Diamagnetismus

Diamagnetismus

Vereinfachter Vergleich der Permeabilitäten von ferromagnetischen (μf), paramagnetischen (μp) und diamagnetischen Materialien (μd) zu Vakuum (μ0). Dabei ist μ jeweils die Steigung der Kurven B(H).
H: Feldstärke des äußeren Feldes
B: Flussdichte des induzierten Feldes

Diamagnetismus ist eine der Ausprägungsformen des Magnetismus in Materie. Diamagnetische Materialien entwickeln in einem externen Magnetfeld ein induziertes Magnetfeld in einer Richtung, die dem äußeren Magnetfeld entgegengesetzt ist. Diamagnetische Materialien haben die Tendenz, aus einem inhomogenen Magnetfeld herauszuwandern. Ohne äußeres Magnetfeld haben diamagnetische Materialien kein eigenes Magnetfeld, sie sind nichtmagnetisch.

Der Proportionalitätsfaktor der Feldabschwächung wird durch die relative Permeabilität $ \mu_r $ (bzw. die magnetische Suszeptibilität $ \chi=\mu_r-1 $) bestimmt und ist bei Diamagneten kleiner als 1 (vgl. Paramagnetismus).

In der Physik werden alle Materialien mit negativer magnetischer Suszeptibilität und ohne magnetische Ordnung als diamagnetisch klassifiziert. Die am stärksten diamagnetischen Elemente unter Normalbedingungen sind Bismut und Kohlenstoff.

Geschichte

Ein Stück Graphit, das durch Diamagnetismus über vier Permanentmagneten schwebt.

1778 beobachtete Sebald Justinus Brugmans, dass bestimmte Materialien von Magnetfeldern abgestoßen werden. 1845 erkannte Michael Faraday, dass alle Materialien in der Natur auf äußere Magnetfelder reagieren. Er führte den Begriff des „Diamagnetismus“ auf Vorschlag des Philosophen William Whewell in die Physik ein.

Modell

Wenn ein äußeres magnetisches Feld H auf diamagnetische Materialien einwirkt, ändert es die magnetische Ausrichtung der Bestandteile der Atome so, dass ein magnetisches Moment entsteht, welches dem äußeren magnetischen Feld entgegengesetzt ist. Das induzierte Feld B als Summe der magnetischen Momente der Atome des Materials schwächt dieses äußere Feld.

Bei einem inhomogenen Feld ist Arbeit aufzubringen, 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. Die tatsächlichen Vorgänge lassen sich nur quantenmechanisch erklären: Der Spin jedes Elektrons besitzt ein magnetisches Moment und erzeugt so ein Feld, das jedoch aufgrund des Pauli-Prinzips und der thermischen Bewegungen makroskopisch nicht in Erscheinung tritt. Erst das äußere Feld induziert gleichgerichtete magnetische Dipole.

Aufgrund dieser Überlegungen wird klar, dass jedes Material diamagnetisch ist. Weil die diamagnetischen Effekte jedoch schwächer als der Paramagnetismus und um Größenordnungen schwächer als der Ferromagnetismus sind, treten sie nur bei Materialien in Erscheinung, die weder para- noch ferromagnetisch sind. Man bezeichnet solche Stoffe dann als diamagnetisch.

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

Suszeptibilitäten ausgewählter Substanzen (Daten ohne Quellenangabe sind berechnet)
Material χV (SI)
auch χm oder χ
χV (cgs)
auch χm oder χ
χmol (SI)
m3·mol−1
χmol (cgs)
cm3·mol−1
χmass (SI)
m3·kg−1
χmass (cgs)
cm3·g−1
Aluminium (paramagnetisch) p4952.12,1·10−5 p4941.71,7·10−6 p4902.12,1·10−10 p4951.71,7·10−5[1] p4917.77,7·10−9 p4936.16,1·10−7
Aluminiumsulfat wasserfrei m5060.7−9,3·10−6 m5072.6−7,4·10−7 m5098.8−1,2·10−9 m5050.7−9,3·10−5[1] m5096.6−3,4·10−9 m5077.3−2,7·10−7
Aluminiumsulfat · 18 H2O m5058.4−1,6·10−5 m5068.7−1,3·10−6 m5095.9−4,1·10−9 m5046.8−3,2·10−4[1] m5093.9−6,1·10−9 m5075.2−4,8·10−7
Beryllium m5057.7−2,3·10−5 m5068.2−1,8·10−6 m5108.9−1,1·10−10 m5061−9,0·10−6[1] m5088.7−1,3·10−8 m5069−1,0·10−6
Bismut m5048.3−1,7·10−4[2] m5058.7−1,3·10−5 m5096.5−3,5·10−9 m5047.2−2,8·10−4[1] m5088.3−1,7·10−8 m5068.7−1,3·10−6
Blei m5058.4−1,6·10−5 m5068.7−1,3·10−6 m5107.1−2,9·10−10 m5057.7−2,3·10−5[1] m5098.6−1,4·10−9 m5078.9−1,1·10−7
Bor m5058.1−1,9·10−5 m5068.5−1,5·10−6 m5111.6−8,4·10−11 m5063.3−6,7·10−6[1] m5092.2−7,8·10−9 m5073.8−6,2·10−7
Cadmium m5058.1−1,9·10−5 m5068.5−1,5·10−6 m5107.5−2,5·10−10 m5058−2,0·10−5[1] m5097.8−2,2·10−9 m5078.2−1,8·10−7
Germanium m5052.9−7,1·10−5 m5064.4−5,6·10−6 m5100.3−9,7·10−10 m5052.3−7,7·10−5[1] m5088.7−1,3·10−8 m5068.9−1,1·10−6
Gold m5056.6−3,4·10−5 m5067.3−2,7·10−6 m5106.5−3,5·10−10 m5057.2−2,8·10−5[1] m5098.2−1,8·10−9 m5078.6−1,4·10−7
Kohlenstoff (Diamant) m5057.8−2,2·10−5 m5068.3−1,7·10−6 m5112.6−7,4·10−11 m5064.1−5,9·10−6[1] m5093.8−6,2·10−9 m5075.1−4,9·10−7
Kohlenstoff (pyrolytischer Graphit, senkrecht) m5045.5−4,5·10−4[2] m5056.4−3,6·10−5 m5097.6−2,4·10−9 m5048.1−1,9·10−4 m5078−2,0·10−7 m5058.4−1,6·10−5
Kohlenstoff (pyrolytischer Graphit, parallel) m5051.5−8,5·10−5[2] m5063.2−6,8·10−6 m5105.5−4,5·10−10 m5056.4−3,6·10−5 m5086.2−3,8·10−8 m5067−3,0·10−6
Kupfer m5060.4−9,6·10−6 m5072.3−7,7·10−7 m5113.1−6,9·10−11 m5064.5−5,5·10−6[1] m5098.9−1,1·10−9 m5081.4−8,6·10−8
Silber m5057.6−2,4·10−5 m5068.1−1,9·10−6 m5107.5−2,5·10−10 m5058−2,0·10−5[1] m5097.7−2,3·10−9 m5078.2−1,8·10−7
Wasser m5060.9−9,1·10−6 m5072.8−7,2·10−7 m5108.4−1,6·10−10 m5058.7−1,3·10−5[1] m5090.9−9,1·10−9 m5072.8−7,2·10−7
Zink m5058.4−1,6·10−5 m5068.8−1,2·10−6 m5108.6−1,4·10−10 m5058.9−1,1·10−5[1] m5097.8−2,2·10−9 m5078.3−1,7·10−7

Die Suszeptibilität ist nur in geringem Maße von der Temperatur, häufig jedoch stark vom Aggregatzustand, vom Kristallsystem und von der Richtung des Kristallgitters abhängig.[1] Eine große Anisotropie ist zum Beispiel bei pyrolytisch abgeschiedenem Graphit zu beobachten (siehe sortierbare Tabelle). Verbindungen von paramagnetischen Elementen, wie dem hier angeführten Aluminium, können diamagnetisch sein.

Effekte

Supraleiter

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

Schweben

Pyrolytischer Graphit schwebt im starken Magnetfeld

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. Diesen Effekt nennt man auch diamagnetische Levitation; bekannt wurden vor allem Versuche mit einem schwebenden Frosch, einer Spinne oder einem Holzklotz.

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

Siehe auch

Fachliteratur

  • Hans Fischer: Werkstoffe in der Elektrotechnik. 2. Auflage, Carl Hanser Verlag, München Wien, 1982 ISBN 3-446-13553-7
  • Horst Stöcker: Taschenbuch der Physik. 4. Auflage, Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main 2000, ISBN 3-8171-1628-4
  • Prof. Dr. Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18.Auflage, Verlag – Europa – Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9
  • L. N. Mulay, E. A. Boudreaux: Theory and applications of molecular diamagnetism. Wiley, New York 1976, ISBN 0-471-62358-X
  • Dorfman: Diamagnetismus und chemische Bindung Teubner, Leipzig, 1964

Weblinks

Einzelnachweise

  1. 1,00 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 1,10 1,11 1,12 1,13 1,14 1,15 CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990. Seiten E-129 bis E-145.
  2. 2,0 2,1 2,2 Simon MD, Geim AK (2000): Diamagnetic levitation: Flying frogs and floating magnets. Journal of Applied Physics 87: 6200–6204, doi:10.1063/1.372654.

Diese Artikel könnten dir auch gefallen



Die letzten News


03.03.2021
„Ausgestorbenes Atom“ lüftet Geheimnisse des Sonnensystems
Anhand des „ausgestorbenen Atoms“ Niob-92 konnten Forscherinnen Ereignisse im frühen Sonnensystem genauer datieren als zuvor.
03.03.2021
Nanoschallwellen versetzen künstliche Atome in Schwingung
Einem deutsch-polnischen Forscherteam ist es gelungen, gezielt Nanoschallwellen auf einzelne Lichtquanten zu übertragen.
03.03.2021
Nicht verlaufen! – Photonen unterwegs im dreidimensionalen Irrgarten
Wissenschaftlern ist es gelungen, dreidimensionale Netzwerke für Photonen zu entwickeln.
25.02.2021
Asteroidenstaub im „Dinosaurier-Killer-Krater“ gefunden
Ein internationales Forscherteam berichtet über die Entdeckung von Meteoriten-Staub in Bohrproben aus dem Chicxulub-Impaktkraters in Mexiko.
25.02.2021
Zwillingsatome: Eine Quelle für verschränkte Teilchen
Quanten-Kunststücke, die man bisher nur mit Photonen durchführen konnte, werden nun auch mit Atomen möglich. An der TU Wien konnte man quantenverschränkte Atomstrahlen herstellen.
23.02.2021
Auch in der Quantenwelt gilt ein Tempolimit
Auch in der Welt der kleinsten Teilchen mit ihren besonderen Regeln können die Dinge nicht unendlich schnell ablaufen.
23.02.2021
Erstes Neutrino von einem zerrissenen Stern
Ein geisterhaftes Elementarteilchen aus einem zerrissenen Stern hat ein internationales Forschungsteam auf die Spur eines gigantischen kosmischen Teilchenbeschleunigers gebracht.
23.02.2021
Unglaubliche Bilder vom Rover Perseverance auf dem Mars
21.02.2021
Schwarzes Loch in der Milchstraße massiver als angenommen
Ein internationales Team renommierter Astrophysikerinnen und -physiker hat neue Erkenntnisse über Cygnus X-1 gewonnen.
21.02.2021
Ultraschnelle Elektronendynamik in Raum und Zeit
In Lehrbüchern werden sie gerne als farbige Wolken dargestellt: Elektronenorbitale geben Auskunft über den Aufenthaltsort von Elektronen in Molekülen, wie eine unscharfe Momentaufnahme.
21.02.2021
Mit schwingenden Molekülen die Welleneigenschaften von Materie überprüfen
Forschende haben mit einem neuartigen, hochpräzisen laser-spektroskopischen Experiment die innere Schwingung des einfachsten Moleküls vermessen. Den Wellencharakter der Bewegung von Atomkernen konnten sie dabei mit bisher unerreichter Genauigkeit überprüfen.
21.02.2021
Quanten-Computing: Wenn Unwissenheit erwünscht ist
Quantentechnologien für Computer eröffnen neue Konzepte zur Wahrung der Privatsphäre von Ein- und Ausgabedaten einer Berechnung.
19.02.2021
Hochdruckexperimente liefern Einblick in Eisplaneten
Per Röntgenlicht hat ein internationales Forschungsteam einen Blick ins Innere ferner Eisplaneten gewonnen.
19.02.2021
Hochdruckexperimente liefern Einblick in Eisplaneten
Per Röntgenlicht hat ein internationales Forschungsteam einen Blick ins Innere ferner Eisplaneten gewonnen.
19.02.2021
Röntgen-Doppelblitze treiben Atomkerne an
Erstmals ist einem Forscherteam des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik die kohärente Kontrolle von Kernanregungen mit geeignet geformten Röntgenlicht gelungen.
19.02.2021
Ein autarkes Überleben auf dem Mars durch Bakterien
Führende Raumfahrtbehörden streben zukünftig astronautische Missionen zum Mars an, die für einen längeren Aufenthalt konzipiert sind.
17.02.2021
Dualer Charakter von Exzitonen im ultraschnellen Regime: atomartig oder festkörperartig?
Exzitonen sind Quasiteilchen, die Energie durch feste Stoffe transportieren können.
17.02.2021
Neuer Spektrograf sucht nach Super-Erden
Das astronomische Forschungsinstrument CRIRES+ soll Planeten außerhalb unseres Sonnensystems untersuchen.
12.02.2021
Eine neue Art Planeten zu bilden
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Zürich schlagen in Zusammenarbeit mit der Universität Cambridge eine neue Erklärung für die Häufigkeit von Exoplaneten mittlerer Masse vor.
10.02.2021
Optischer Schalter für Nanolicht
Forscherinnen und Forscher in Hamburg und den USA haben einen neuartigen Weg für die Programmierung eines Schichtkristalls entwickelt, der bahnbrechende Abbildungsfähigkeiten erzeugt.
10.02.2021
Weltweit erste Videoaufnahme eines Raum-Zeit-Kristalls gelungen
Einem Forschungsteam ist der Versuch gelungen, bei Raumtemperatur einen Mikrometer großen Raum-Zeit-Kristall aus Magnonen entstehen zu lassen. Mithilfe eines Rasterröntgenmikroskops an BESSY II konnten sie die periodische Magnetisierungsstruktur sogar filmen.
07.02.2021
Lang lebe die Supraleitung!
Supraleitung - die Fähigkeit eines Materials, elektrischen Strom verlustfrei zu übertragen - ist ein Quanteneffekt, der trotz jahrelanger Forschung noch immer auf tiefe Temperaturen be-schränkt ist.
05.02.2021
Quantensysteme lernen gemeinsames Rechnen
Quantencomputer besitzen heute einige wenige bis einige Dutzend Speicher- und Recheneinheiten, die sogenannten Qubits.
03.02.2021
SpaceX-Marsrakete explodiert bei Landung
02.02.2021
Wie kommen erdnahe Elektronen auf beinahe Lichtgeschwindigkeit?
Elektronen können in den Van-Allen-Strahlungsgürteln um unseren Planeten ultra-relativistische Energien erreichen und damit nahezu Lichtgeschwindigkeit.