Какъв е магнитният момент на постоянен магнит. Магнитният момент на контура. Определение. Формула. Опит. Изчисляване на движението на магнитния момент в нехомогенно поле
Всяко вещество. Източникът на образуването на магнетизъм, според класическата електромагнитна теория, са микротокове, възникващи от движението на електрон в неговата орбита. Магнитният момент е незаменимо свойство на всички ядра, атомни електронни обвивки и молекули без изключение.
Магнетизмът, който е присъщ на всички елементарни частици, според наличието на техния механичен момент, се нарича спин (собствен механичен импулс от квантова природа). Магнитните свойства на атомното ядро са съставени от спиновите импулси на съставните части на ядрото - протони и неутрони. Електронните обвивки (вътреатомни орбити) също имат магнитен момент, който е сумата от магнитните моменти на електроните върху тях.
С други думи, магнитните моменти на елементарните частици се дължат на вътрешно-атомния квантовомеханичен ефект, известен като спинов импулс. Този ефект е подобен на ъгловия импулс на въртене около собствената си централна ос. Спиновият импулс се измерва в константата на Планк, основната константа на квантовата теория.
Всички неутрони, електрони и протони, от които всъщност се състои атомът, според Планк, имат спин, равен на ½. В структурата на атома, електроните, въртящи се около ядрото, освен импулса на въртене, имат и орбитален ъглов импулс. Ядрото, въпреки че заема статично положение, също има ъглов импулс, който се създава от ядрения спинов ефект.
Магнитното поле, което генерира атомния магнитен момент, се определя от различните форми на този ъглов импулс. Именно въртящият ефект има най-забележим принос за създаването. Според принципа на Паули, според който два еднакви електрона не могат да бъдат едновременно в едно и също квантово състояние, свързаните електрони се сливат, докато техният спинов импулс придобива диаметрално противоположни проекции. В този случай магнитният момент на електрона се намалява, което намалява магнитните свойства на цялата структура. При някои елементи, които имат четен брой електрони, този момент намалява до нула и веществата престават да имат магнитни свойства. По този начин магнитният момент на отделните елементарни частици оказва пряко влияние върху магнитните свойства на цялата ядрено-атомна система.
Феромагнитните елементи с нечетен брой електрони винаги ще имат ненулев магнетизъм поради несдвоен електрон. В такива елементи съседните орбитали се припокриват и всички спинови моменти на несдвоени електрони приемат една и съща ориентация в пространството, което води до постигане на най-ниско енергийно състояние. Този процес се нарича обменно взаимодействие.
При такова подравняване на магнитните моменти на феромагнитните атоми възниква магнитно поле. А парамагнитните елементи, състоящи се от атоми с дезориентирани магнитни моменти, нямат собствено магнитно поле. Но ако действате върху тях с външен източник на магнетизъм, тогава магнитните моменти на атомите ще се подравнят и тези елементи също ще придобият магнитни свойства.
Опитът показва, че всички вещества са магнитни, т.е. са в състояние под въздействието на външно магнитно поле да създават собствено, вътрешно магнитно поле (придобиват собствен магнитен момент, намагнетизират).
За да обясни намагнитването на телата, Ампер предполага, че в молекулите на веществата циркулират кръгови молекулярни токове. Всеки такъв микроток I i има свой магнитен момент и създава магнитно поле в околното пространство (фиг. 1). При липса на външно поле, молекулярните токове и свързаните с тях токове са ориентирани произволно, следователно полученото поле вътре в веществото и общият момент на цялото вещество са равни на нула. Когато веществото се постави във външно магнитно поле, магнитните моменти на молекулите придобиват предимно ориентация в една посока, общият магнитен момент става различен от нула и магнитът се намагнетизира. Магнитните полета на отделните молекулярни токове вече не се компенсират взаимно и вътре в магнита възниква собствено вътрешно поле.
Нека разгледаме причината за това явление от гледна точка на структурата на атомите въз основа на планетарния модел на атома. Според Ръдърфорд в центъра на атома е разположено положително заредено ядро, около което в неподвижни орбити се въртят отрицателно заредени електрони. Електрон, движещ се по кръгова орбита около ядрото, може да се разглежда като кръгов ток (микроток). Тъй като посоката на движение на положителните заряди условно се приема като посока на тока, а зарядът на електрона е отрицателен, посоката на микротока е противоположна на посоката на движение на електрона (фиг. 2).
Големината на микротока I e може да се определи по следния начин. Ако за времето t електронът направи N обороти около ядрото, тогава през областта, разположена навсякъде по пътя на електрона, се пренася заряд - зарядът на електрона).
Според определението за сила на тока,
където е честотата на въртене на електрона.
