Diyamanyetizma - Diamagnetism

Pirolitik karbon , herhangi bir oda sıcaklığı malzemesinin en büyük diyamanyetik sabitlerinden birine sahiptir. Burada bir pirolitik karbon tabakası, neodim mıknatısların güçlü manyetik alanından geri itilmesiyle yükselir .

Diyamanyetik malzemeler bir manyetik alan tarafından itilir ; uygulanan bir manyetik alan, içlerinde ters yönde indüklenmiş bir manyetik alan yaratarak itici bir kuvvete neden olur. Buna karşılık, paramanyetik ve ferromanyetik malzemeler manyetik alan tarafından çekilir. Diyamanyetizma, tüm materyallerde meydana gelen kuantum mekaniksel bir etkidir; manyetizmaya tek katkı olduğunda, malzemeye diyamanyetik denir. Paramanyetik ve ferromanyetik maddelerde, zayıf diyamanyetik kuvvet, malzemedeki manyetik dipollerin çekici kuvveti ile aşılır . Manyetik geçirgenlik diyamanyetik malzemeler daha ucuz olan , vakum geçirgenliği , u ₀ . Çoğu malzemede, diyamanyetizma, yalnızca hassas laboratuvar cihazları tarafından tespit edilebilen zayıf bir etkidir, ancak bir süperiletken , manyetik bir alanı tamamen içinden ittiği için güçlü bir çap mıknatıs görevi görür.

Manyetik alanda diyamanyetik malzeme etkileşimi .

Diamanyetizma ilk olarak Anton Brugmans 1778'de bizmutun manyetik alanlar tarafından püskürtüldüğünü gözlemlediğinde keşfedildi . 1845'te Michael Faraday , bunun maddenin bir özelliği olduğunu gösterdi ve her malzemenin (diyamanyetik veya paramanyetik bir şekilde) uygulanan bir manyetik alana tepki verdiği sonucuna vardı. Bir öneri , William Whewell Faraday ilk olarak fenomen de ifade diyamanyetik (önek kutularının anlamına yoluyla veya boyunca , daha sonra, daha sonra) için değiştirildi diamagnetizma .

Kimyada bir parçacığın (atom, iyon veya molekül) paramanyetik mi yoksa diyamanyetik mi olduğunu belirlemek için basit bir pratik kural kullanılır: Parçacıktaki tüm elektronlar eşleşirse, bu parçacıktan yapılan madde diyamanyetiktir; Eşlenmemiş elektronları varsa, madde paramanyetiktir.

Malzemeler

Önemli diyamanyetik malzemeler
Malzeme	χ _m [× 10 ⁻⁵ (SI birimleri)]
Süperiletken	−10 ⁵
Pirolitik karbon	−40.9
Bizmut	−16.6
Neon	6,74
Merkür	−2.9
Gümüş	−2.6
Karbon (elmas)	−2.1
Öncülük etmek	−1.8
Karbon (grafit)	−1.6
Bakır	−1.0
Su	0,91

Diyamanyetizma, tüm materyallerin bir özelliğidir ve materyalin bir manyetik alana tepkisine her zaman zayıf bir katkı sağlar. Bununla birlikte, diğer manyetizma biçimleri ( ferromanyetizma veya paramanyetizma gibi ) o kadar güçlüdür ki, bir malzemede birden çok farklı manyetizma biçimi mevcut olduğunda, diyamanyetik katkı genellikle ihmal edilebilir düzeydedir. Diyamanyetik davranışın en güçlü etki olduğu maddeler, diyamanyetik malzemeler veya diyamanyetikler olarak adlandırılır. Diyamanyetik malzemeler, bazı insanların genellikle manyetik olmadığını düşündükleri malzemelerdir ve su , odun , petrol ve bazı plastikler gibi çoğu organik bileşik ve bakır dahil birçok metal , özellikle cıva gibi çok sayıda çekirdek elektron içeren ağır olanlar , altın ve bizmut . Çeşitli moleküler parçaların manyetik duyarlılık değerlerine Pascal sabitleri denir .

