Диамагнетики - что это такое? Объяснение свойств

Диамагнетики - удивительные материалы, обладающие необычными магнитными свойствами. Давайте разберемся, что это за вещества.

1. Что такое диамагнетики и их основные свойства

Диамагнетики - это вещества, которые намагничиваются в направлении, противоположном внешнему магнитному полю. Они обладают такими свойствами:

• слабое намагничивание навстречу внешнему магнитному полю;
• практически не зависит от температуры;
• как правило, малая магнитная восприимчивость.

К диамагнетикам относятся инертные газы, золото, серебро, висмут, медь, кремний, вода и даже человеческое тело.

Диамагнетики это вещества, у которых отсутствует постоянный магнитный момент. Наведенный магнитный момент направлен против внешнего поля.

Существует несколько типов диамагнетиков:

1. С преобладанием электронного диамагнетизма;
2. Со значительным вкладом диамагнетизма Ландау;
3. Сверхпроводящие диамагнетики.

Для количественной оценки диамагнитных свойств используют понятия магнитной восприимчивости \(\chi\) и магнитной проницаемости \(\mu\):

\(\chi\) имеет отрицательные значения, а \(\mu\) меньше 1.

2. Причины возникновения диамагнетизма

Причины диамагнетизма кроются на атомарном уровне. Электроны, двигающиеся по орбитам вокруг ядра атома, создают микроскопические токи. Согласно закону электромагнитной индукции, эти токи наводят магнитное поле, направленное против внешнего.

В металлах и полупроводниках диамагнетизм обусловлен движением проводящих электронов. Их квантовомеханическое поведение в магнитном поле также приводит к слабому намагничиванию навстречу.

3. Проявления диамагнетизма

Диамагнетики это необычные материалы, демонстрирующие различные эффекты в магнитном поле. Рассмотрим некоторые из них.

• Выталкивание из неоднородного магнитного поля в область с меньшей напряженностью;
• Зависимость диамагнитных свойств от структуры и фазового состояния;
• Аномальный рост диамагнитной восприимчивости в сильных полях при низких температурах.

Особенно интересно, что такое диамагнетики в сверхпроводящем состоянии. При определенных условиях они демонстрируют эффект полного выталкивания магнитного поля - эффект Мейснера.

Давайте подробнее рассмотрим эффект Мейснера и свойства сверхпроводящих диамагнетиков.

4. Эффект Мейснера в сверхпроводниках

Эффект Мейснера заключается в полном вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Это происходит из-за появления макроскопических круговых токов на поверхности сверхпроводника, компенсирующих внешнее магнитное поле.

5. Причины возникновения эффекта Мейснера

Появление сверхпроводимости и эффекта Мейснера объясняется квантовой природой проводящих электронов в некоторых материалах. При охлаждении ниже критической температуры электроны образуют так называемые куперовские пары и приобретают квантовые свойства.

6. Особенности сверхпроводящих диамагнетиков

Главными особенностями сверхпроводящих диамагнетиков являются:

• Очень большая по модулю магнитная восприимчивость;
• Резкое увеличение электропроводности;
• Эффект Мейснера в сильных магнитных полях;
• Зависимость свойств от температуры.

По сравнению с ферромагнетиками, сверхпроводники ведут себя как их полные противоположности в магнитном поле.

7. Перспективы применения сверхпроводящих диамагнетиков

Благодаря уникальному сочетанию свойств, сверхпроводящие диамагнетики могут найти широкое применение в технике.

• Сверхпроводящие магниты и электродвигатели;
• Высокочувствительные датчики магнитного поля;
• Элементы ЭВМ сверхвысокой производительности;
• Квантовые компьютеры;

Основная проблема для практических приложений - поддержание сверхнизких температур. Поэтому ведутся интенсивные исследования в этом направлении.

8. Магнитная левитация на основе эффекта Мейснера

Уникальная особенность сверхпроводников - отталкивание от магнитного поля - позволяет использовать их для магнитной левитации. Это нашло применение при создании высокоскоростных поездов и подшипников.

9. Принцип магнитной левитации сверхпроводников

Если поместить сверхпроводник в сильное неоднородное магнитное поле, силы отталкивания от более сильных участков поля компенсируют гравитацию и заставляют сверхпроводник "парить" в воздухе, не касаясь опор.

10. Преимущества магнитной левитации на сверхпроводниках

• Отсутствие трения и износа подвижных частей;
• Экстремально низкое энергопотребление;
• Возможность создания скоростных транспортных систем.

11. Проблемы практического применения

Главным препятствием для широкого использования является сложность получения и поддержания криогенных температур. Кроме того, сверхпроводники чувствительны к магнитным полям и токам.

12. Перспективы развития технологий

Интенсивно ведутся работы по созданию новых сверхпроводящих материалов с более высокими критическими температурами. Разрабатываются компактные криогенные системы охлаждения и защиты от внешних полей.

13. Диамагнетизм биологических объектов

Интересно, что диамагнитные свойства проявляют также живые организмы и биологические ткани. Это связано с наличием диамагнитных молекул воды и органики.

14. Зависимость диамагнетизма тканей от физиологических параметров

Магнитная восприимчивость биотканей сложным образом зависит от кровотока, влажности, метаболизма клеток. Это открывает возможности для магнитной диагностики функциональных параметров организма.

15. Методы регистрации диамагнетизма в медицине

Для обнаружения слабых диамагнитных эффектов в биообъектах применяются различные измерительные системы - СКВИД-магнитометры, атомные магнитометры, магниторезистивные датчики.

16. Перспективы применения в функциональной диагностике

Исследование магнитных свойств тканей в различных физиологических условиях и патологиях может помочь в ранней диагностике нарушений кровообращения, обменных процессов, развития опухолей.

17. Диамагнитный биоинтерфейс мозг-компьютер

Уникальная чувствительность СКВИД-датчиков позволяет регистрировать слабые магнитные сигналы нейронной активности мозга для создания интерфейсов мозг-компьютер нового поколения.