Ако токът I протича в затворен контур, тогава такъв контур има магнитен момент, чийто модул е
където С- площта, ограничена от контура.
За микроток тази област е орбиталната област S = p r 2
(r е радиусът на орбитата), а магнитният му момент е
където w = 2pn е цикличната честота, е линейната скорост на електрона.
Моментът се дължи на движението на електрона в неговата орбита, затова се нарича орбитален магнитен момент на електрона.
Магнитният момент p m, който електронът притежава поради движението си в орбитата, се нарича орбитален магнитен момент на електрона.
Посоката на вектора образува дясна система с посоката на микротока.
Като всяка материална точка, движеща се в кръг, електронът има ъглов импулс:
Моментът на импулса L, който електронът притежава поради движението си в орбитата, се нарича орбитален механичен момент. Той образува дясна система с посоката на движение на електрона. Както се вижда от фиг. 2, посоките на векторите и са противоположни.
Оказа се, че освен орбиталните моменти (т.е. поради движението в орбитата), електронът има свои собствени механични и магнитни моменти.
Първоначално те се опитват да обяснят съществуването, като разглеждат електрона като топка, въртяща се около собствената си ос, така че собственият механичен момент на импулса на електрона се нарича спин (от английското spin - да се върти). По-късно се установява, че тази идея води до редица противоречия и хипотезата за „въртящ се” електрон е изоставена.
Сега е установено, че спинът на електрона и свързаният с него вътрешен (спинов) магнитен момент са неразделно свойство на електрона, като неговия заряд и маса.
Магнитният момент на електрона в атом е сумата от орбиталния и спиновия момент:
Магнитният момент на атома се състои от магнитните моменти на съставните му електрони (магнитният момент на ядрото се пренебрегва поради неговата малка):
Намагнитване на веществото.
Атом в магнитно поле. Диа- и парамагнитни ефекти.
Нека разгледаме механизма на действие на външно магнитно поле върху електрони, движещи се в атом, т.е. на микротокове.
Както знаете, когато верига с ток се постави в магнитно поле с индукция, възниква въртящ момент на силите
под чието влияние контурът се ориентира по такъв начин, че равнината на контура е перпендикулярна, а магнитният момент е по посока на вектора (фиг. 3).
Електронният микроток се държи по подобен начин. Въпреки това, ориентацията на орбиталния микроток в магнитно поле не е съвсем същата като токовия контур. Факт е, че електрон, който се движи около ядрото и има ъглов импулс, е подобен на върха, следователно има всички характеристики на поведението на жироскопите под въздействието на външни сили, по-специално жироскопичния ефект. Следователно, когато, когато един атом е поставен в магнитно поле, въртящ момент започва да действа върху орбиталния микроток, стремящ се да установи орбиталния магнитен момент на електрона по посока на полето, има прецесия на вектори около посоката на вектора (поради жироскопичния ефект). Честотата на тази прецесия
Наречен Ларморовачестота и е еднаква за всички електрони на атома.
По този начин, когато някое вещество е поставено в магнитно поле, всеки електрон на атома, поради прецесията на неговата орбита около посоката на външното поле, генерира допълнително индуцирано магнитно поле, насочено срещу външното и го отслабва. Тъй като индуцираните магнитни моменти на всички електрони са насочени по един и същи начин (противоположно на вектора), общият индуциран момент на атома също е насочен срещу външното поле.
Феноменът на появата в магнитите на индуцирано магнитно поле (причинено от прецесията на електронните орбити във външно магнитно поле), насочено срещу външното поле и отслабващо го, се нарича диамагнитен ефект. Диамагнетизмът е присъщ на всички вещества в природата.
Диамагнитният ефект води до отслабване на външното магнитно поле в магнитите.
Възможен е обаче и друг ефект, наречен парамагнитен. При липса на магнитно поле магнитните моменти на атомите, дължащи се на топлинно движение, са ориентирани произволно и полученият магнитен момент на веществото е нула (фиг. 4, а).
Когато такова вещество се въведе в еднородно магнитно поле с индукция, полето има тенденция да установи магнитните моменти на атомите по протежение на, следователно векторите на магнитните моменти на атомите (молекулите) прецесират около посоката на вектора. Топлинното движение и взаимните сблъсъци на атомите водят до постепенно затихване на прецесията и намаляване на ъглите между посоките на векторите на магнитните моменти и вектора Комбинираното действие на магнитното поле и топлинното движение води до преобладаващата ориентация на магнитните моменти на атомите по протежение на полето
(фиг. 4, б), колкото повече, толкова повече и колкото по-малко, толкова по-висока е температурата. В резултат на това общият магнитен момент на всички атоми на веществото ще стане различен от нула, веществото ще бъде намагнетизирано и в него възниква собствено вътрешно магнитно поле, съвместно насочено с външното поле и го усилва.