Su veya su bazlı malzemeler gibi diyamanyetik malzemeler, 1'e eşit veya daha az bağıl manyetik geçirgenliğe sahiptir ve bu nedenle , duyarlılık χ _v = μ _v - 1 olarak tanımlandığından, 0'dan küçük veya 0'a eşit bir manyetik duyarlılığa sahiptir. . Bu, diyamanyetik malzemelerin manyetik alanlar tarafından itildiği anlamına gelir. Bununla birlikte, diyamanyetizma çok zayıf bir özellik olduğu için etkileri günlük yaşamda gözlemlenemez. Örneğin, su gibi diamagnetlerin manyetik duyarlılığı χ _v = −9,05 × 10 ⁻⁶ . En güçlü diyamanyetik malzeme bizmuttur , χ _v = −1.66 × 10 ⁻⁴ , ancak pirolitik karbonun duyarlılığı χ _v = Tek düzlemde −4,00 × 10 ⁻⁴ . Bununla birlikte, bu değerler, paramagnetler ve ferromagnetlerin sergilediği manyetizmadan daha küçük büyüklük dereceleridir. Çünkü χ _v uygulanan alan iç manyetik alanın oranı elde edilir, boyutsuz bir değerdir.

Nadir durumlarda, diyamanyetik katkı paramanyetik katkıdan daha güçlü olabilir. Manyetik duyarlılığı 0'ın altında olan (ve dolayısıyla tanım gereği bir diyamanyetik malzeme olan) altın için durum budur, ancak X-ışını manyetik dairesel dikroizm ile dikkatli bir şekilde ölçüldüğünde , daha güçlü bir paramanyetik katkıya sahiptir. diyamanyetik katkı.

Süperiletkenler

Sıradan iletkenlikten (solda) süperiletkenliğe (sağda) geçiş. Geçişte , süper iletken manyetik alanı dışarı atar ve ardından mükemmel bir çap mıknatıs görevi görür.

Süperiletkenler , Meissner etkisinden dolayı tüm manyetik alanları (ince bir yüzey tabakası hariç) dışarı attıkları için mükemmel diyamıknatıslar ( χ _v = −1 ) olarak kabul edilebilir .

Gösteriler

Eğimli su yüzeyleri

Güçlü bir mıknatıs (bir süpermıknatıs gibi ) bir su tabakasıyla (mıknatısın çapına göre ince olan) kaplanırsa, mıknatısın alanı suyu önemli ölçüde iter. Bu, su yüzeyinde, yüzeyindeki bir yansıma ile görülebilen hafif bir çukur oluşmasına neden olur.

Havaya yükselme

Canlı bir kurbağa , Nijmegen Yüksek Alan Mıknatıs Laboratuvarı'nda yaklaşık 16 teslalık bir manyetik alanda bir Acı solenoidin 32 mm (1,26 inç) çapındaki dikey deliğinin içinde yükseliyor .

Diamagnets, güç tüketimi olmadan, manyetik bir alanda kararlı bir dengede kaldırılabilir. Earnshaw'ın teoremi , statik manyetik kaldırma olasılığını dışlıyor gibi görünüyor. Bununla birlikte, Earnshaw'ın teoremi yalnızca ferromıknatıslar (kalıcı bir pozitif momenti olan) ve paramagnetler (pozitif bir an uyandıran) gibi pozitif duyarlılığa sahip nesneler için geçerlidir. Bunlar, boş alanda bulunmayan maksimum alanlara çekilir. Diyamıknatıslar (negatif bir moment yaratan) minimum alanlara çekilir ve boş alanda minimum alan olabilir.

Alışılmadık derecede güçlü bir diyamanyetik malzeme olan ince bir pirolitik grafit dilimi, nadir toprak kalıcı mıknatıslarından gelenler gibi bir manyetik alanda kararlı bir şekilde yüzdürülebilir . Bu, tüm bileşenlerle oda sıcaklığında yapılabilir ve görsel olarak etkili ve nispeten uygun bir diyamanyetizma gösterimi sağlar.

