Diamagnetismus und Paramagnetismus

Auch ohne magnetische Ordnung reagieren Materialien auf ein angelegtes Feld: Diamagnete widerstehen ihm schwach durch induzierte Ströme, während Paramagnete angezogen werden, da sich ihre vorhandenen Momente teilweise ausrichten.

Definition

Diamagnetismus ist eine schwache, temperaturunabhängige Magnetisierung, die einem angelegten Feld entgegenwirkt und aus feldinduzierten Änderungen der elektronischen Orbitalbewegung resultiert; Paramagnetismus ist eine zum Feld parallele Magnetisierung, die durch die teilweise Ausrichtung bereits vorhandener atomarer oder Leitungselektronen-Magnetmomente erzeugt wird.

Scope

Dieses Thema behandelt die nicht-kooperativen magnetischen Reaktionen von Materie: Langevin- und Larmor-Diamagnetismus aus induzierten Orbitalströmen, Curie-Paramagnetismus lokalisierter Momente nach dem Curie-Gesetz und Pauli-Paramagnetismus von Leitungselektronen, der durch die Zustandsdichte am Fermi-Niveau bestimmt wird, zusammen mit dem Landau-Diamagnetismus des Elektronengases. Es etabliert die magnetische Suszeptibilität und ihre Temperaturabhängigkeit als Ausgangspunkt, von dem die austauschgetriebene magnetische Ordnung abweicht.

Core questions

• Wie erzeugen induzierte Orbitalströme in jedem Material eine diamagnetische Reaktion?
• Warum folgt die paramagnetische Suszeptibilität lokalisierter Momente dem Curie-Gesetz in umgekehrtem Verhältnis zur Temperatur?
• Warum ist der Pauli-Paramagnetismus von Leitungselektronen nahezu temperaturunabhängig?
• Wie kombinieren sich die verschiedenen Beiträge, um die gemessene Suszeptibilität eines realen Festkörpers zu ergeben?

Key concepts

• Magnetische Suszeptibilität
• Larmor- und Langevin-Diamagnetismus
• Curie-Gesetz-Paramagnetismus lokalisierter Momente
• Pauli-Paramagnetismus von Leitungselektronen
• Landau-Diamagnetismus des Elektronengases

Key theories

Curie-Gesetz des Paramagnetismus

Für lokalisierte, nicht wechselwirkende magnetische Momente führt der Wettbewerb zwischen Feldorientierung und thermischer Unordnung zu einer Suszeptibilität, die umgekehrt proportional zur Temperatur ist, dem Curie-Gesetz, welches das Grenzverhalten oberhalb jeder magnetischen Ordnungsübergangstemperatur darstellt.

Pauli-Paramagnetismus

In einem Metall können sich nur Leitungselektronen nahe der Fermi-Oberfläche in einem Feld neu orientieren; daher wird ihre paramagnetische Suszeptibilität durch die Zustandsdichte am Fermi-Niveau bestimmt und ist im Gegensatz zur Curie-Antwort lokalisierter Momente nahezu temperaturunabhängig.

Clinical relevance

Suszeptibilitätsmessungen diagnostizieren den magnetischen Charakter von Materialien und offenbaren das Verhalten von lokalen Momenten im Vergleich zu itineranten Momenten sowie die Zustandsdichte in Metallen; Diamagnetismus und Paramagnetismus liegen auch der magnetischen Levitation, dem Kontrast in der Magnetresonanztomographie und der Kalibrierung magnetischer Instrumente zugrunde.

History

Pierre Curie etablierte in den 1890er Jahren das experimentelle Gesetz der paramagnetischen Suszeptibilität; Langevin formulierte 1905 die klassische Theorie des Dia- und Paramagnetismus, und Paulis quantenmechanische Behandlung des Leitungselektronen-Paramagnetismus von 1927, gefolgt vom Landau-Diamagnetismus, vervollständigte das Bild für Metalle.

Key figures

• Pierre Curie
• Paul Langevin
• Wolfgang Pauli

Seminal works

• blundell2001
• ashcroft1976

Frequently asked questions

Zeigen alle Materialien Diamagnetismus?

Ja; die induzierte Orbitalreaktion, die Diamagnetismus erzeugt, ist universell, aber sie ist sehr schwach und wird in Materialien, die auch paramagnetische Momente oder magnetische Ordnung aufweisen, in der Regel maskiert, da diese größere, entgegengesetzte Beiträge liefern.

Warum ist der Pauli-Paramagnetismus so viel schwächer als der Curie-Paramagnetismus?

In einem Metall blockiert das Pauli-Prinzip die Neuorientierung der meisten Leitungselektronen; nur der kleine Anteil nahe der Fermi-Oberfläche kann reagieren, sodass die Suszeptibilität im Vergleich zu frei orientierbaren lokalisierten Momenten viel kleiner und nahezu temperaturunabhängig ist.