Феноменът на появата в магнитите на вътрешно магнитно поле, причинено от ориентацията на магнитните моменти на атомите по посока на външното поле и усилването му, се нарича парамагнитен ефект.
Парамагнитният ефект води до увеличаване на външното магнитно поле в магнитите.
Когато някое вещество се постави във външно магнитно поле, то се намагнетизира, т.е. придобива магнитен момент поради диа- или парамагнитния ефект, в самото вещество има собствено вътрешно магнитно поле (поле на микротокове) с индукция.
За количествено описание на намагнитването на веществото се въвежда понятието намагнитване.
Намагнитването на магнита е векторна физическа величина, равна на общия магнитен момент на единица обем на магнита:
В SI намагнитването се измерва в A / m.
Намагнитването зависи от магнитните свойства на веществото, величината на външното поле и температурата. Очевидно е, че намагнитването на магнита е свързано с индукция.
Опитът показва, че за повечето вещества и не в много силни полета, намагнитването е право пропорционално на силата на външното поле, което причинява намагнитване:
където c е магнитната чувствителност на веществото, безразмерна величина.
Колкото по-голяма е стойността на c, толкова по-магнетизирано е веществото в дадено външно поле.
Може да се докаже, че
Магнитното поле в материята е векторната сума от две полета: външно магнитно поле и вътрешно или вътрешно магнитно поле, създадено от микротокове. Векторът на магнитната индукция на магнитното поле в веществото характеризира полученото магнитно поле и е равен на геометричната сума от магнитните индукции на външните и вътрешните магнитни полета:
Относителната магнитна проницаемост на веществото показва колко пъти се променя индукцията на магнитно поле в дадено вещество.
Какво точно се случва с магнитното поле в дадено вещество – дали то е усилено или отслабено – зависи от големината на магнитния момент на атома (или молекулата) на даденото вещество.
Диа- и парамагнити. Феромагнети.
Магнитисе наричат вещества, които са способни да придобиват магнитни свойства във външно магнитно поле – намагнетизирани, т.е. създайте свое собствено вътрешно магнитно поле.
Както вече споменахме, всички вещества са магнитни, тъй като тяхното собствено вътрешно магнитно поле се определя от векторното сумиране на микрополета, генерирани от всеки електрон на всеки атом:
Магнитните свойства на веществото се определят от магнитните свойства на електроните и атомите на даденото вещество. Според своите магнитни свойства магнитите се подразделят на диамагнети, парамагнети, феромагнети, антиферомагнети и ферити. Нека разгледаме последователно тези класове вещества.
Открихме, че когато веществото е поставено в магнитно поле, могат да възникнат два ефекта:
1. Парамагнитни, водещи до увеличаване на магнитното поле в магнит поради ориентацията на магнитните моменти на атомите по посока на външното поле.
2. Диамагнитни, водещи до отслабване на полето поради прецесията на електронните орбити във външно поле.
Как да определим кой от тези ефекти ще възникне (или и двете едновременно), кой от тях се оказва по-силен, какво в крайна сметка се случва с магнитното поле в дадено вещество - усилено ли е или отслабено?
Както вече знаем, магнитните свойства на веществото се определят от магнитните моменти на неговите атоми, а магнитният момент на атома се състои от орбиталните и присъщите спинови магнитни моменти на електроните, включени в неговия състав:
За атомите на някои вещества векторната сума от орбиталните и спинови магнитни моменти на електроните е равна на нула, т.е. магнитният момент на целия атом е нула. Когато такива вещества са поставени в магнитно поле, парамагнитният ефект, естествено, не може да възникне, тъй като възниква само поради ориентацията на магнитните моменти на атомите в магнитно поле, но тук те не са.
Но прецесията на електронните орбити във външно поле, която причинява диамагнитния ефект, винаги се случва, следователно диамагнитният ефект възниква във всички вещества, когато са поставени в магнитно поле.
По този начин, ако магнитният момент на атом (молекула) на веществото е нула (поради взаимната компенсация на магнитните моменти на електроните), тогава когато такова вещество се постави в магнитно поле, ще се появи само диамагнитен ефект в то. В този случай вътрешното магнитно поле на магнита е насочено срещу външното поле и го отслабва. Такива вещества се наричат диамагнити.
Диамагнитите са вещества, в които при липса на външно магнитно поле магнитните моменти на атомите са равни на нула.
Диамагнитите във външно магнитно поле се намагнитват срещу посоката на външното поле и следователно го отслабват
B = B 0 - B ¢, m< 1.