Radboud Üniversitesi Nijmegen , Hollanda , su ve diğer maddeler başarıyla levitated edildi deneyler gerçekleştirdi. En şaşırtıcı şekilde, canlı bir kurbağa (şekle bakın) havaya kaldırıldı.

Eylül 2009'da, NASA'nın Kaliforniya, Pasadena'daki Jet Tahrik Laboratuvarı (JPL), süper iletken bir mıknatıs kullanarak fareleri başarılı bir şekilde havaya kaldırdığını duyurdu; bu, fareler biyolojik olarak kurbağalardan daha yakın olduğu için ileriye doğru atılmış önemli bir adımdır. JPL, mikro yerçekiminin kemik ve kas kütlesi üzerindeki etkilerine ilişkin deneyler yapmayı umduğunu söyledi.

Protein kristallerinin büyümesini inceleyen son deneyler, Dünya'nın yerçekimine karşı koyan şekillerde büyümeye izin vermek için güçlü mıknatısların kullanıldığı bir tekniğe yol açtı.

Gösteri için basit bir ev yapımı cihaz, bizmut plakalardan ve kalıcı bir mıknatısı havaya kaldıran birkaç kalıcı mıknatıstan yapılabilir.

Teori

Bir malzemedeki elektronlar, genellikle sıfır dirençle orbitallere yerleşir ve akım döngüleri gibi davranır. Bu nedenle, uygulanan herhangi bir manyetik alan, esasen mükemmel diyamanyetikler olan süper iletkenlere benzer bir şekilde, bu döngülerde değişime karşı çıkan akımlar oluşturacağından, genel olarak diyamanyetizma etkilerinin yaygın olacağı düşünülebilir. Bununla birlikte, elektronlar, protonların yükü ile katı bir şekilde yörüngelerde tutulduğundan ve Pauli dışlama ilkesi tarafından daha da sınırlandırıldığından , birçok malzeme diamanyetizma sergiler, ancak tipik olarak uygulanan alana çok az tepki verir.

Bohr-Van Leeuwen teoremi tamamen klasik sistemde herhangi bir diyamanyetizma veya paramanyetizma olamaz kanıtlıyor. Bununla birlikte, Langevin'in diamanyetizma için klasik teorisi, kuantum teorisi ile aynı tahmini verir. Klasik teori aşağıda verilmiştir.

Langevin diyamanyetizması

Paul Langevin'in diyamanyetizma teorisi (1905), kapalı kabuklu atomlar içeren malzemeler için geçerlidir (bkz. Dielektrikler ). $E$ yükü ve $m$ kütlesi olan bir elektrona uygulanan $B$ yoğunluğuna sahip bir alan, $ω$ $=$ $eB$ $/ 2$ $m$ frekanslı Larmor devinimine yol açar . Birim zamanda devir sayısı $ω$ $/ 2$ $π$ , dolayısıyla $Z$ elektronlu bir atom için akım ( SI biriminde )

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

Manyetik momenti bir akım döngü geçerli kez döngü bölgesi eşittir. Alanın $z$ ekseni ile hizalandığını varsayalım . Ortalama döngü alanı , $z$ eksenine dik olan elektronların ortalama kare mesafesinin nerede olduğu şeklinde verilebilir . Manyetik moment bu nedenle ${\ displaystyle \ scriptstyle \ pi \ sol \ langle \ rho ^ {2} \ sağ \ rangle}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle \ sol \ langle \ rho ^ {2} \ sağ \ dikdörtgen}$

