Koliki je magnetski moment trajnog magneta. Magnetski moment petlje. Definicija. Formula. Iskustvo. Proračun gibanja magnetskog momenta u nehomogenom polju
Bilo koja tvar. Izvor nastanka magnetizma, prema klasičnoj elektromagnetskoj teoriji, su mikrostruje koje proizlaze iz gibanja elektrona u njegovoj orbiti. Magnetski moment je neizostavno svojstvo svih jezgri, atomskih elektronskih ljuski i molekula bez iznimke.
Magnetizam, koji je svojstven svim elementarnim česticama, prema prisutnosti njihovog mehaničkog momenta, naziva se spin (vlastiti mehanički impuls kvantne prirode). Magnetska svojstva atomske jezgre čine spinski momenti sastavnih dijelova jezgre – protona i neutrona. Elektronske ljuske (intra-atomske orbite) također imaju magnetski moment, koji je zbroj magnetskih momenata elektrona na njoj.
Drugim riječima, magnetski momenti elementarnih čestica nastaju zbog unutaratomskog kvantnomehaničkog učinka poznatog kao spinski moment. Taj je učinak sličan kutnom momentu rotacije oko vlastite središnje osi. Spin zamah se mjeri u Planckovoj konstanti, temeljnoj konstanti kvantne teorije.
Svi neutroni, elektroni i protoni, od kojih se, zapravo, sastoji atom, prema Plancku, imaju spin jednak ½. U strukturi atoma, elektroni koji se okreću oko jezgre, osim spinskog momenta, imaju i orbitalni kutni moment. Jezgra, iako zauzima statičan položaj, također ima kutni moment, koji nastaje efektom nuklearnog spina.
Magnetno polje koje stvara atomski magnetski moment određeno je različitim oblicima ovog kutnog momenta. Upravo spin efekt daje najuočljiviji doprinos stvaranju. Prema Paulijevom principu, prema kojem dva identična elektrona ne mogu biti istovremeno u istom kvantnom stanju, vezani elektroni se spajaju, dok njihovi spinski momenti poprimaju dijametralno suprotne projekcije. U tom slučaju se smanjuje magnetski moment elektrona, što smanjuje magnetska svojstva cijele strukture. U nekim elementima koji imaju paran broj elektrona, ovaj moment se smanjuje na nulu, a tvari prestaju imati magnetska svojstva. Dakle, magnetski moment pojedinih elementarnih čestica ima izravan utjecaj na magnetska svojstva cijelog nuklearno-atomskog sustava.
Feromagnetski elementi s neparnim brojem elektrona uvijek će imati magnetizam različit od nule zbog nesparenog elektrona. U takvim elementima susjedne orbitale se preklapaju, a svi momenti spina nesparenih elektrona poprimaju istu orijentaciju u prostoru, što dovodi do postizanja najnižeg energetskog stanja. Taj se proces naziva interakcija razmjene.
S takvim poravnanjem magnetskih momenata feromagnetskih atoma nastaje magnetsko polje. A paramagnetski elementi, koji se sastoje od atoma s dezorijentiranim magnetskim momentima, nemaju vlastito magnetsko polje. Ali ako na njih djelujete vanjskim izvorom magnetizma, tada će se magnetski momenti atoma poravnati, a ti će elementi također dobiti magnetska svojstva.
Iskustvo pokazuje da su sve tvari magnetske, t.j. sposobni su pod utjecajem vanjskog magnetskog polja stvoriti svoje, unutarnje magnetsko polje (steknuti vlastiti magnetski moment, magnetizirati).
Kako bi objasnio magnetiziranje tijela, Ampere je sugerirao da kružne molekularne struje kruže u molekulama tvari. Svaka takva mikrostruja I i ima svoj magnetski moment i stvara magnetsko polje u okolnom prostoru (slika 1). U nedostatku vanjskog polja, molekularne struje i pridružene struje su nasumično orijentirane, stoga su rezultirajuće polje unutar tvari i ukupni moment cijele tvari jednaki nuli. Kada se tvar stavi u vanjsko magnetsko polje, magnetski momenti molekula dobivaju pretežno orijentaciju u jednom smjeru, ukupni magnetski moment postaje različit od nule, a magnet se magnetizira. Magnetska polja pojedinih molekularnih struja više se međusobno ne kompenziraju, a unutar magneta nastaje vlastito unutarnje polje.
Razmotrimo razlog ovog fenomena sa stajališta strukture atoma temeljenog na planetarnom modelu atoma. Prema Rutherfordu, u središtu atoma nalazi se pozitivno nabijena jezgra, oko koje se negativno nabijeni elektroni rotiraju u stacionarnim orbitama. Elektron koji se kreće po kružnoj orbiti oko jezgre može se smatrati kružnom strujom (mikrostruja). Budući da se smjer kretanja pozitivnih naboja konvencionalno uzima kao smjer struje, a naboj elektrona negativan, smjer mikrostruje je suprotan smjeru kretanja elektrona (slika 2).