Отслабването на полето в диамагнит е много незначително. Например, за един от най-мощните диамагнети, бисмут, m »0,99998.
Диамагнитите са много метали (сребро, злато, мед), повечето органични съединения, смоли, въглерод и др.
Ако при липса на външно магнитно поле магнитният момент на атомите на веществото е различен от нула, тогава когато такова вещество се постави в магнитно поле, в него ще се появят както диамагнитни, така и парамагнитни ефекти, но диамагнитният ефект е винаги много по-слаб от парамагнитния ефект и е практически невидим на неговия фон. Вътрешното магнитно поле на магнита ще бъде подравнено с външното поле и ще го усили. Такива вещества се наричат парамагнети. Парамагнитите са вещества, в които при липса на външно магнитно поле магнитните моменти на атомите са различни от нула.
Парамагнитите във външно магнитно поле се намагнитват по посока на външното поле и го усилват. За тях
B = B 0 + B ¢, m> 1.
Магнитната пропускливост за повечето парамагнети е малко по-голяма от единица.
Парамагнитите включват редкоземни елементи, платина, алуминий и др.
Ако диамагнитният ефект, B = B 0 -B ¢, m< 1.
Ако диа- и парамагнитни ефекти, B = B 0 + B ¢, m> 1.
Феромагнети.
Всички диа- и парамагнети са вещества, които са много слабо намагнетизирани, тяхната магнитна проницаемост е близка до единица и не зависи от силата на магнитното поле H. Наред с диа- и парамагнитите има вещества, които могат да бъдат силно намагнитвани. Те се наричат феромагнети.
Феромагнитите или феромагнитните материали получават името си от латинското наименование на основния представител на тези вещества - желязо (ферум). Феромагнетите, в допълнение към желязото, включват кобалт, никел, гадолиний, много сплави и химически съединения. Феромагнитите са вещества, които могат да бъдат много силно намагнетизирани, при които вътрешното (присъщо) магнитно поле може да бъде стотици и хиляди пъти по-високо от външното магнитно поле, което го е причинило.
Свойства на феромагнитите
1. Възможност за силно магнетизиране.
Стойността на относителната магнитна проницаемост m в някои феромагнети достига 10 6.
2. Магнитно насищане.
На фиг. 5 е показана експерименталната зависимост на намагнитването от силата на външното магнитно поле. Както се вижда от фигурата, от определена стойност на H, числената стойност на намагнитването на феромагнитите практически остава постоянна и равна на J sat. Това явление е открито от руския учен A.G. Столетов и наречено магнитно насищане.
3. Нелинейни зависимости B (H) и m (H).
С увеличаване на интензитета първо нараства индукцията, но с намагнитването на магнита растежът му се забавя, а при силни полета нараства с нарастване по линеен закон (фиг. 6).
Поради нелинейната зависимост B (H),
тези. магнитната проницаемост m по сложен начин зависи от силата на магнитното поле (фиг. 7). Първоначално, с увеличаване на силата на полето, m нараства от първоначалната стойност до определена максимална стойност, а след това намалява и асимптотично клони към единица.
4. Магнитен хистерезис.
Друга отличителна черта на феромагнитите е тяхната
способността да се поддържа намагнитването след отстраняване на намагнитващото поле. Когато силата на външното магнитно поле се промени от нула към положителни стойности, индукцията се увеличава (фиг. 8, разр.
При намаляване на нула магнитната индукция се забавя в намаляването и при стойност, равна на нула, се оказва равна (остатъчна индукция), т.е. когато външното поле се отстрани, феромагнетикът остава намагнетизиран и е постоянен магнит. За пълно размагнитване на пробата е необходимо да се приложи магнитно поле в обратна посока -. Величината на силата на магнитното поле, която трябва да бъде приложена към феромагнит за пълното му размагнетизиране, се нарича принудителна сила.
Явлението на изоставане в промяната на магнитната индукция във феромагнетик от промяната в силата на външно магнитно поле, което е променливо по големина и посока, се нарича магнитен хистерезис.
В този случай зависимостта от ще бъде изобразена с крива с форма на бримка, наречена хистерезисни бримки,показано на фиг. 8.
В зависимост от формата на хистерезисната верига се прави разлика между твърди магнитни и меки магнитни феромагнети. Веществата с висока остатъчна намагнитност и висока коерцитивна сила се наричат твърди феромагнети, т.е. с широка хистерезисна линия. Използват се за производството на постоянни магнити (въглерод, волфрам, хром, алуминий-никел и други стомани).
Меките феромагнети са вещества с ниска коерцитивна сила, които много лесно се ремагнетизират, с тесен хистерезис. (За получаване на тези свойства е специално създадено така нареченото трансформаторно желязо, сплав от желязо с малка примес на силиций). Областта им на приложение е производството на трансформаторни сърцевини; те включват меко желязо, желязо-никелови сплави (permalloy, supermalla).
