हम अपने हाई स्कूल से चुंबकत्व के बारे में अध्ययन कर रहे हैं। हमें विभिन्न प्रकार की चुंबकीय सामग्री जैसे पैरामैग्नेटिक, डायमैगनेटिक, फेरोमैग्नेटिक मैटेरियल्स से परिचित कराया गया है। इस चर्चा में हम केवल डायमैगनेटिक (Diamagnetic) के बारे में बात करेंगे, हमें हमेशा सिखाया जाता है कि डायमैगनेटिक वस्तुएँ (diamagnetic material) चुंबकीय क्षेत्र का विरोध करती है। लेकिन क्या आपने कभी सवाल किया है कि क्यों? इसलिए, यहां हम इस प्रश्न के उत्तर खोजने का प्रयास करेंगे। हम देखेंगे कि परमाणु स्तर पर क्या हो रहा है?
किसी भी आवेश वाले कण का आवेश (charge) Q होता है जो त्रिज्या r के वृत्ताकार पाश (circular loop ) पर घूमता है जो चुंबकीय क्षेत्र (magnetic field)B का उत्पादन करता है और इसमें चुंबकीय द्विध्रुवीय क्षण (magnetic dipole moment) μ जुड़ा होता है। इस आवेग क्रांति की समय अवधि (Time period T) इस प्रकार है:
T = 2πr/v
यहाँ r लूप की त्रिज्या है और v circular loop पर चार्ज का वेग है। चूंकि विद्युत् धारा को चार्ज (charge) के प्रवाह के रूप में परिभाषित किया गया है, इसलिए विद्युत् धारा भी इस प्रवाह से जुड़ा हुआ है।
I = Q/T
चुंबकीय क्षण (magnetic dipole moment) μ को इस तरह से परिभाषित किया गया है जो हमें चुंबक के साथ किसी भी सामग्री के संपर्क व्यवहार के बारे में बताता है। इस चुंबकीय क्षण μ को 2r2 क्षेत्र में विद्युत् धारा प्रवाह के रूप में लिखा जा सकता है।
μ = I.A
μ = (Q.v/2πr).πr2
μ = (Qmvr/2m)
इस कारक mvr को कोणीय संवेग (angular momentum Lz) के रूप में जाना जाता है जिसका अर्थ चार्ज (charge) की वृत्ताकार गति होता है। इसलिए चुंबकीय क्षण (magnetic dipole moment) μ बराबर है:
μ = (Q/2m)LZ
यहां हम एक इलेक्ट्रॉन (electron) की चाल के बारे में बात कर रहे हैं जिसका चार्ज -e है। इसलिए यह चुंबकीय क्षण (magnetic moment ) μ बन जाता है:
μ = (-e/2m)LZ
इस समीकरण से हम आसानी से कह सकते हैं कि कोई भी पदार्थ जिसके पास चुंबकीय द्विध्रुवीय क्षण (magnetic dipole moment) होता है उसके पास गैर लुप्त कोणीय (non vanishing angular momentum )गति होनी चाहिए , मतलब Lz शून्य के बराबर नहीं होनी चाहिए।
Diamagnetic सामग्री में जब हम किसी माध्यम से चुंबकीय क्षेत्र को इसके अन्दर भेजते हैं तो diamagnetic material के अन्दर उसकी अपनी magnetic field विपरीत दिशा में उत्पन होती है। इस विपरीत क्षेत्र के कारण डायनामैग्नेटिक पदार्थ चुंबकीय क्षेत्र का विरोध करता है। इसे गहराई से समझने के लिए एक उदाहरण लेते हैं, जहां चुंबकीय क्षेत्र को डायमैग्नेटिक सामग्री के अन्दर भेजा जाता है। e 1 और e 2 दो पड़ोसी इलेक्ट्रॉनों (neighboring electron ) को लेते हैं और चुंबकीय क्षेत्र को अन्दर (k ) की तरफ भेजा जाता है।
जब एक आवक (inward) चुंबकीय क्षेत्र को diamagnetic सामग्री के लिए लागू किया जाता है तो ये दो इलेक्ट्रॉनों e1 और e2 एक दूसरे के विपरीत चलते हैं। यदि हम अपना ध्यान इन इलेक्ट्रॉनों की चाल के निकटतम बिंदु पर ले जाते हैं, तो हम स्पष्ट रूप से देख सकते हैं कि जो ी१ है वह ei की ओर बढ़ रहा है जो e2 है वह -ei दिशा की ओर बढ़ रहा है, दोनों विपरीत दिशा में आगे बढ़ रहे हैं। एक दूसरे के साथ इस विपरीत गति के कारण, वे दोनों विपरीत चुंबकीय द्विध्रुवीय क्षण (magnetic dipole moment) पैदा करते हैं।