Veličina mikrostruje I e može se odrediti na sljedeći način. Ako je tijekom vremena t elektron napravio N okretaja oko jezgre, tada se kroz područje koje se nalazi bilo gdje na putu elektrona prenio naboj - naboj elektrona).
Prema definiciji jakosti struje,
gdje je frekvencija rotacije elektrona.
Ako struja I teče u zatvorenoj petlji, tada takva petlja ima magnetski moment čiji je modul
gdje S- područje omeđeno konturom.
Za mikrostruju, ovo je područje orbitalno područje S = p r 2
(r je polumjer orbite), a njezin magnetski moment je
gdje je w = 2pn ciklička frekvencija, linearna brzina elektrona.
Moment nastaje zbog gibanja elektrona u njegovoj orbiti, stoga se naziva orbitalni magnetski moment elektrona.
Magnetski moment p m, koji elektron posjeduje zbog svog gibanja u orbiti, naziva se orbitalni magnetski moment elektrona.
Smjer vektora tvori desnoruki sustav sa smjerom mikrostruje.
Kao i svaka materijalna točka koja se kreće u krugu, elektron ima kutni moment:
Moment momenta L, koji elektron posjeduje zbog svog gibanja u orbiti, naziva se orbitalni mehanički moment. Tvori desnoruki sustav sa smjerom gibanja elektrona. Kao što se može vidjeti na slici 2, smjerovi vektora i su suprotni.
Pokazalo se da, osim orbitalnih momenata (tj. zbog gibanja u orbiti), elektron ima svoje mehaničke i magnetske momente.
U početku su postojanje pokušali objasniti razmatranjem elektrona kao lopte koja rotira oko vlastite osi, pa je vlastiti mehanički moment zamaha elektrona nazvan spin (od engleskog spin - rotirati). Kasnije se pokazalo da ova ideja dovodi do brojnih proturječnosti i hipoteza o "rotirajućem" elektronu je napuštena.
Sada je utvrđeno da su spin elektrona i pripadajući intrinzični (spin) magnetski moment integralno svojstvo elektrona, poput njegovog naboja i mase.
Magnetski moment elektrona u atomu je zbroj orbitalnog i spinskog momenta:
Magnetski moment atoma sastoji se od magnetskih momenata njegovih sastavnih elektrona (magnetski moment jezgre je zanemaren zbog njegove malenosti):
Magnetizacija tvari.
Atom u magnetskom polju. Dia- i paramagnetski učinci.
Razmotrimo mehanizam djelovanja vanjskog magnetskog polja na elektrone koji se kreću u atomu, t.j. na mikrostrujama.
Kao što znate, kada se krug sa strujom stavi u magnetsko polje s indukcijom, nastaje zakretni moment sila
pod čijim je utjecajem kontura orijentirana na način da je ravnina konture okomita, a magnetski moment duž smjera vektora (slika 3).
Slično se ponaša i elektronička mikrostruja. Međutim, orijentacija orbitalne mikrostruje u magnetskom polju nije sasvim ista kao strujna petlja. Činjenica je da je elektron koji se kreće oko jezgre i ima kutni moment sličan vrhu, stoga ima sve značajke ponašanja žiroskopa pod utjecajem vanjskih sila, posebno žiroskopskog učinka. Stoga, kada se atom stavi u magnetsko polje, moment počinje djelovati na orbitalnu mikrostruju koja teži uspostaviti orbitalni magnetski moment elektrona duž smjera polja, dolazi do precesije vektora oko smjera vektor (zbog žiroskopskog efekta). Učestalost ove precesije
pozvao Larmorova frekvencija i jednaka je za sve elektrone atoma.
Dakle, kada se bilo koja tvar stavi u magnetsko polje, svaki elektron atoma, zbog precesije svoje orbite oko smjera vanjskog polja, stvara dodatno inducirano magnetsko polje usmjereno protiv vanjskog i slabi ga. Budući da su inducirani magnetski momenti svih elektrona usmjereni na isti način (suprotno vektoru), ukupni inducirani moment atoma također je usmjeren protiv vanjskog polja.
Fenomen pojave u magnetima induciranog magnetskog polja (nastalog precesijom orbita elektrona u vanjskom magnetskom polju), usmjerenog suprotno vanjskom polju i koji ga slabi, naziva se dijamagnetski efekt. Dijamagnetizam je svojstven svim supstancama prirode.
Dijamagnetski učinak dovodi do slabljenja vanjskog magnetskog polja u magnetima.
Međutim, moguć je i drugi učinak, nazvan paramagnetski. U nedostatku magnetskog polja, magnetski momenti atoma uslijed toplinskog gibanja orijentirani su nasumično i rezultirajući magnetski moment tvari jednak je nuli (slika 4, a).