5. Наличието на температурата на Кюри (точка).
Точката на Кюрие температурната характеристика на даден феромагнит, при която феромагнитните свойства напълно изчезват.
Когато пробата се нагрее над точката на Кюри, феромагнитът се трансформира в обикновен парамагнит. Когато се охлажда под точката на Кюри, той възстановява своите феромагнитни свойства. Тази температура е различна за различните вещества (за Fe - 770 0 C, за Ni - 260 0 C).
6. Магнитострикция- феноменът на деформация на феромагнитите по време на намагнитване. Големината и знакът на магнитострикцията зависят от интензитета на намагнитващото поле и естеството на феромагнетика. Това явление се използва широко за устройството на мощни ултразвукови излъчватели, използвани в сонари, подводна комуникация, навигация и др.
При феромагнитите се наблюдава и обратното явление - промяна в намагнитването при деформация. Сплави със значителна магнитострикция се използват в инструменти за измерване на налягане и деформация.
Природата на феромагнетизма
Описателна теория на феромагнетизма е предложена от френския физик П. Вайс през 1907 г., а последователна количествена теория, основана на квантовата механика, е разработена от съветския физик Й. Френкел и немския физик В. Хайзенберг (1928).
Според съвременните концепции магнитните свойства на феромагнетиците се определят от спиновите магнитни моменти (спинове) на електроните; феромагнитите могат да бъдат само кристални вещества, атомите на които имат незавършени вътрешни електронни обвивки с некомпенсирани спинове. В този случай възникват сили, които принуждават спиновите магнитни моменти на електроните да се ориентират успоредно един на друг. Тези сили се наричат сили на обменно взаимодействие, те са от квантово естество и се дължат на вълновите свойства на електроните.
Под действието на тези сили при липса на външно поле, феромагнетикът се разпада на голям брой микроскопични области - домейни, чиито размери са от порядъка на 10 -2 - 10 -4 cm. Вътре във всеки домен, завъртанията на електроните са ориентирани успоредно един на друг, така че целият домен е намагнетизиран до насищане, но посоките на намагнитване в отделните домейни са различни, така че общият (общ) магнитен момент на целия феромагнетик е нула . Както знаете, всяка система има тенденция да бъде в състояние, в което нейната енергия е минимална. Разделянето на феромагнетик на домейни се получава, защото енергията на феромагнетика намалява по време на образуването на домейн структура. Оказва се, че точката на Кюри е температурата, при която се случва разрушаването на домейни и феромагнитът губи своите феромагнитни свойства.
Съществуването на домейн структура на феромагнитите е доказано експериментално. Директен експериментален метод за наблюдението им е методът на праховите фигури. Ако водна суспензия от фин феромагнитен прах (например магнит) се нанесе върху добре полирана повърхност на феромагнит, тогава частиците се утаяват главно на места с максимална нехомогенност на магнитното поле, т.е. на границите между домейните. Следователно, утаеният прах очертава границите на домейните и подобна картина може да се снима под микроскоп.
| |
| |
|
- намагнитване на целия магнит в състояние на насищане
|
Тъй като, както е известно, всяка система се стреми към минимална енергия, възниква процес на изместване на границите на домейна, при който обемът на домейни с по-ниска енергия се увеличава, а с по-висока намалява (фиг. 9б). В случай на много слаби полета тези измествания на границите са обратими и точно следват промените в полето (ако полето е изключено, намагнитването отново ще бъде нула). Този процес съответства на участъка от кривата B (H) (фиг. 10). С увеличаване на полето изместванията на границите на домейна стават необратими.
При достатъчна стойност на намагнитващото поле изчезват енергийно неблагоприятните домейни (фиг. 9, в, разрез на фиг. 7). Ако полето се увеличи още повече, магнитните моменти на домейните се въртят над полето, така че цялата проба се превръща в един голям домен (фиг. 9г, разрез на фиг. 10).
Множество интересни и ценни свойства на феромагнитите им позволяват да се използват широко в различни области на науката и технологиите: за производството на трансформаторни сърцевини и електромеханични ултразвукови излъчватели, като постоянни магнити и др. Феромагнитните материали се използват във военното дело: в различни електрически и радиоустройства; като източници на ултразвук - в сонари, навигация, подводна комуникация; като постоянни магнити - за създаване на магнитни мини и за магнитометрично разузнаване. Магнитометричното разузнаване позволява откриване и идентифициране на обекти, съдържащи феромагнитни материали; използвани в системата за борба с подводници и морски мини.