इस उपरोक्त diagram से हम स्पष्ट रूप से देख सकते हैं कि e1 हमेशा अंदर की ओर धकेला जाएगा और e2 हमेशा बाहर की ओर धकेला जाएगा। इन इलेक्ट्रॉनों की आवक और जावक गति के कारण, e1 का वेग v1 बढ़ता है, त्वरण (accelration) भी बढ़ता है और e2 का वेग घटता है। e1 के वेग में इस वृद्धि के कारण, इस इलेक्ट्रॉन की समय अवधि T बदल जाती है
T = 2πr/v
हम अपनी उपरोक्त चर्चा से जानते हैं कि: μ = (Qmvr / 2m) जिसका अर्थ है चुंबकीय द्विध्रुवीय क्षण μ सीधे वेग v के समानुपाती है। उपरोक्त diagram के विश्लेषण से हमें पता चला कि v1 जो है वो v2 से अधिक है, और e1 का magnetic dipole moment μ1 उपरोक्त आनुपातिकता संबंध (above disscussed relation ) के अनुसार e2 के चुंबकीय क्षण (magnetic dipole moment ) μ2 से अधिक है। एक और संबंध है जो हमें बताता है कि चुंबकीय क्षेत्र सीधे चुंबकत्व M के समानानुपाती है।
M = χB
यहाँ χ को चुंबकीय संवेदनशीलता के रूप में जाना जाता है जो हमें इस बारे में बताता है कि चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में किसी पदार्थ को कितनी सीमा तक चुंबकित किया जाता है। चूंकि यह magnetic dipole moment μ चुंबकीय क्षेत्र B के सीधे आनुपातिक है, तो हम स्पष्ट रूप से कह सकते हैं कि magnetic dipole moment μ भी चुंबकीयकरण (magnetization) के सीधे आनुपातिक है। तो हम कह सकते हैं कि e1 का magnetization e2 के magnetization से अधिक है, जिसका अर्थ है diamagnetic material के अंदर की magnetic field बाहर से दी गयी magnetic field के विपरीत है।
Diamagnetism में जबरदस्त तकनीकी लाभ हैं, Diamagnetic सामग्रियां मूल रूप से चुंबकीय क्षेत्र को निष्काषित कर देती हैं। इसका मतलब है कि अधिक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र, अधिक मजबूती से चुंबकीय क्षेत्र का विरोध करता है। यदि चुंबकीय क्षेत्र पर्याप्त रूप से मजबूत है और एक diamagnetic material का area भी काफी बड़ा है, तो यह diamagnetic material आसानी से चुंबकीय क्षेत्र पर उत्तोलन (levitate) कर सकती है।
सभी सामग्रियों में diamagnetic प्रभाव मौजूद होता है लेकिन यह पैरामैग्नेटिक (paramagnetic) और फेरोमैग्नेटिक (ferromagnetic) सामग्रियों में महत्वपूर्ण रूप से मौजूद नहीं होता है। सुपरकंडक्टर्स (superconductors) में उनके पास एक बड़ा डायनामैग्नेटिक प्रभाव मौजूद होता है और इस बड़े डायमैगनेटिक प्रभाव के कारण यह एक पूर्ण चुंबकीय क्षेत्र को निष्कासित कर देता है। ये सामग्री आसानी से मजबूत स्थायी मैग्नेट की उपस्थिति में उत्तोलन (levitate) कर सकती हैं। चुंबकीय क्षेत्र के पूर्ण निष्कासन के इस प्रभाव को मीस्नर प्रभाव (Meissner effect) कहा जाता है। और आज की कई प्रौद्योगिकियां चुंबकीय क्षेत्र निष्कासन की इस संपत्ति पर आधारित हैं। मैग्लेव (Maglev), हाइपरलूप (Hyperloop) जैसी चुंबकीय लेविटेटिंग ट्रेनें इस आशय (effect) का सबसे अच्छा उदाहरण हैं। ये ट्रेनें बहुत तेज़ हैं, ये हमारी नवीनतम तकनीक के उपयुक्त उदाहरण हैं। भौतिकी की हमारी बेहतर समझ के कारण ही यह सारी तकनीक आज मौजूद है।