Kada se takva tvar indukcijom unese u jednolično magnetsko polje, polje teži uspostaviti magnetske momente atoma duž, dakle, vektori magnetskih momenata atoma (molekula) precesiraju oko smjera vektora. Toplinsko gibanje i međusobni sudari atoma dovode do postupnog raspada precesije i smanjenja kutova između smjerova vektora magnetskih momenata i vektora. Kombinirano djelovanje magnetskog polja i toplinskog gibanja dovodi do prevladavajuće orijentacije. magnetskih momenata atoma duž polja
(slika 4, b), što je više, više i manje, to je temperatura viša. Kao rezultat toga, ukupni magnetski moment svih atoma tvari postat će različit od nule, tvar će biti magnetizirana, a u njoj nastaje vlastito unutarnje magnetsko polje, suusmjereno s vanjskim poljem i pojačavajući ga.
Fenomen pojave unutarnjeg magnetskog polja kod magneta, uzrokovanog orijentacijom magnetskih momenata atoma duž smjera vanjskog polja i njegovim pojačavanjem, naziva se paramagnetski efekt.
Paramagnetski učinak dovodi do povećanja vanjskog magnetskog polja u magnetima.
Kada se bilo koja tvar stavi u vanjsko magnetsko polje, ona postaje magnetizirana, t.j. dobiva magnetski moment zbog dija- ili paramagnetskog učinka, u samoj tvari postoji svoje unutarnje magnetsko polje (polje mikrostruja) s indukcijom.
Za kvantitativni opis magnetiziranosti tvari uvodi se pojam magnetizacije.
Magnetizacija magneta je vektorska fizička veličina jednaka ukupnom magnetskom momentu jedinične zapremine magneta:
U SI, magnetizacija se mjeri u A / m.
Magnetizacija ovisi o magnetskim svojstvima tvari, veličini vanjskog polja i temperaturi. Očito je da je magnetizacija magneta povezana s indukcijom.
Iskustvo pokazuje da je za većinu tvari, a ne u vrlo jakim poljima, magnetizacija izravno proporcionalna jakosti vanjskog polja, što uzrokuje magnetizaciju:
gdje je c magnetska susceptibilnost tvari, bezdimenzionalna veličina.
Što je veća vrijednost c, to je tvar magnetiziranija u danom vanjskom polju.
Može se dokazati da
Magnetno polje u materiji je vektorski zbroj dvaju polja: vanjskog magnetskog polja i unutarnjeg, ili unutarnjeg, magnetskog polja stvorenog mikrostrujama. Vektor magnetske indukcije magnetskog polja u tvari karakterizira rezultirajuće magnetsko polje i jednak je geometrijskom zbroju magnetskih indukcija vanjskog i unutarnjeg magnetskog polja:
Relativna magnetska permeabilnost tvari pokazuje koliko se puta mijenja indukcija magnetskog polja u danoj tvari.
Što se točno događa s magnetskim poljem u danoj tvari – je li pojačano ili oslabljeno – ovisi o veličini magnetskog momenta atoma (ili molekule) dane tvari.
Dia- i paramagneti. feromagneti.
Magneti nazivaju se tvari koje su sposobne steći magnetska svojstva u vanjskom magnetskom polju – magnetizirane, t.j. stvorite vlastito unutarnje magnetsko polje.
Kao što je već spomenuto, sve tvari su magnetske, budući da je njihovo vlastito unutarnje magnetsko polje određeno vektorskim zbrajanjem mikropolja koje stvara svaki elektron svakog atoma:
Magnetska svojstva tvari određena su magnetskim svojstvima elektrona i atoma dane tvari. Prema svojim magnetskim svojstvima magneti se dijele na dijamagnete, paramagnete, feromagnete, antiferomagnete i ferite. Razmotrimo redom ove klase tvari.
Otkrili smo da kada se tvar stavi u magnetsko polje, mogu se pojaviti dva učinka:
1. Paramagnetski, što dovodi do povećanja magnetskog polja u magnetu zbog orijentacije magnetskih momenata atoma duž smjera vanjskog polja.
2. Dijamagnetski, što dovodi do slabljenja polja zbog precesije orbita elektrona u vanjskom polju.
Kako odrediti koji će se od ovih učinaka pojaviti (ili oba u isto vrijeme), koji od njih se pokaže jačim, što se u konačnici događa s magnetskim poljem u danoj tvari - je li ono pojačano ili oslabljeno?
Kao što već znamo, magnetska svojstva tvari određena su magnetskim momentima njezinih atoma, a magnetski moment atoma sastoji se od orbitalnih i intrinzičnih spin magnetskih momenata elektrona uključenih u njegov sastav:
Za atome nekih tvari vektorski zbroj orbitalnih i spinskih magnetskih momenata elektrona jednak je nuli, t.j. magnetski moment cijelog atoma je nula. Kada se takve tvari stave u magnetsko polje, paramagnetski efekt, naravno, ne može nastati, jer nastaje samo zbog orijentacije magnetskih momenata atoma u magnetskom polju, ali ovdje nisu.
Ali precesija orbita elektrona u vanjskom polju, koja uzrokuje dijamagnetski učinak, uvijek se događa, stoga se dijamagnetski učinak javlja u svim tvarima kada se stave u magnetsko polje.