Известно е, че магнитното поле има ориентиращо действие върху рамка с ток и рамката се върти около оста си. Това се случва, защото в магнитно поле върху рамката действа момент на сили, равен на:
Тук B е векторът на индукцията на магнитното поле, е токът в рамката, S е нейната площ и a е ъгълът между силовите линии и перпендикуляра на равнината на рамката. Този израз включва произведение, което се нарича магнитен диполен момент или просто магнитен момент на рамката.Оказва се, че величината на магнитния момент напълно характеризира взаимодействието на рамката с магнитното поле. Две рамки, едната от които има голям ток и малка площ, а другата има голяма площ и малък ток, ще се държат в магнитно поле по същия начин, ако магнитните им моменти са равни. Ако рамката е малка, тогава нейното взаимодействие с магнитното поле не зависи от нейната форма.
Удобно е магнитният момент да се разглежда като вектор, който е разположен на линия, перпендикулярна на равнината на рамката. Посоката на вектора (нагоре или надолу по тази линия) се определя от "правилото на кардана": карданът трябва да бъде разположен перпендикулярно на равнината на рамката и да се завърти в посоката на тока на рамката - посоката на движение на кардана ще показват посоката на вектора на магнитния момент.
По този начин магнитният момент е вектор, перпендикулярен на равнината на рамката.
Сега нека визуализираме поведението на рамката в магнитно поле. Тя ще има склонност да се обърне по този начин. така че магнитният му момент да е насочен по протежение на вектора на индукция на магнитното поле B. Малка рамка с ток може да се използва като просто „измервателно устройство“ за определяне на вектора на индукция на магнитно поле.
Магнитният момент е важно понятие във физиката. Атомите са съставени от ядра, около които се въртят електроните. Всеки електрон, движещ се около ядрото като заредена частица, създава ток, образувайки един вид микроскопична рамка с тока. Нека изчислим магнитния момент на един електрон, движещ се по кръгова орбита с радиус r.
Електрическият ток, тоест количеството заряд, което се носи от електрона в орбита за 1 s, е равно на заряда e на електрона, умножено по броя на оборотите, които прави:
Следователно, величината на магнитния момент на електрона е равна на:
Може да се изрази чрез големината на ъгловия импулс на електрона. Тогава величината на магнитния момент на електрона, свързан с неговото движение в орбитата, или, както се казва, величината на орбиталния магнитен момент, е равна на:
Атомът е обект, който не може да бъде описан с помощта на класическата физика: за такива малки обекти важат напълно различни закони - законите на квантовата механика. Въпреки това резултатът, получен за орбиталния магнитен момент на електрона, се оказва същият като в квантовата механика.
По-различно е положението с присъщия магнитен момент на електрона - спина, който е свързан с въртенето му около оста си. За въртенето на електрона квантовата механика дава стойността на магнитния момент, 2 пъти по-голяма от тази на класическата физика:
и тази разлика между орбиталните и спиновите магнитни моменти не може да бъде обяснена от класическата гледна точка. Общият магнитен момент на атома е сумата от орбиталните и спинови магнитни моменти на всички електрони и тъй като те се различават с коефициент 2, в израза за магнитния момент на атома се появява фактор, който характеризира състоянието на атом:
По този начин, един атом, подобно на обикновена рамка с ток, има магнитен момент и в много отношения поведението им е подобно. По-специално, както в случая с класическата рамка, поведението на атома в магнитно поле се определя напълно от величината на неговия магнитен момент. В тази връзка концепцията за магнитен момент е много важна при обяснението на различни физически явления, които се случват с материята в магнитно поле.
Може да се докаже, че въртящият момент M, действащ върху верига с ток I в еднородно поле, е право пропорционален на площта, опростена от тока, силата на тока и индукцията на магнитното поле B. Освен това въртящият момент M зависи върху позицията на веригата спрямо полето. Максималният въртящ момент Miax се получава, когато равнината на веригата е успоредна на линиите на магнитна индукция (фиг.22.17), и се изразява с формулата
(Докажете това с помощта на формула (22.6a) и фиг. 22.17.) Ако означим, тогава получаваме
Стойността, характеризираща магнитните свойства на верига с ток, които определят нейното поведение във външно магнитно поле, се нарича магнитен момент на тази верига. Магнитният момент на веригата се измерва чрез произведението на тока в нея от площта, обикаляна от тока:
Магнитният момент е вектор, чиято посока се определя от правилото на десния винт: ако винтът се завърти по посока на тока във веригата, тогава транслационното движение на винта ще покаже посоката на вектора (фиг. 22.18, а). Зависимостта на въртящия момент M от ориентацията на контура се изразява с формулата
където a е ъгълът между векторите и B. От фиг. 22.18, b може да се види, че равновесието на контура в магнитно поле е възможно, когато векторите B и Pmag са насочени по една права линия. (Помислете в кой случай този баланс ще бъде стабилен.)
