Benutzer:Jensel/Diamagnetismus

Als diamagnetisch bezeichnet man Substanzen, welche eine negative magnetische Suszeptibilität besitzen. Diamagnetische Materialen magnetisieren sich in einem externen Magnetfeld so, dass sie das Magnetfeld in ihrem Innern effektiv abschwächen. Den gegenteiligen Effekt – eine Verstärkung des Magnetfeldes – wird als Paramagnetismus bezeichnet.

Ursprung

Wenn ein äußeres magnetisches Feld H auf eine Materialprobe einwirkt, kann man sich modellhaft vorstellen, dass in jedem Atom oder Molekül ein Kreisstrom induziert wird. Nach der Lenzschen Regel erzeugt dieser Kreisstrom wiederum ein magnetisches Moment, welches dem von außen angelegten magnetischen Feld entgegenwirkt. Die Magnetisierung $M$ der Probe ist dabei proportional zum angelegten Magnetfeld $H$

$\left.M=\chi H\right.$, $\left.\chi <0\right.$.

$\chi$ ist die magnetische Suszeptibilität. Deren negatives Vorzeichen drückt die entgegengesetzte Magnetisierung des Stoffes aus. Je kleiner die Suszeptibilität, desto stärker der Diamagnetismus.

Es gibt eine untere Grenze für die Suszeptibilität bei $\chi =-1$. In diesem Fall verdrängt die Probe das angelegte Magnetfeld vollständig aus ihrem Inneren. Dieser Effekt heißt Meißner-Ochsenfeld-Effekt und ist ein wichtiger Bestandteil der Supraleitung.

Arten

Diamagnetische Beiträge zur Suszeptibilität lassen sich nur quantenmechanisch erklären und rühren aus verschiedenen Quellen, die weiter unten aufgeführt werden. Solche Beiträge gibt es bei allen Materialien, jedoch entscheidet erst eine Addition eventueller paramagnetischer Beiträge, ob ein Stoff letztlich diamagnetisch ist.

Magnetischer Response der Atome (Lamor-Diamagnetismus)

der Spin des Elektrons besitzt einen magnetischen Dipol und erzeugt so ein Feld, das aber aufgrund des Pauli-Prinzips und der thermischen Bewegungen makroskopisch nicht in Erscheinung tritt. Erst durch das äußere Feld werden auf atomarer Ebene magnetische Momente induziert.

Das induzierte Feld H` als Summe der einzelnen Momente aller Atome aus der Probe, schwächt dann dieses äußere Feld (ähnlich wie ein elektrisches Feld in einem Dielektrikum) ab. Bei einem inhomogenen Feld muss man Arbeit aufbringen um einen Diamagneten in Bereiche höherer Feldstärke zu bewegen, da die kompensierenden Effekte verstärkt werden müssen. Von selbst strebt ein diamagnetisches Material in Richtung niedrigerer Feldstärke. Natürlich entspricht die oben genannte modellhafte Vorstellung einer "Kreisbahn" des Elektrons oder eines Kreisstroms nicht der Wirklichkeit.

Effekte

Diamagnetische Materialien besitzen eine magnetische Suszeptibilität kleiner als 0 bzw. dementsprechend eine relative Permeabilität kleiner als 1.

Supraleiter sind perfekte Diamagneten mit der Suszeptibilität -1: sie verdrängen die magnetischen Feldlinien aus ihrem Inneren (Meißner-Ochsenfeld-Effekt).

Durch den Effekt des Herauswanderns aus einem Magnetfeld ist es möglich, bei genügend starkem Magnetfeld (etwa 15 Tesla im Labor), Wasser und sogar Lebewesen schweben zu lassen; bekannt wurden vor allem Versuche mit einem schwebenden Frosch, einer Spinne und diversen anderen Materialien (Holzklotz). Den Lebewesen passiert dabei nichts, da die Kraft auf jedes einzelne Molekül/Atom wirkt. Damit sind die überzeugendsten Simulationen der Schwerelosigkeit unter Einwirkung des Gravitationsfelds der Erde möglich.

Pyrolytischer Graphit ist vertikal zur Kristallebene stark diamagnetisch. Mit starken Neodym-Magneten kann Graphit in der Schwebe gehalten werden.

Pyrolytischer Graphit schwebt im starken Magnetfeld

Siehe auch: Paramagnetismus, Ferromagnetismus, Pyromagnetismus