Dakle, ako je magnetski moment atoma (molekule) tvari jednak nuli (zbog međusobne kompenzacije magnetskih momenata elektrona), onda kada se takva tvar stavi u magnetsko polje pojavit će se samo dijamagnetski efekt u to. U tom slučaju, intrinzično magnetsko polje magneta usmjereno je suprotno od vanjskog polja i slabi ga. Takve tvari nazivaju se dijamagneti.
Dijamagneti su tvari u kojima su, u nedostatku vanjskog magnetskog polja, magnetski momenti atoma jednaki nuli.
Dijamagneti u vanjskom magnetskom polju magnetiziraju se protiv smjera vanjskog polja i stoga ga slabe
B = B 0 - B ¢, m< 1.
Slabljenje polja u dijamagnetu je vrlo neznatno. Na primjer, za jedan od najmoćnijih dijamagneta, bizmut, m »0,99998.
Dijamagneti su mnogi metali (srebro, zlato, bakar), većina organskih spojeva, smole, ugljik itd.
Ako je, u nedostatku vanjskog magnetskog polja, magnetski moment atoma tvari različit od nule, onda kada se takva tvar stavi u magnetsko polje, u njoj će se pojaviti i dijamagnetski i paramagnetski efekti, ali je dijamagnetski učinak uvijek puno slabiji od paramagnetskog efekta i praktički je nevidljiv na njegovoj pozadini. Intrinzično magnetsko polje magneta bit će usklađeno s vanjskim poljem i pojačati ga. Takve tvari nazivaju se paramagneti. Paramagneti su tvari u kojima su, u nedostatku vanjskog magnetskog polja, magnetski momenti atoma različiti od nule.
Paramagneti u vanjskom magnetskom polju magnetiziraju se u smjeru vanjskog polja i pojačavaju ga. Za njih
B = B 0 + B ¢, m> 1.
Magnetska propusnost za većinu paramagneta je nešto veća od jedinice.
Paramagneti uključuju elemente rijetkih zemalja, platinu, aluminij itd.
Ako je dijamagnetski učinak, B = B 0 -B ¢, m< 1.
Ako su dija- i paramagnetski učinci, B = B 0 + B ¢, m> 1.
feromagneti.
Svi dia- i paramagneti su tvari koje su vrlo slabo magnetizirane, njihova magnetska permeabilnost je blizu jedinice i ne ovisi o jakosti magnetskog polja H. Uz dia- i paramagnete postoje tvari koje se mogu jako magnetizirati. Zovu se feromagneti.
Feromagneti ili feromagnetski materijali dobili su naziv po latinskom nazivu za glavnog predstavnika ovih tvari - željezo (ferrum). Feromagneti, osim željeza, uključuju kobalt, nikal, gadolinij, mnoge legure i kemijske spojeve. Feromagneti su tvari koje se mogu vrlo jako magnetizirati, u kojima unutarnje (unutarnje) magnetsko polje može biti stotine i tisuće puta veće od vanjskog magnetskog polja koje ga je uzrokovalo.
Svojstva feromagneta
1. Sposobnost jakog magnetiziranja.
Vrijednost relativne magnetske permeabilnosti m u nekim feromagnetima doseže 10 6.
2. Magnetsko zasićenje.
Na sl. Slika 5 prikazuje eksperimentalnu ovisnost magnetizacije o jakosti vanjskog magnetskog polja. Kao što se može vidjeti sa slike, od određene vrijednosti H, numerička vrijednost magnetizacije feromagneta praktički ostaje konstantna i jednaka J sat. Ovaj fenomen otkrio je ruski znanstvenik A.G. Stoletov i pod nazivom magnetsko zasićenje.
3. Nelinearne ovisnosti B (H) i m (H).
Povećanjem intenziteta najprije raste indukcija, ali kako magnet magnetizira, njegov rast se usporava, a u jakim poljima raste s porastom prema linearnom zakonu (slika 6.).
Zbog nelinearne ovisnosti B (H),
oni. magnetska permeabilnost m na složen način ovisi o jakosti magnetskog polja (slika 7). U početku, s povećanjem jakosti polja, m raste od početne vrijednosti do određene maksimalne vrijednosti, a zatim opada i asimptotski teži jedinici.
4. Magnetska histereza.
Još jedna karakteristična značajka feromagneta je njihova
sposobnost održavanja magnetizacije nakon uklanjanja magnetizirajućeg polja. Kada se jačina vanjskog magnetskog polja promijeni od nule prema pozitivnim vrijednostima, indukcija raste (slika 8, presjek
Pri smanjenju na nulu magnetska indukcija kasni u opadanju i pri vrijednosti jednakoj nuli ispada jednaka (preostala indukcija), t.j. kada se vanjsko polje ukloni, feromagnet ostaje magnetiziran i trajni je magnet. Za potpunu demagnetizaciju uzorka potrebno je primijeniti magnetsko polje u suprotnom smjeru -. Veličina jakosti magnetskog polja koja se mora primijeniti na feromagnet za njegovu potpunu demagnetizaciju naziva se prisilna sila.
Fenomen zaostajanja u promjeni magnetske indukcije u feromagnetu od promjene jakosti vanjskog magnetizirajućeg polja promjenjivog po veličini i smjeru naziva se magnetska histereza.