Магнитен момент основната величина, характеризираща магнитните свойства на веществото. Източникът на магнетизма, според класическата теория на електромагнитните явления, са електрическите макро- и микротокове. За елементарен източник на магнетизъм се счита затворен ток. От опита и класическата теория на електромагнитното поле следва, че магнитните действия на затворен ток (верига с ток) се определят, ако продуктът е известен ( М) текущ ивърху зоната на контура σ ( М = иσ / ° Св CGS система от единици (виж CGS система от единици), с -
скоростта на светлината). вектор Ми по дефиниция има M. m. Може да се запише в друга форма: М = м л, където м -еквивалентен магнитен заряд на веригата, и л- разстоянието между "зарядите" с противоположни знаци (+ и -
). Елементарните частици, атомните ядра и електронните обвивки на атоми и молекули притежават магнитни материали. Величината на елементарните частици (електрони, протони, неутрони и други), както показва квантовата механика, се дължи на съществуването на техния собствен механичен момент - Spin a. M. m. Ядрата са съставени от собствени (спинови) M. m. Образуващи тези ядра от протони и неутрони, както и M. m. Свързани с орбиталното им движение вътре в ядрото. Магнитният резонанс на електронните обвивки на атоми и молекули се състои от спинови и орбитални магнитни резонансни електрони. Спиновият магнитен момент на електрона m cn може да има две равни и противоположно насочени проекции върху посоката на външното магнитно поле Н.Абсолютна величина на проекцията където μ in = (9,274096 ± 0,000065) 10 -21 ерг / gs -Бора магнетон, h -
Лентата е постоянна , ди м e - заряд и маса на електрона, с- скоростта на светлината; S H -проекцията на спиновия механичен момент върху посоката на полето Х... Абсолютната стойност на спин M. m. където с= 1/2 - спиново квантово число (вижте квантови числа). Съотношението на спиновия магнетизъм към механичния момент (спин) от въртенето Изследванията на атомните спектри показват, че m H cn всъщност е равно не на m in, а на m in (1 + 0,0116). Това се дължи на действието върху електрона на така наречените нулеви трептения на електромагнитното поле (вижте Квантова електродинамика, Радиационни корекции).
Орбиталният магнитен момент на електрона m кълбо е свързан с механичния орбитален момент на кълбото чрез отношението ж opb = | m кълбо | / | кълбо | = | д|/2мд ° С, тоест магнитомеханичното съотношение ж opb е два пъти по-малко от жк.п. Квантовата механика позволява само дискретна серия от възможни проекции на m кълба върху посоката на външното поле (т.нар. пространствено квантуване): m H orb = m l m in ,
където m l -
магнитно квантово число, като се приеме 2 л+ 1 стойности (0, ± 1, ± 2, ..., ± л, където л-
орбитално квантово число). В многоелектронните атоми орбиталът и спинът M. m. се определят от квантовите числа Ли Собщите орбитални и спинови моменти. Добавянето на тези моменти се извършва съгласно правилата на пространственото квантуване. Поради неравенството на магнитомеханичните отношения за спина на електрона и неговото орбитално движение ( ж cп ¹ ж opb) получената M.m. на атомната обвивка няма да бъде успоредна или антипаралелна на получения механичен момент Дж.
