Diamagnetismus

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

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. Die am stärksten diamagnetischen Elemente unter Standardbedingungen sind Bismut und Kohlenstoff.

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, ändert es den Zustand der Teilchen in den Atomen des Stoffes, so dass ein magnetisches Moment entsteht, welches 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. 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. 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.

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 Materialien (Holzklotz). Damit sind die überzeugendsten Simulationen der Schwerelosigkeit unter Einwirkung des Gravitationsfeldes der Erde möglich.

Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de