U ovom slučaju, ovisnost o bit će prikazana krivuljom u obliku petlje tzv histerezne petlje, prikazano na slici 8.
Ovisno o obliku histerezne petlje, razlikuje se tvrdo magnetne i meke magnetske feromagnete. Tvari s velikom remanentnom magnetizacijom i velikom koercitivnom silom nazivaju se tvrdi feromagneti, t.j. sa širokom petljom histereze. Koriste se za proizvodnju trajnih magneta (ugljik, volfram, krom, aluminij-nikl i drugi čelici).
Meki feromagneti su tvari s malom koercitivnom silom, koje se vrlo lako remagnetiziraju, s uskom histerezisnom petljom. (Da bi se dobila ova svojstva, posebno je stvoreno tzv. transformatorsko željezo, legura željeza s malom primjesom silicija). Njihovo područje primjene je proizvodnja jezgri transformatora; to uključuje meko željezo, legure željeza i nikla (permalloy, supermalla).
5. Prisutnost Curie temperature (točke).
Curiejeva točka je temperatura karakteristična za dani feromagnet pri kojoj feromagnetska svojstva potpuno nestaju.
Kada se uzorak zagrije iznad Curiejeve točke, feromagnet se pretvara u obični paramagnet. Kada se ohladi ispod Curiejeve točke, obnavlja svoja feromagnetska svojstva. Ta je temperatura različita za različite tvari (za Fe - 770 0 C, za Ni - 260 0 C).
6. Magnetostrikcija- fenomen deformacije feromagneta tijekom magnetiziranja. Veličina i znak magnetostrikcije ovise o intenzitetu magnetizirajućeg polja i prirodi feromagneta. Ovaj fenomen se naširoko koristi za uređaj snažnih ultrazvučnih emitera koji se koriste u sonaru, podvodnoj komunikaciji, navigaciji itd.
U feromagnetima se također opaža suprotan fenomen - promjena magnetizacije pri deformaciji. Legure sa značajnom magnetostrikcijom koriste se u instrumentima za mjerenje tlaka i deformacija.
Priroda feromagnetizma
Deskriptivnu teoriju feromagnetizma predložio je francuski fizičar P. Weiss 1907., a konzistentnu kvantitativnu teoriju temeljenu na kvantnoj mehanici razvili su sovjetski fizičar J. Frenkel i njemački fizičar W. Heisenberg (1928).
Prema suvremenim konceptima, magnetska svojstva feromagneta određena su spinskim magnetskim momentima (spinovima) elektrona; feromagneti mogu biti samo kristalne tvari, čiji atomi imaju nedovršene unutarnje elektronske ljuske s nekompenziranim spinovima. U tom slučaju nastaju sile koje prisiljavaju spin magnetske momente elektrona da se međusobno orijentiraju paralelno. Te se sile nazivaju silama međudjelovanja razmjene, kvantne su prirode i posljedica su valnih svojstava elektrona.
Pod djelovanjem tih sila u nedostatku vanjskog polja, feromagnet se raspada na veliki broj mikroskopskih područja - domena, čije su dimenzije reda veličine 10 -2 - 10 -4 cm. Unutar svake domene spinovi elektrona su međusobno orijentirani paralelno, tako da je cijela domena magnetizirana do zasićenja, ali su smjerovi magnetizacije u pojedinim domenama različiti, tako da je ukupni (ukupni) magnetski moment cijelog feromagneta nula. . Kao što znate, svaki sustav teži biti u stanju u kojem je njegova energija minimalna. Do podjele feromagneta na domene dolazi jer se energija feromagneta smanjuje tijekom formiranja domenske strukture. Pokazalo se da je Curiejeva točka temperatura na kojoj dolazi do uništenja domena, a feromagnet gubi svoja feromagnetska svojstva.
Eksperimentalno je dokazano postojanje domenske strukture feromagneta. Izravna eksperimentalna metoda za njihovo promatranje je metoda praškastih figura. Ako se vodena suspenzija finog feromagnetskog praha (na primjer, magnet) nanese na temeljito poliranu površinu feromagneta, tada se čestice talože uglavnom na mjestima maksimalne nehomogenosti magnetskog polja, t.j. na granicama između domena. Stoga taloženi prah ocrtava granice domena, a slična se slika može fotografirati pod mikroskopom.
| |
| |
|
- magnetiziranje cijelog magneta u stanju zasićenja
|
Budući da, kao što je poznato, svaki sustav teži minimalnoj energiji, dolazi do procesa pomicanja granica domena u kojem volumen domena s nižom energijom raste, a s višom opada (slika 9b). U slučaju vrlo slabih polja, ti pomaci granica su reverzibilni i točno prate promjene u polju (ako se polje isključi, magnetizacija će opet biti nula). Ovaj proces odgovara presjeku B (H) krivulje (slika 10). S povećanjem polja, pomaci granica domene postaju nepovratni.
