Диамагнетизм и парамагнетизм

Даже без магнитного упорядочения материалы реагируют на приложенное поле: диамагнетики слабо противодействуют ему за счет наведенных токов, тогда как парамагнетики притягиваются, поскольку их существующие моменты частично выравниваются.

Definition

Диамагнетизм — это слабая, не зависящая от температуры намагниченность, противодействующая приложенному полю, возникающая из вызванных полем изменений в электронном орбитальном движении; парамагнетизм — это намагниченность, параллельная полю, создаваемая частичным выравниванием уже существующих магнитных моментов атомов или электронов проводимости.

Scope

Эта тема охватывает некооперативные магнитные отклики вещества: диамагнетизм Ланжевена и Лармора, возникающий из наведенных орбитальных токов, парамагнетизм Кюри локализованных моментов, подчиняющийся закону Кюри, и парамагнетизм Паули электронов проводимости, определяемый плотностью состояний на уровне Ферми, а также диамагнетизм Ландау электронного газа. Она устанавливает магнитную восприимчивость и ее температурную зависимость как базовую линию, от которой отходит магнитное упорядочение, обусловленное обменным взаимодействием.

Core questions

• Как наведенные орбитальные токи придают каждому материалу диамагнитный отклик?
• Почему парамагнитная восприимчивость локализованных моментов подчиняется закону Кюри в обратной пропорции к температуре?
• Почему парамагнетизм Паули электронов проводимости почти не зависит от температуры?
• Как различные вклады объединяются, чтобы дать измеренную восприимчивость реального твердого тела?

Key concepts

• Магнитная восприимчивость
• Диамагнетизм Лармора и Ланжевена
• Парамагнетизм локализованных моментов по закону Кюри
• Парамагнетизм Паули электронов проводимости
• Диамагнетизм Ландау электронного газа

Key theories

Закон Кюри для парамагнетизма

Для локализованных невзаимодействующих магнитных моментов конкуренция между выравниванием полем и тепловым беспорядком приводит к восприимчивости, обратно пропорциональной температуре (закон Кюри), что является предельным поведением выше любого перехода магнитного упорядочения.

Парамагнетизм Паули

В металле только электроны проводимости вблизи поверхности Ферми могут переориентироваться в поле, поэтому их парамагнитная восприимчивость определяется плотностью состояний на уровне Ферми и почти не зависит от температуры, в отличие от отклика Кюри локализованных моментов.

Clinical relevance

Измерения магнитной восприимчивости позволяют диагностировать магнитный характер материалов, выявляя поведение с локализованными моментами или зонное поведение, а также плотность состояний в металлах; диамагнетизм и парамагнетизм также лежат в основе магнитной левитации, контраста в магнитно-резонансной томографии и калибровки магнитных приборов.

History

Пьер Кюри установил экспериментальный закон парамагнитной восприимчивости в 1890-х годах; Ланжевен представил классическую теорию диа- и парамагнетизма в 1905 году, а квантовая трактовка парамагнетизма электронов проводимости Паули в 1927 году, за которой последовал диамагнетизм Ландау, завершила картину для металлов.

Key figures

• Pierre Curie
• Paul Langevin
• Wolfgang Pauli

Seminal works

• blundell2001
• ashcroft1976

Frequently asked questions

Все ли материалы проявляют диамагнетизм?

Да; наведенный орбитальный отклик, который производит диамагнетизм, универсален, но он очень слаб и обычно маскируется в материалах, которые также имеют парамагнитные моменты или магнитное упорядочение, дающие более значительные, противоположные вклады.

Почему парамагнетизм Паули значительно слабее парамагнетизма Кюри?

В металле принцип Паули препятствует переориентации большинства электронов проводимости; только малая доля вблизи поверхности Ферми может реагировать, поэтому восприимчивость намного меньше и почти не зависит от температуры по сравнению со свободно ориентирующимися локализованными моментами.