneetik.[13]

Ajalugu

[muuda|muuda lähteteksti]

S. J. Brugmans avastas 1778. aastal, et vismut ja antimon tõrjuvad väliseid magnetvälju. Mõiste "diamagnetism" lõiMichael Faraday1845. aastal, kui ta leidis, et kõik materjalid looduses omasid mingil määral diamagnetilist vastasmõju välisele rakendatud magnetväljale.[14]

Teooria

[muuda|muuda lähteteksti]

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+ μ0M

kus μ0on vaakumimagnetiline läbitavus ehk magnetiline konstantja B0väliselt rakendatud magnetiline väli. μ0võib asendada:

μ = Kmμ0

kus μ onmagnetiline läbitavusja Kmon 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)[15]

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.[3]

Ülijuhtivus

[muuda|muuda lähteteksti]
Hariliku juhtivuse (vasakul) muutumine ülijuhtivuseks (paremal). Ülijuhtivuse saavutades, lükkab materjal magnetvälja enda pinnakihtidesse, käitudes kui täiuslik diamagneetik. (T – materjali temperatuur; Tc – kriitiline temperatuur, mis on vajalik, et saavutada ülijuhtivust; B – magnetväli)

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 väljamagnetväljajõujooni(sõltuvalt välja intensiivsusest ja temperatuurist). Tänu diamagnetismile on ülijuhtideelektriline takistusnull. On täheldatud, et ülijuhid on suutelised ennast märkimisväärse jõuga puruks rebima, et pääseda välisest magnetväljast. Ülijuhtmagnetid on tähtsad komponendidmagnetresonantstomograafias.

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

Ülijuhtivust võib iseloomustada ka läbi elektrilise takistuse rakendatudelektrivoolusuhtes. Kui takistus on positiivne, on tegu harilikumetalliga(eeldades, et esineb mingit juhtivust – tegu poleisolaatoriga). Kui elektriline takistus aga läheneb nullile, on tegu ülijuhiga.[13]

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[11].Diamagnetilistest materjalidest avalduvate väljade jõujooned kaarduvad materjalist eemale. Ülijuhtides tõrjutakse need täielikult õhukesse pinnakihti.[14]

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 nimeMeissneri efekt.Tuuespüsimagnetiülijuhi lähedusse, tõrjuvad kaks materjali üksteist. Sellega on võimalik tekitadamagnetilist levitatsiooni.[3]

Magnetiline levitatsioon

[muuda|muuda lähteteksti]
Konn, käitumas kui diamagneetik.[16]
Pürolüütiline grafiit hõljumas tugevas magnetväljas

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, näiteksraua,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 liikumatuidmagneteidjagravitatsiooni.Siiski muudab diamagnetiliste materjalide lisamine nähtuse võimalikuks.

Näiteks on võimalik panna magnet hõljuma, kasutades vertikaalset ülijuhistsolenoidelektromagnetit.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 tasakaalustabkehalemõjuva gravitatsiooni ühtlaselt üle keha. See võimaldab uuridakaalutu olekumõju väikestel kehadel, avakosmosesseminemata.[17]

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

Vaata ka

[muuda|muuda lähteteksti]

Viited

[muuda|muuda lähteteksti]
  1. ↑Nave, Carl L."Magnetic Properties of Solids".Hyper Physics.Vaadatud 15.01.2015.
  2. ↑2,02,1"Diamagnetism".National High Magnetic Field Laboratory.Originaaliarhiivikoopia seisuga 23.10.2014.Vaadatud 10.01.2015.
  3. ↑3,03,13,23,33,43,5Halliday, David; Resnick, Robert; Walker, Jearl (2013).Fundamentals of Physics(10th ed.). Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.
  4. ↑"Diamagnetism".MagWiki.2015.Originaaliarhiivikoopia seisuga 17.01.2018.Vaadatud 15.01.2015.
  5. ↑5,05,15,2Krane, Kenneth S. (2013).Modern physics(3rd ed.). Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.
  6. ↑"Diamagnetism".Vaadatud 15.01.2015.
  7. ↑"Paramagnetism".Originaaliarhiivikoopia seisuga 23.10.2014.Vaadatud 15.01.2015.
  8. ↑Duffin, W.J. (1990).Electricity and Magnetism(4th ed.). McGraw-Hill Book Company.
  9. ↑Darling, David (2015)."Diamagnetism".The Worlds of David Darling.Vaadatud 15.01.2015.
  10. ↑"Classes of Magnetic materials#1.Diamagnetism".University of Minnesota.2015.Vaadatud 15.01.2015.
  11. ↑11,011,1"Diamagnetism".Condensed Matter Physics.2008.Vaadatud 15.01.2015.
  12. ↑Neie, Van E. (1989).Ohanian’s Physics(2nd ed.). New York: W. W. Norton & Company.
  13. ↑13,013,1"What's the difference between diamagnetism and superconductivity?".Physics.2014.Vaadatud 15.01.2015.
  14. ↑14,014,1Jackson, Roland (2014)."John Tyndall and the Early History of Diamagnetism".Annals of Science:4.DOI:10.1080/00033790.2014.929743.Vaadatud 2015.{{cite journal}}:kontrolli kuupäeva väärtust:|accessdate=(juhend)
  15. ↑"Magnetic Properties of Solids".HyperPhysics.2010.Vaadatud 15.01.2015.
  16. ↑"Diamagnetic Levitation".Radboud University.2015.Originaaliarhiivikoopia seisuga 27.08.2013.Vaadatud 15.01.2015.
  17. ↑Martin, Simon (2009)."Diamagnetic Levitation".UCLA Physics & Astronomy.Vaadatud 15.01.2015.

Välislingid

[muuda|muuda lähteteksti]
Pärit leheküljelt "https://et.wikipedia.org/w/index.php?title=Diamagnetism&oldid=6666980"