Uz dovoljnu vrijednost magnetizirajućeg polja, energetski nepovoljne domene nestaju (slika 9, c, presjek slike 7). Ako se polje još više poveća, magnetski momenti domena se rotiraju preko polja, tako da se cijeli uzorak pretvara u jednu veliku domenu (slika 9d, dio slike 10).
Brojna zanimljiva i vrijedna svojstva feromagneta omogućuju im široku primjenu u raznim područjima znanosti i tehnologije: za proizvodnju jezgri transformatora i elektromehaničkih ultrazvučnih emitera, kao trajni magneti itd. Feromagnetski materijali koriste se u vojnim poslovima: u raznim električnim i radijskim uređajima; kao izvori ultrazvuka - u sonaru, navigaciji, podvodnoj komunikaciji; kao trajni magneti - za stvaranje magnetskih mina i za magnetometrijsko izviđanje. Magnetometrijsko izviđanje omogućuje otkrivanje i identifikaciju objekata koji sadrže feromagnetske materijale; koristi se u sustavu borbe protiv podmornica i morskih mina.
Poznato je da magnetsko polje ima orijentacijski učinak na okvir sa strujom, a okvir se rotira oko svoje osi. To se događa jer u magnetskom polju na okvir djeluje moment sila, jednak:
Ovdje je B vektor indukcije magnetskog polja, struja u okviru, S je njegova površina, a a je kut između linija sile i okomice na ravninu okvira. Ovaj izraz uključuje proizvod koji se naziva magnetski dipolni moment ili jednostavno magnetski moment okvira.Ispada da veličina magnetskog momenta u potpunosti karakterizira interakciju okvira s magnetskim poljem. Dva okvira, od kojih jedan ima veliku struju i malu površinu, a drugi veliku površinu i malu struju, ponašat će se u magnetskom polju na isti način ako su im magnetski momenti jednaki. Ako je okvir mali, onda njegova interakcija s magnetskim poljem ne ovisi o njegovom obliku.
Prikladno je uzeti magnetski moment kao vektor, koji se nalazi na liniji okomitoj na ravninu okvira. Smjer vektora (gore ili dolje duž ove linije) određen je "pravilom kardana": kardan mora biti postavljen okomito na ravninu okvira i rotiran u smjeru struje okvira - smjer kretanja kardana će označavaju smjer vektora magnetskog momenta.
Dakle, magnetski moment je vektor okomit na ravninu okvira.
Sada vizualizirajmo ponašanje okvira u magnetskom polju. Imat će tendenciju da se ovako okrene. tako da je njegov magnetski moment usmjeren duž vektora indukcije magnetskog polja B. Mali okvir sa strujom može poslužiti kao jednostavan "mjerni uređaj" za određivanje vektora indukcije magnetskog polja.
Magnetski moment je važan pojam u fizici. Atomi se sastoje od jezgri oko kojih se vrte elektroni. Svaki elektron koji se kreće oko jezgre kao nabijena čestica stvara struju, tvoreći svojevrsni mikroskopski okvir sa strujom. Izračunajmo magnetski moment jednog elektrona koji se kreće po kružnoj orbiti polumjera r.
Električna struja, odnosno količina naboja koju elektron nosi u orbiti u 1 s, jednaka je naboju elektrona e, pomnoženom s brojem okretaja koje napravi:
Prema tome, veličina magnetskog momenta elektrona jednaka je:
Može se izraziti kroz veličinu kutnog momenta elektrona. Tada je veličina magnetskog momenta elektrona povezanog s njegovim kretanjem u orbiti, ili, kako kažu, veličina orbitalnog magnetskog momenta, jednaka:
Atom je objekt koji se ne može opisati klasičnom fizikom: za tako male objekte vrijede potpuno drugačiji zakoni – zakoni kvantne mehanike. Ipak, rezultat dobiven za orbitalni magnetski moment elektrona ispada isti kao u kvantnoj mehanici.
Drugačija je situacija s intrinzičnim magnetskim momentom elektrona - spinom, koji je povezan s njegovom rotacijom oko svoje osi. Za spin elektrona, kvantna mehanika daje vrijednost magnetskog momenta, 2 puta veću od one u klasičnoj fizici:
a ta razlika između orbitalnih i spinskih magnetskih momenata ne može se objasniti s klasičnog stajališta. Ukupni magnetski moment atoma je zbroj orbitalnih i spinskih magnetskih momenata svih elektrona, a budući da se razlikuju za faktor 2, u izrazu za magnetni moment atoma pojavljuje se faktor koji karakterizira stanje elektrona. atom:
Dakle, atom, poput običnog okvira sa strujom, ima magnetski moment, a u mnogočemu njihovo je ponašanje slično. Konkretno, kao iu slučaju klasičnog okvira, ponašanje atoma u magnetskom polju u potpunosti je određeno veličinom njegovog magnetskog momenta. U tom smislu, koncept magnetskog momenta vrlo je važan u objašnjavanju različitih fizikalnih pojava koje se događaju s materijom u magnetskom polju.