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

Yük dağılımı küresel olarak simetrik ise, $x, y, z$ koordinatlarının dağılımının bağımsız ve aynı şekilde dağıldığını varsayabiliriz . Öyleyse , elektronların çekirdekten ortalama kare mesafesi nerede ? Bu nedenle ,. Eğer birim hacmi başına atomu sayısıdır, hacim diyamanyetik duyarlılık SI birimleri içinde ${\ displaystyle \ scriptstyle \ sol \ langle x ^ {2} \ sağ \ rangle \; = \; \ sol \ langle y ^ {2} \ sağ \ dikdörtgen \; = \; \ sol \ langle z ^ {2} \ right \ rangle \; = \; {\ frac {1} {3}} \ left \ langle r ^ {2} \ right \ rangle}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle \ sol \ langle r ^ {2} \ sağ \ rangle}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle \ sol \ langle \ rho ^ {2} \ sağ \ rangle \; = \; \ sol \ langle x ^ {2} \ sağ \ rangle \; + \; \ sol \ langle y ^ {2 } \ right \ rangle \; = \; {\ frac {2} {3}} \ left \ langle r ^ {2} \ right \ rangle}$ ${\ displaystyle n}$

{\ displaystyle \ chi = {\ frac {\ mu _ {0} n \ mu} {B}} = - {\ frac {\ mu _ {0} e ^ {2} Zn} {6m}} \ langle r ^ {2} \ rangle.}

Atomlarda Langevin duyarlılığı, Van Vleck'in paramanyetik duyarlılığı ile aynı büyüklük düzeyindedir .

Metallerde

Langevin teorisi metaller için tam bir resim değildir çünkü lokalize olmayan elektronlar da vardır. A diamagnetism tarif teori serbest elektron gazı denir Landau diyamanyetizma adını, Lev Landau ve bunun yerine zayıf karşı çekme alanı olduğunu düşündüğü elektronların yörüngeleri sebebiyle kavislidir formları Lorentz kuvveti . Bununla birlikte, Landau diamanyetizması, yerelleştirilmiş elektronların dönüşlerinin kutuplaşmasıyla ilişkili bir etki olan Pauli paramanyetizması ile karşılaştırılmalıdır. Bir 3B sistemin ve düşük manyetik alanların toplu durumu için, (hacim) diyamanyetik duyarlılık, SI birimlerinde olan Landau kuantizasyonu kullanılarak hesaplanabilir.

{\ displaystyle \ chi = - \ mu _ {0} {\ frac {e ^ {2}} {12 \ pi ^ {2} m \ hbar}} {\ sqrt {2mE _ {\ rm {F}}}} ,}

nerede olduğunu Fermi enerji . Bu eşdeğerdir , tam olarak katı Pauli paramanyetik duyarlılık, bir Bohr magneton ve olduğu durumları yoğunluğunu (hacim başına enerji başına durum sayısı). Bu formül, taşıyıcıların (spin ½ elektronları) spin dejenerasyonunu hesaba katar. ${\ displaystyle E _ {\ rm {F}}}$ ${\ displaystyle - \ mu _ {0} \ mu _ {\ rm {B}} ^ {2} g (E _ {\ rm {F}}) / 3}$ ${\ textstyle -1/3}$ ${\ displaystyle \ mu _ {\ rm {B}} = e \ hbar / 2m}$ ${\ displaystyle g (E)}$

Gelen katkılı yarı iletkenler Landau Pauli duyarlılıkları arasındaki oran nedeniyle değişebilir etkin kütle diyamanyetik katkı artan vakumda elektron kütlesinden farklı yük taşıyıcıların. Burada sunulan formül yalnızca yığın için geçerlidir; kuantum noktaları gibi sınırlı sistemlerde , kuantum sınırlaması nedeniyle açıklama değiştirilir . Ek olarak, güçlü manyetik alanlar için, delokalize elektronların duyarlılığı, ilk kez teorik olarak Landau tarafından tanımlanan De Haas-Van Alphen etkisi olarak bilinen bir fenomen olan alan kuvvetinin bir fonksiyonu olarak salınır .

Languages

In other projects

Diyamanyetizma - Diamagnetism

İçindekiler