Диамагнетизм свойственен всем веществам. При внесении какого-либо тела в магнитное поле в электронной оболочке каждого его атома, в силу закона электромагнитной индукции, возникают индуцированные круговые токи, т. е. добавочное круговое движение электронов вокруг направления магнитного поля. Эти токи создают в каждом атоме индуцированный магнитный момент, направленный, согласно правилу Ленца, навстречу внешнему магнитному полю (независимо от того, имелся ли первоначально у атома собственный магнитный момент или нет и как он был ориентирован). В веществе диамагнетизм может перекрываться в большей или меньшей степени электронным или ядерным парамагнетизмом, ферромагнетизмом или антиферромагнетизмом. У чисто диамагнитных веществ электронные оболочки атомов (молекул) не обладают постоянным магнитным моментом. Магнитные моменты, создаваемые отдельными электронами в таких атомах, в отсутствие внешнего магнитного поля взаимно скомпенсированы. В частности, это имеет место в атомах, ионах и молекулах с целиком заполненными электронными оболочками, например в атомах инертных газов, в молекулах водорода, азота.

Удлинённый образец диамагнетика в однородном магнитном поле ориентируется перпендикулярно силовым линиям поля (вектору напряжённости поля). Из неоднородного магнитного поля он выталкивается в направлении уменьшения напряжённости поля.

Индуцированный магнитный момент I, приобретаемый 1 молем диамагнитного вещества, пропорционален напряжённости внешнего поля Н, т. е. l = cH. Коэффициент c называется молярной диамагнитной восприимчивостью и имеет отрицательный знак (т.к. I и Н направлены навстречу друг другу). Обычно абсолютная величина c мала (~ 10^-6), например для 1 моля гелия c = - 1,9×10^-6.

В изолированных атомах токи, создающие диамагнетизм, имеют наиболее простой характер. Вся совокупность электронов изолированного атома приобретает под действием внешнего магнитного поля синхронное вращательное движение вокруг оси, проходящей через центр атома параллельно направлению Н. Это совместное вращение всех электронов атома называется ларморовой прецессией. Вклад каждого электрона в диамагнитную восприимчивость изолированного атома

где е - заряд электрона, r² - средний квадрат расстояния электрона от ядра атома, m - масса покоя электрона, с - скорость света в вакууме. В соответствии с формулой (1) наибольший вклад в диамагнитную восприимчивость вещества дают наиболее удалённые от ядра электроны. Формула (1) позволяет теоретически рассчитать диамагнитную восприимчивость совокупности изолированных атомов (например, 1 моля или 1 см³ вещества), если известно число электронов в атомах и пространственное их распределение.

При не очень высоких температурах тепловое движение атомов слабо влияет на движение электронов в них. Поэтому диамагнетизм практически не зависит от температуры.
Если атомы не изолированы друг от друга, а, напротив, сильно взаимодействуют между собой, например в жидкостях или твёрдых телах, то электронные оболочки таких атомов деформируются, и наблюдаемый диамагнетизм оказывается часто меньше, чем у изолированных атомов.

В металлах и полупроводниках часть валентных электронов атомов имеет возможность перемещаться от атома к атому по всему образцу (в металлах число таких «свободных» электронов не зависит от температуры и очень велико, в полупроводниках оно сравнительно мало при низких температурах и быстро растёт с нагреванием). Под воздействием внешнего магнитного поля свободные электроны двигаются по спиральным квантованным орбитам, что также вызывает небольшой диамагнетизм. В некоторых веществах диамагнетизм Ландау особенно велик, например в висмуте и графите восприимчивость достигает - (200-300)×10^-6 на 1 моль.

Во всех рассмотренных выше случаях диамагнитная восприимчивость слабо зависит от напряжённости магнитного поля. Однако при очень низких температурах у металлов (например, Be, Bi, Zn) и полупроводников в сильных полях наблюдается периодическое (осцилляционное) изменение восприимчивости при плавном увеличении напряжённости поля.

Наибольшее по абсолютной величине значение диамагнитной восприимчивости имеют сверхпроводники. У них c = - 1/4p » - 8×10^-1, а магнитная индукция равна нулю, т. е. магнитное поле не проникает в сверхпроводник. Диамагнетизм сверхпроводников обусловлен не внутриатомными, а макроскопическими поверхностными токами.

 

Вещества крайне разнообразны по своим магнитным свойствам. У большинства веществ эти свойства выражены слабо. Слабо-магнитные вещества делятся на две большие группы – парамагнетики и диамагнетики. Они отличаются тем, что при внесении во внешнее магнитное поле парамагнитные образцы намагничиваются так, что их собственное магнитное поле оказывается направленным по внешнему полю, а диамагнитные образцы намагничиваются против внешнего поля. Поэтому у парамагнетиков μ > 1, а у диамагнетиков μ < 1. Отличие μ от единицы у пара- и диамагнетиков чрезвычайно мало. Например, у алюминия, который относится к парамагнетикам, μ – 1 ≈ 2,1·10^–5, у хлористого железа (FeCl₃) μ – 1 ≈ 2,5·10^–3. К парамагнетикам относятся также платина, воздух и многие другие вещества. К диамагнетикам относятся медь (μ – 1 ≈ –3·10^–6), вода (μ – 1 ≈ –9·10^–6), висмут (μ – 1 ≈ –1,7·10^–3) и другие вещества. Образцы из пара- и диамагнетика, помещенные в неоднородное магнитное поле между полюсами электромагнита, ведут себя по-разному – парамагнетики втягиваются в область сильного поля, диамагнетики – выталкиваются (рис. 1).

Диамагнетизм Ландау - диамагнетизм свободных электронов во внешнем магнитном поле; предсказан Л. Д. Ландау в 1930. Магнитные свойства электронного газа, помещённого в магнитное поле Н, обусловлены наличием у электронов собственного спинового магнитного момента (спина) и изменением характера движения свободных электронов под влиянием поля Н. Магнитное поле искривляет траекторию движения электронов т. о., что проекция их движения на плоскость, перпендикулярную Н, приобретает вид замкнутых траекторий (орбит). Возникшее квазипериодическое движение электронов по орбите квантуется и даёт диамагнитный вклад c диамагнетизм в магнитную восприимчивость электронного газа:

где r_e — плотность электронного газа, m— масса электрона, μ_Б— магнетон Бора. Спиновый же момент электронов обусловливает парамагнитную часть восприимчивости, которая по абсолютной величине в три раза превышает диамагнетизм. При обычных измерениях магнитной восприимчивости парамагнитных металлов фактически определяют алгебраическую сумму диа- и парамагнитной восприимчивостей как электронного газа, так и ионов кристаллической решётки. Однако методами электронного парамагнитного резонанса возможно определить одну парамагнитную составляющую, а следовательно, и диамагнитную. При низких температурах магнитная восприимчивость металлов (диа- и парамагнитная) испытывает осцилляционную зависимость от магнитного поля.

Эффект де Хааза — ван Альфена - осциллирующая зависимость магнитной восприимчивости c многих металлов от напряжённости магнитного поля Н (точнее, от 1/Н), наблюдаемая при температурахpax, близких к абсолютному нулю (рис.1).

открыт голл. физиками В. де Хаазом (W. de Haas) и П. ван Альфеном (P. van Alphen) в 1930. Природа эффекта та же, что и в случае Шубникоеа — де Хааза эффекта. Период осцилляции связан с площадью экстремальных (по проекции квазиимпульса на Н) сечений Ферми поверхности, поэтому исследование эффекта позволяет получить информацию о её форме.