Диамагнетизм

Эффект обусловлен тем, что в процессе вне­се­ния те­ла в маг­нит­ное по­ле или создания поля в месте нахождения тела орбита каждого находящегося в теле электрона оказывается «контуром», пронизываемым переменным магнитным потоком. По закону электромагнитной индукции Фарадея в таком случае должны воз­ни­ка­ть ин­ду­ци­ро­ван­ные («наведённые») кру­го­вые то­ки, то есть до­ба­воч­ное кру­го­вое движе­ние электронов во­круг на­прав­ле­ния маг­нит­но­го по­ля. Эти токи создают в каждом атоме индуцированный магнитный момент, направленный, согласно правилу Ленца, навстречу внешнему полю. Таким образом, диамагнетизм имеет фундаментальную природу и является микроскопическим проявлением того же закона Фарадея, который ответственен за возникновение электродвижущей силы в электротехнике.

Некоторые аспекты диамагнетизма, однако, нельзя описать с позиции только классической физики, и требуется привлечение квантовой механики^[2].

Диамагнетизм присущ любым средам, независимо от того, имелся ли первоначально собственный магнитный момент у частиц среды или нет и как он был ориентирован. Однако диамагнетизм слаб и перекрывается полями другой природы, если собственным магнитные моменты наличествуют в системе.

Электроны, обеспечивающие индукционный ток, могут быть свободными, то есть перемещающимися по телу в целом (в металлах, полупроводниках, плазме), или связанными, то есть принадлежащими конкретному атому (в диэлектриках, частично в полупроводниках).

В случае свободных электронов имеет место искажение их траекторий — в металлах такой механизм называется диамагнетизмом Ландау.

В случае связанных электронов происходит вращение как целого электронных орбит в атоме вокруг направления поля, называемое ларморовой прецессией.

Особый тип диамагнетизма реализуется в сверхпроводниках. В них при попытке наложения внешнего поля начинают протекать не микроскопические, а макроскопические токи по поверхности, из-за которых поле внутри материала оказывается нулевым (эффект Мейснера).

Вещества, в которых роль диамагнетизм не перекрыт другими механизмами реакции на внешнее магнитное поле, именуются диамагнетиками. У чисто диамагнитных веществ электронные оболочки молекул не обладают постоянным моментом. Моменты, создаваемые отдельными электронами, в таких веществах в отсутствие внешнего поля взаимно скомпенсированы. В частности, это имеет место в ионах и молекулах с целиком заполненными электронными оболочками, например, в инертных газах, в молекулах водорода, азота. Примерами чисто диамагнитных твёрдых тел (диамагнетиков) в классе кристаллических металлов и диэлектриков могут служить, соответственно, Cu и NaCl, а в классе аморфных твёрдых тел — SiO₂.

Для диамагнитных сред магнитная восприимчивость ${\displaystyle \chi _{m}}$ (коэффициент связи между напряжённостью ${\displaystyle {\vec {H}}}$ и намагниченностью ${\displaystyle {\vec {M}}}$ отрицателен и мал по величине (порядка 10^-5—10^-6. Соответственно, магнитная проницаемость таких веществ ненамного меньше единицы. Из-за малости ${\displaystyle \chi _{m}}$ влияние индуцированных в какой-то части тела магнитных моментов на другие части того же тела пренебрежимо.

Для сверхпроводников, формально, ${\displaystyle \chi _{m}=-1}$ — но фактически о таких веществах в принципе нельзя говорить как о магнетиках, ибо введение поля в них невозможно (аналогия: в электростатике было бы странным назвать металл диэлектриком с равной -1 диэлектрической восприимчивостью).