Može se dokazati da je zakretni moment M koji djeluje na strujni krug sa strujom I u jednoličnom polju izravno proporcionalan površini strujnom strujom, jakosti struje i indukcijom magnetskog polja B. Osim toga, moment M ovisi na položaj kruga u odnosu na polje. Maksimalni moment Miax dobiva se kada je ravnina strujnog kruga paralelna s linijama magnetske indukcije (Sl.22.17), a izražava se formulom
(Dokažite to pomoću formule (22.6a) i slike 22.17.) Ako označimo onda dobivamo
Vrijednost koja karakterizira magnetska svojstva strujnog kruga, a koja određuju njegovo ponašanje u vanjskom magnetskom polju, naziva se magnetskim momentom tog kruga. Magnetski moment strujnog kruga mjeri se umnoškom struje u njemu na površinu koju struja oblijeće:
Magnetski moment je vektor čiji je smjer određen pravilom desnog vijka: ako se vijak okrene u smjeru struje u krugu, tada će translacijsko kretanje vijka pokazati smjer vektora (Sl. 22.18, a). Ovisnost momenta M o orijentaciji konture izražava se formulom
gdje je a kut između vektora i B. Sa sl. 22.18, b može se vidjeti da je ravnoteža konture u magnetskom polju moguća kada su vektori B i Pmag usmjereni duž jedne ravne linije. (Razmislite u kojem slučaju će ova ravnoteža biti stabilna.)
Magnetski trenutak glavna veličina koja karakterizira magnetska svojstva tvari. Izvor magnetizma, prema klasičnoj teoriji elektromagnetskih pojava, su električne makro- i mikrostruje. Elementarni izvor magnetizma smatra se zatvorena struja. Iz iskustva i klasične teorije elektromagnetskog polja proizlazi da su magnetska djelovanja zatvorene struje (krug sa strujom) određena ako je proizvod poznat ( M) Trenutno i na području konture σ ( M = iσ / c u CGS sustavu jedinica (vidi CGS sustav jedinica), s -
brzina svjetlosti). Vektor M a postoji, po definiciji, M. m. Može se napisati u drugom obliku: M = m l, gdje m - ekvivalentni magnetski naboj kruga, i l- udaljenost između "naboja" suprotnih predznaka (+ i -
). Elementarne čestice, atomske jezgre i elektronske ljuske atoma i molekula posjeduju magnetske materijale. Veličina elementarnih čestica (elektrona, protona, neutrona i drugih), kako pokazuje kvantna mehanika, posljedica je postojanja vlastitog mehaničkog momenta - Spin a. M. m. Jezgre se sastoje od vlastitih (spin) M. m. Formirajući te jezgre od protona i neutrona, kao i M. m. Povezane s njihovim orbitalnim gibanjem unutar jezgre. Magnetska rezonancija elektronskih ljuski atoma i molekula sastoji se od spinskih i orbitalnih elektrona magnetske rezonancije. Spin magnetski moment elektrona m cn može imati dvije jednake i suprotno usmjerene projekcije na smjer vanjskog magnetskog polja N. Apsolutna veličina projekcije gdje je μ in = (9,274096 ± 0,000065) 10 -21 erg / gs - bura magneton, h -
Traka je konstantna , e i m e - naboj i masa elektrona, s- brzina svjetlosti; S H - projekcija spin mehaničkog momenta na smjer polja H... Apsolutna vrijednost spina M. m. gdje s= 1/2 - spin kvantni broj (vidi Kvantni brojevi). Omjer spinskog magnetizma i mehaničkog momenta (spin) od spina Studije atomskih spektra su pokazale da m H cn zapravo nije jednak m in, već m in (1 + 0,0116). To je zbog djelovanja na elektron takozvanih oscilacija nulte točke elektromagnetskog polja (vidi Kvantna elektrodinamika, Korekcije zračenja).
Orbitalni magnetski moment kugle elektrona m povezan je s mehaničkim orbitalnim momentom kugle relacijom g opb = | m kugla | / | kugla | = | e|/2m e c, odnosno Magnetomehanički omjer g opb je dva puta manji od g k.č. Kvantna mehanika dopušta samo diskretni niz mogućih projekcija m kugli na smjer vanjskog polja (tzv. prostorna kvantizacija): m H orb = m l m in ,
gdje m l -
magnetski kvantni broj uz pretpostavku 2 l+ 1 vrijednosti (0, ± 1, ± 2, ..., ± l, gdje l-
orbitalni kvantni broj). U atomima s više elektrona, orbitala i spin M. m. određeni su kvantnim brojevima L i S ukupni orbitalni i spinski momenti. Zbrajanje ovih momenata provodi se prema pravilima prostorne kvantizacije. Zbog nejednakosti magnetomehaničkih odnosa za spin elektrona i njegovo orbitalno gibanje ( g cp ¹ g opb) rezultirajući M.m. atomske ljuske neće biti paralelan ili antiparalelan s njegovim rezultirajućim mehaničkim momentom J.
