Диамагнитные материалы отталкиваются магнитным полем, приложенное магнитное поле создает в них индуцированное магнитное поле в противоположном направлении, вызывая силу отталкивания. Напротив, парамагнитные и ферромагнитные материалы притягиваются магнитным полем. В диамагнитных материалах магнитный поток уменьшается, а в парамагнитных материалах магнитный поток увеличивается.
Явление диамагнетизма было открыто Зебальдом Юстинусом Бругмансом, который в 1778 году заметил, что висмут и сурьма отталкиваются магнитными полями. Термин диамагнетизм был введен Майклом Фарадеем в сентябре 1845 года. Он понял, что все материалы на самом деле обладают своего рода диамагнитным действием на внешние магнитные поля.
Диамагнетизм, вероятно, является наименее известной формой магнетизма, несмотря на то, что диамагнетизм встречается почти во всех веществах.
Мы все привыкли к магнитному притяжению из-за того, насколько распространены ферромагнитные материалы и потому, что они обладают огромной магнитной восприимчивостью. С другой стороны, диамагнетизм почти неизвестен в повседневной жизни, потому что в целом диамагнитные материалы обладают очень малой восприимчивостью и, следовательно, силами отталкивания почти пренебрежимо мало.
Явление диамагнетизма — это прямое следствие действия сил Ленца, возникающих при помещении вещества в пространство, где имеются магнитные поля. Диамагнитные вещества вызывают ослабление любого внешнего магнитного поля, в котором они находятся. Вектор поля Ленца всегда направлен противоположно вектору поля, приложенного извне. Это справедливо для любого направления независимо от ориентации диамагнитного тела относительно приложенного поля.
Любое тело, изготовленное из диамагнитного материала, не только ослабляет внешнее поле из-за влияния противодействия Ленца, но испытывает также действие определенной силы, если внешнее поле неравномерно в пространстве.
Эта сила, зависящая от направления градиента поля и не зависящая от направления самого поля, стремится переместить тело из области относительно сильного магнитного поля в область более слабого поля — туда, где изменения электронных орбит будут минимальны.
Механическая сила, действующая на диамагнитное тело в магнитном поле, является мерой атомных сил, стремящихся удержать орбитальные электроны на сферических орбитах.
Все вещества являются диамагнитными, поскольку их элементарные составные части — это атомы с орбитальными электронами. Некоторые вещества создают как поля Ленца, так и спиновые поля. Вследствие того что спиновые поля обычно намного сильнее, чем поля Ленца, при возникновении полей обоих типов, как правило, преобладают эффекты, обусловленные спиновыми полями.
Диамагнетизм, являющийся результатом изменения электронных орбит, обычно бывает слабо выражен, так как локальные поля, воздействующие на отдельные электроны, намного сильнее, чем приложенные внешние поля, стремящиеся изменить орбиты всех электронов. Поскольку изменения орбиты малы, связанное с этими изменениями противодействие Ленца также невелико.
В то же время диамагнетизм, обусловленный случайным движением элементов плазмы, проявляется значительно сильнее, чем диамагнетизм, связанный с изменением электронных орбит, так как ионы и электроны плазмы не испытывают действие больших сил связи. В этом случае относительно слабые магнитные поля существенно изменяют траектории частиц.
Диамагнетизм множества отдельных микроскопических частиц, движущихся по траекториям различных видов, можно рассматривать как результат влияния эквивалентного контура тока, окружающего тело, вещество которого содержит эти частицы. Измерение этого тока позволяет дать количественную оценку диамагнетизма.
Диамагнитная левитация:
Некоторые примеры диамагнитных материалов: вода, металлический висмут, водород, гелий и другие благородные газы, хлорид натрия, медь, золото, кремний, германий, графит, бронза и сера.
В целом, диамагнетизм практически не заметен, за исключением так называемых сверхпроводников. Здесь диамагнитный эффект настолько силен, что сверхпроводники даже парят над магнитом.
В демонстрации диамагнитной левитации использована пластинка из пиролитического графита - это сильно диамагнитный материал, то есть материал с очень отрицательной магнитной восприимчивостью.
Это означает, что в присутствии магнитного поля материал намагничивается, создавая противоположное магнитное поле, в результате чего материал отталкивается источником магнитного поля. Это противоположно тому, что происходит с парамагнитными или ферромагнитными материалами, которые притягиваются источниками магнитного поля (например, с железом).
Пиролитический графит, материал, имеющий особую структуру, которая придает ему большой диамагнетизм. Это, в сочетании с его низкой плотностью и сильными магнитными полями, которые достигаются с помощью неодимовых магнитов, делает явление заметным, как на этих фотографиях.
Экспериментально подтверждено, что диамагнитные материалы обладают:
- Относительной магнитной проницаемостью меньше единицы;
- Отрицательной магнитной индукцией;
- Отрицательной магнитной восприимчивостью, практически не зависящей от температуры.
При температурах ниже критических температур при переходе вещества в сверхпроводящее состояние оно превращается в идеальный диамагнетик: Эффект Мейснера и его использование