Затова често се разглежда компонентът на пълния M. m. Към посоката на вектора Джравна на където ж J е магнитомеханичното съотношение на електронната обвивка, Дже общото ъглово квантово число. М. м. На протон, чийто спин е където М стр- масата на протона, която е 1836,5 пъти по-голяма м e, m отровата е ядрен магнетон, равен на 1 / 1836.5m c. Неутронът, от друга страна, не трябва да има магнитен материал, тъй като е лишен от заряд. Опитът обаче показва, че молекулното тегло на протона е m p = 2,7927 m отрова, а неутронът m n = -1,91315 m е отрова. Това се дължи на наличието на мезонни полета около нуклони, които определят техните специфични ядрени взаимодействия (виж Ядрени сили, Мезони) и влияят на техните електромагнитни свойства. Общият M.m на сложните атомни ядра не е кратен на m отрова или m p и m n. По този начин, M. m. Калиево ядро За да се характеризира магнитното състояние на макроскопичните тела, се изчислява средната стойност на резултантното магнитно поле на всички микрочастици, образуващи тялото. Магнетизмът на единица обем на тялото се нарича намагнитване. За макротелата, особено в случай на тела с атомно магнитно подреждане (феро-, фери- и антиферомагнити), понятието средна атомна молекулна маса се въвежда като средна стойност на молекулната маса на атом (йон) - носител на молекулна маса в тялото. В вещества с магнитен ред тези средни атомни молекулни маси се получават като частно от разделянето на спонтанното намагнитване на феромагнитни тела или магнитни подрешетки във фери- и антиферомагнити (при абсолютна нулева температура) на броя на атомите - носители на магнитен материал за единица обем. Обикновено тези средни атомни М. на м. се различават от М. на М. на изолирани атоми; техните стойности в магнетоните на Бор m от своя страна се оказват дробни (например при преходни d-метали Fe, Co и Ni, съответно 2,218 m in, 1,715 m in и 0,604 m in) Тази разлика се дължи на промяна в движението на d-електрони (носители на M. m.) в кристал в сравнение с движението в изолирани атоми. В случай на редкоземни метали (лантаниди), както и неметални феро- или феримагнитни съединения (например ферити), незавършените d- или f-слоеве на електронната обвивка (основните атомни носители на молекулната маса) на съседните йони в кристала се припокриват слабо, следователно, забележима колективизация на тях. Няма слоеве (както при d-метали), а молекулната маса на такива тела се променя малко в сравнение с изолираните атоми. Директното експериментално определяне на магнитния резонанс върху атомите в кристала стана възможно в резултат на прилагането на методите на магнитна неутронна дифракция, радиоспектроскопия (NMR, EPR, FMR и др.) и ефекта на Мьосбауер. За парамагнети също е възможно да се въведе понятието среден атомен M. m., който се определя чрез експериментално установената константа на Кюри, която е включена в израза за закона на Кюри a или закона на Кюри-Вайс a (виж Парамагнетизъм) . осветено .: Tamm I.E., Основи на теорията на електричеството, 8-мо изд., М., 1966; Ландау Л. Д. и Лифшиц Е. М., Електродинамика на непрекъснати среди, М., 1959; Дорфман Я. Г., Магнитни свойства и структура на материята, М., 1955; Вонсовски С.В., Магнетизъм на микрочастиците, М., 1973. С. В. Вонсовски. Голяма съветска енциклопедия. - М .: Съветска енциклопедия.
1969-1978
.
Вижте какво е "Магнетен момент" в други речници:
Размер L2I Мерни единици SI A⋅m2 ... Wikipedia
Основната стойност, която характеризира магн. имоти в wa. Източникът на магнетизма (М. м.), Според класическия. електронна теория магн. явления, явл. макро и микро (атомни) електрически течения. Елем. източник на магнетизъм се счита за затворен ток. От опит и класика...... Физическа енциклопедия
Голям енциклопедичен речник
МАГНИТЕН МОМЕНТ, измерване на силата на постоянен магнит или намотка с ток. Това е максималната ротационна сила (въртящ момент), приложена към магнит, намотка или електрически заряд в МАГНИТНО ПОЛЕ, разделена на силата на полето. Заредено ... ... Научно-технически енциклопедичен речник
МАГНИТЕН МОМЕНТ- физически величина, характеризираща магнитните свойства на телата и частиците на материята (електрони, нуклони, атоми и др.); колкото по-голям е магнитният момент, толкова по-силно (виж) е тялото; магнитният момент се определят от магнитния (виж). Тъй като всеки електрически ... ... Голяма политехническа енциклопедия
- (Магнетен момент) произведението на магнитната маса на даден магнит от разстоянието между неговите полюси. Самойлов К. И. Морски речник. M. L .: Държавно военноморско издателство на НКВМФ на СССР, 1941 г. ... Морски речник
магнитен момент- Хар ка магн. св. в тела, съв. експресно. прод. величина заряд във всеки полюс на разстояние между полюсите. Теми металургия като цяло EN магнитен момент ... Ръководство за технически преводач
Векторна величина, характеризираща материята като източник на магнитно поле. Макроскопичният магнитен момент се създава от затворени електрически токове и подредено ориентирани магнитни моменти на атомни частици. Микрочастиците правят разлика между орбитални... енциклопедичен речник
МАГНИТЕН МОМЕНТ- е основната величина, характеризираща магнитните свойства на веществото. Електрическият ток се счита за елементарен източник на магнетизъм. Векторът, определен от произведението на силата на тока и площта на затворения токов контур, е магнитният момент. от… … Палеомагнетология, петромагнетология и геология. Справочник речник.
магнитен момент- elektromagnetinis momentas statusas T sritis Стандартизация и метрология apibrėžtis Vektorinis dydis, kurio vektorinė sandauga su vienalyčio magnetinio srauto tankiu yra lygi sukimo momentui: m B = T; čia m - magnetinio momento vektorius, B ... ... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas