Diamagnetism

Levitația grafitului pirolitic (material diamagnetic) prin efectul unui câmp magnetic .

Diamagnetismul este o formă de magnetism pe care unele materiale o prezintă în prezența unui câmp magnetic . Materialele diamagnetice se caracterizează prin faptul că magnetizarea are direcția opusă câmpului magnetic, astfel încât aceste materiale sunt slab „respinse”. Acesta este un efect foarte slab de natură cuantică , anulat dacă materialul are alte proprietăți magnetice precum feromagnetismul sau paramagnetismul . În domeniul non-științific, materialele diamagnetice sunt adesea numite pur și simplu nemagnetice .

În experiența obișnuită, substanțele care prezintă un comportament diamagnetic sunt apa , majoritatea substanțelor organice (ADN, uleiuri, materiale plastice) și unele metale precum mercurul , aurul , cuprul , argintul și bismutul .

Istorie

În 1778, SJ Brugmans a observat pentru prima dată că bismutul și antimoniul au fost respinse de câmpurile magnetice. Cu toate acestea, termenul de diamagnetism a fost inventat de Michael Faraday în septembrie 1845, când a descoperit că toate materialele din natură posedă o componentă diamagnetică ca răspuns la un câmp magnetic extern aplicat.

Descriere

Susceptibilitatea unor materiale diamagnetice ^[1]
Material	χ _v (10 ⁻⁵ )
Supraconductori	−10 ⁵
Carbon pirolitic	−40,0
Bismut	−16,6
Mercur	−2.9
Argint	−2,6
Carbon (diamant)	−2.1
Conduce	−1,8
Carbon (grafit)	−1,6
Cupru	−1,0
Cascadă	−0,91

Diamagnetismul se observă în acele materiale ale căror molecule nu posedă un moment de dipol magnetic propriu, dar a căror magnetizare se face doar pentru fenomenul precesiunii Larmor .

Relația care leagă vectorii $\mathbf {H}$ ${\ displaystyle \ mathbf {H}}$ $\ mathbf H$ Și $\mathbf {M}$ ${\ displaystyle \ mathbf {M}}$ $\ mathbf M$ este proporțional liniar:

\mathbf {M} =\chi _{m}\mathbf {H}

{\ displaystyle \ mathbf {M} = \ chi _ {m} \ mathbf {H}}

{\ mathbf M} = \ chi _ {m} {\ mathbf H}

unde este $\chi _{m}$ ${\ displaystyle \ chi _ {m}}$ $\ chi _ {m}$ este susceptibilitatea magnetică . În materialele diamagnetice, permeabilitatea magnetică relativă $\mu _{r}$ ${\ displaystyle \ mu _ {r}}$ $\ mu_r$ este mai mic sau egal cu 1 și, prin urmare, susceptibilitatea magnetică $\chi _{m}=\mu _{r}-1$ ${\ displaystyle \ chi _ {m} = \ mu _ {r} -1}$ $\ chi _ {m} = \ mu _ {r} -1$ este o constantă negativă: ^[2] acest lucru explică de ce materialele diamagnetice sunt „respinse” de câmpul magnetic, adică $\mathbf {M}$ ${\ displaystyle \ mathbf {M}}$ $\ mathbf M$ Și $\mathbf {H}$ ${\ displaystyle \ mathbf {H}}$ $\ mathbf H$ au direcție opusă.

Supraconductori

Același subiect în detaliu: supraconductor .

Supraconductorii pot fi considerați materiale diamagnetice perfecte în care $\chi _{m}=-1$ ${\ displaystyle \ chi _ {m} = - 1}$ $\ chi _ {m} = - 1$ . Ei folosesc efectul Meissner pentru a expulza câmpul din interiorul lor, cu excepția unui strat superficial subțire.

Diamagnetismul Langevin

Teorema lui Bohr-van Leeuwen arată că nu poate exista diamagnetism într-un sistem fizic pur clasic. Cu toate acestea, teoria clasică a diamagnetismului lui Langevin, în care electronul este tratat ca o sarcină care orbitează nucleul și a cărei mișcare constituie un curent microscopic, oferă rezultate în acord cu cele obținute prin abordarea (exactă) oferită de mecanica cuantică . ^[3] Modelul Langevin se aplică materialelor care conțin atomi ale căror cochilii electronice sunt complete, deci nu este valabil pentru metale .

Un câmp de intensitate $B.$ ${\ displaystyle B}$ $B.$ aplicat unui electron încărcat $Și$ ${\ displaystyle e}$ $Și$ si masa $m$ ${\ displaystyle m}$ $m$ oferă o precesiune Larmor cu frecvență $\omega =eB/2m$ ${\ displaystyle \ omega = eB / 2m}$ $\ omega = eB / 2m$ iar numărul de rotații pe unitate de timp este $\omega /2\pi$ ${\ displaystyle \ omega / 2 \ pi}$ $\ omega / 2 \ pi$ , astfel încât curentul de electroni pentru un atom de $Z$ ${\ displaystyle Z}$ $Z$ electronii sunt: ^[3]

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

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

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

Momentul magnetic $\mu$ ${\ displaystyle \ mu}$ $\ mu$ este egal cu curentul de ori aria buclei, care în acest caz este orbita electronului. Această zonă este dată de $\pi \left\langle \rho ^{2}\right\rangle$ ${\ displaystyle \ pi \ left \ langle \ rho ^ {2} \ right \ rangle}$ $\ pi \ left \ langle \ rho ^ {2} \ right \ rangle$ , cu $\left\langle \rho ^{2}\right\rangle$ ${\ displaystyle \ left \ langle \ rho ^ {2} \ right \ rangle}$ $\ left \ langle \ rho ^ {2} \ right \ rangle$ distanța medie a electronului față de axa z de -a lungul căreia ar trebui să fie direcționat câmpul. Momentul magnetic este deci dat de:

