Diamagnetismus

Diamagnetismus ist eine Form des Magnetismus. Diamagnetisch nennt man Materialien, die die Tendenz haben, aus einem Magnetfeld herauszuwandern, bzw. bei denen die Dichte der Feldlinien eines extern angelegten Magnetfeldes in der Probe abnimmt. Das stärkste diamagnetische Element ist Bismut.

Geschichte

1778 beobachtete Brugmans, dass bestimmte Materialien von Magnetfeldern abgestoßen wurden. Der Ausdruck „Diamagnetismus“ stammt jedoch von Michael Faraday. Er prägte ihn 1845, als er erkannte, dass alle Materialien in der Natur eine Form einer diamagnetischen Antwort auf ein äußeres Magnetfeld besitzen.

Modell

Wenn ein äußeres magnetisches Feld H auf Materie einwirkt, kann man sich modellhaft vorstellen, dass in jedem Atom oder Molekül ein Kreisstrom induziert wird, der ein magnetisches Moment bewirkt, welches nach der Lenzschen Regel dem von außen angelegten magnetischen Feld entgegengesetzt ist. Das induzierte Feld H` als Summe der einzelnen Momente aller Atome aus der Probe, schwächt dann dieses äußere Feld (ähnlich wie ein elektrisches Feld in einem Dielektrikum) ab. Bei einem inhomogenen Feld muss man Arbeit aufbringen 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. Natürlich entspricht die oben genannte modellhafte Vorstellung einer „Kreisbahn“ des Elektrons oder eines Kreisstroms nicht der Wirklichkeit. Die tatsächlichen Vorgänge lassen sich nur quantenmechanisch erklären: der Spin des Elektrons besitzt ein magnetisches Moment und erzeugt so ein Feld, das aber aufgrund des Pauli-Prinzips und der thermischen Bewegungen makroskopisch nicht in Erscheinung tritt. Erst durch das äußere Feld werden auf atomarer Ebene magnetische Dipole induziert.

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

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

Effekte

Supraleiter

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

Schweben

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 und diversen anderen Materialien (Holzklotz). Den Lebewesen passiert dabei nichts, da die Kraft auf jedes einzelne Molekül/Atom wirkt. Damit sind die überzeugendsten Simulationen der Schwerelosigkeit unter Einwirkung des Gravitationsfelds der Erde möglich.

Pyrolytischer Graphit ist vertikal zur Kristallebene stark diamagnetisch. Mit starken Neodym-Magneten kann Graphit in der Schwebe gehalten werden. Diamagnetimus_pyrolytischer_graphit.gif

Weblinks

Einige Videos zur Diamagnetischen Levitation (englisch)
Artikel aus Spektrum der Wissenschaft Februar 2005 zum Thema Diamagnetische Levitation (PDF) (bitte Copyright beachten)
Diamagnetische Levitation, Versuchsaufbau

Siehe auch: Paramagnetismus, Ferromagnetismus, Pyromagnetismus, Levitation (Technik)

Diamagnetische Levitation, Diafluxx