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

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

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

Dacă distribuția sarcinii are simetrie sferică, se poate presupune că coordonatele sunt variabile independente și distribuite identic și, în acest caz:

\left\langle x^{2}\right\rangle =\left\langle y^{2}\right\rangle =\left\langle z^{2}\right\rangle ={\frac {1}{3}}\left\langle r^{2}\right\rangle

{\ displaystyle \ left \ langle x ^ {2} \ right \ rangle = \ left \ langle y ^ {2} \ right \ rangle = \ left \ langle z ^ {2} \ right \ rangle = {\ frac {1 } {3}} \ left \ langle r ^ {2} \ right \ rangle}

\ left \ langle x ^ {2} \ right \ rangle = \ left \ langle y ^ {2} \ right \ rangle = \ left \ langle z ^ {2} \ right \ rangle = {\ frac {1} {3 }} \ left \ langle r ^ {2} \ right \ rangle

unde este $\left\langle r^{2}\right\rangle$ ${\ displaystyle \ left \ langle r ^ {2} \ right \ rangle}$ $\ left \ langle r ^ {2} \ right \ rangle$ este distanța medie a electronilor față de nucleu. Prin urmare:

\left\langle \rho ^{2}\right\rangle =\left\langle x^{2}\right\rangle +\left\langle y^{2}\right\rangle ={\frac {2}{3}}\left\langle r^{2}\right\rangle

{\ displaystyle \ left \ langle \ rho ^ {2} \ right \ rangle = \ left \ langle x ^ {2} \ right \ rangle + \ left \ langle y ^ {2} \ right \ rangle = {\ frac { 2} {3}} \ left \ langle r ^ {2} \ right \ rangle}

\ left \ langle \ rho ^ {2} \ right \ rangle = \ left \ langle x ^ {2} \ right \ rangle + \ left \ langle y ^ {2} \ right \ rangle = {\ frac {2} { 3}} \ left \ langle r ^ {2} \ right \ rangle

De sine $Nu.$ ${\ displaystyle N}$ $Nu.$ este numărul de atomi pe unitate de volum, susceptibilitatea magnetică este:

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

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

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

Diamagnetismul în metale

Metalele au electroni liberi și, prin urmare, modelul lui Langevin nu li se poate aplica. Teoria diamagnetismului pentru un gaz electronic se numește diamagnetism Landau și se bazează pe câmpul generat de curbura traiectoriei lor prin intermediul forței Lorentz . Acest efect este contracarat de paramagnetismul Pauli asociat cu polarizarea spinului electronilor liberi. ^[4] ^[5]

Cu toate acestea, pentru a identifica dacă o configurație electronică este stabilă, este necesar să se aplice regula lui Hund care afirmă: aranjamentul cel mai stabil al electronilor într-un subnivel este cel cu cel mai mare număr de rotiri paralele. Aranjamentul electronilor în carbon, de exemplu, satisface această afirmație. Aveți grijă, deoarece rotirile paralele, conform lui Hund, fac metalul paramagnetic.

Notă

^ Proprietățile magnetice ale solidelor, Carl L., Hyper Physics
^(RO) IUPAC Gold Book, "diamagnetic"
^ ^a ^b Charles Kittel , Introducere în fizica statelor solide , 6, John Wiley & Sons , 1986, pp. 299-302, ISBN 0-471-87474-4 .
^ MC Chang, Diamagnetism and paramagnetism ( PDF ), pe note de curs NTNU . Adus la 24 februarie 2011 .
^ Nikos Drakos, Ross Moore și Peter Young, diamagnetismul Landau , pe Electronii într-un câmp magnetic , 2002. Accesat la 27 noiembrie 2012 .

Bibliografie

Corrado Mencuccini, Vittorio Silvestrini, Physics II , Naples, Liguori Editore, 2010, ISBN 978-88-207-1633-2 .
( EN ) John D Jackson, Electrodynamics Classical , Ediția a III-a, Wiley, 1999, ISBN 0-471-30932-X .
(EN) Griffiths, David J., Introducere în electrodinamică (ediția a treia), Prentice Hall, 1998, ISBN 0-13-805326-X .

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikționarul conține dicționarul lema « diamagnetism »
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre diamagnetism

linkuri externe

( EN ) Diamagnetism , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

Controlul autorității	Tezaur BNCF 32580 · LCCN (EN) sh85037541 · GND (DE) 4149487-8 · NDL (EN, JA) 00.562.969

Portalul Electromagnetismului

Portalul de materiale

[1] Proprietățile magnetice ale solidelor, Carl L., Hyper Physics

[2] (RO) IUPAC Gold Book, "diamagnetic"

[Kittel-3] Charles Kittel , Introducere în fizica statelor solide , 6, John Wiley & Sons , 1986, pp. 299-302, ISBN 0-471-87474-4 .

[ntnu-4] MC Chang, Diamagnetism and paramagnetism ( PDF ), pe note de curs NTNU . Adus la 24 februarie 2011 .

[5] Nikos Drakos, Ross Moore și Peter Young, diamagnetismul Landau , pe Electronii într-un câmp magnetic , 2002. Accesat la 27 noiembrie 2012 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]