Stoga se često razmatra komponenta potpunog M. m. U smjeru vektora J jednak gdje g J je magnetomehanički omjer elektronske ljuske, J je ukupni kutni kvantni broj. M. m. Protona čiji je spin gdje M str- masa protona, koja je 1836,5 puta veća m e, m otrov je nuklearni magneton jednak 1 / 1836,5m c. Neutron, s druge strane, ne bi trebao imati magnetski materijal, jer je lišen naboja. Međutim, iskustvo je pokazalo da je molekularna težina protona m p = 2,7927m otrov, a neutron m n = -1,91315m je otrov. To je zbog prisutnosti mezonskih polja oko nukleona, koja određuju njihove specifične nuklearne interakcije (vidi Nuklearne sile, mezoni) i utječu na njihova elektromagnetska svojstva. Ukupni M.m. složenih atomskih jezgri nije višekratnik m otrova ili m p i m n. Dakle, M. m. Kalijeva jezgra Za karakterizaciju magnetskog stanja makroskopskih tijela izračunava se prosječna vrijednost rezultantnog magnetskog polja svih mikročestica koje tvore tijelo. Magnetizam po jedinici volumena tijela naziva se magnetizacija. Za makro-tijela, posebno u slučaju tijela s atomskim magnetskim redoslijedom (fero-, feri- i antiferomagneti), uvodi se pojam prosječne atomske molekulske mase kao prosječna vrijednost molekulske mase po atomu (ionu) - nosilac molekularne mase.u tijelu. U tvarima s magnetskim redoslijedom te prosječne atomske molekularne mase dobivaju se kao kvocijent iz podjele spontane magnetizacije feromagnetskih tijela ili magnetskih podrešetki u feri- i antiferomagnetima (pri temperaturi apsolutne nule) brojem atoma - nositelja magnetski materijal po jedinici volumena. Obično se ti prosječni atomski M. od m. razlikuju od M. M. izoliranih atoma; njihove vrijednosti u Bohrovim magnetonima m zauzvrat su frakcijske (na primjer, u prijelaznim d-metalima Fe, Co i Ni, 2,218 m in, 1,715 m in i 0,604 m in) Ova razlika je posljedica promjene u gibanju d-elektrona (nositelja M. m.) u kristalu u usporedbi s gibanjem u izoliranim atomima. U slučaju metala rijetkih zemalja (lantanida), kao i nemetalnih fero- ili ferimagnetskih spojeva (na primjer, ferita), nedovršeni d- ili f-slojevi elektronske ljuske (glavni atomski nosioci molekularne mase) susjednih iona u kristalu se slabo preklapaju, pa je vidljiva njihova kolektivizacija. Nema slojeva (kao kod d-metala), a molekularna masa takvih tijela malo se mijenja u usporedbi s izoliranim atomima. Izravno eksperimentalno određivanje magnetske rezonancije na atomima u kristalu postalo je moguće kao rezultat primjene metoda magnetske neutronske difrakcije, radio spektroskopije (NMR, EPR, FMR i dr.) i Mössbauerovog učinka. Za paramagnete je također moguće uvesti koncept prosječnog atomskog M. m., koji se određuje kroz eksperimentalno pronađenu Curiejevu konstantu, koja je uključena u izraz za Curiejev zakon a ili Curie-Weissov zakon a (vidi Paramagnetizam) . Lit .: Tamm I.E., Osnove teorije elektriciteta, 8. izd., M., 1966.; Landau L. D. i Lifshits E. M., Elektrodinamika kontinuiranih medija, M., 1959.; Dorfman Ya. G., Magnetska svojstva i struktura tvari, M., 1955.; Vonsovsky S.V., Magnetizam mikročestica, M., 1973. S. V. Vonsovsky. Velika sovjetska enciklopedija. - M .: Sovjetska enciklopedija.
1969-1978
.
Pogledajte što je "Magnetski trenutak" u drugim rječnicima:
Dimenzija L2I Mjerne jedinice SI A⋅m2 ... Wikipedia
Glavna vrijednost koja karakterizira magn. nekretnine u wa. Izvor magnetizma (M. m.), Prema klasic. e-teorija magn. pojave, javl. makro i mikro (atomski) električni struje. Elem. izvorom magnetizma smatra se zatvorena struja. Iz iskustva i klasika...... Fizička enciklopedija
Veliki enciklopedijski rječnik
MAGNETSKI MOMENT, mjerenje jakosti trajnog magneta ili zavojnice sa strujom. To je najveća rotirajuća sila (moment okretanja) primijenjena na magnet, zavojnicu ili električni naboj u MAGNETSKOM POLJU podijeljena sa jakošću polja. Naplaćeno ...... Znanstveno-tehnički enciklopedijski rječnik
MAGNETNI TRENUTAK- fizički veličina koja karakterizira magnetska svojstva tijela i čestica tvari (elektrona, nukleona, atoma itd.); što je magnetski moment veći, tijelo je jače (vidi); magnetski moment određuju se magnetskim (vidi). Budući da svaki električni ... ... Velika politehnička enciklopedija
- (Magnetski moment) umnožak magnetske mase danog magneta na udaljenost između njegovih polova. Samoilov K.I. Morski rječnik. M. L .: Državna pomorska izdavačka kuća NKVMF SSSR-a, 1941. ... Pomorski rječnik
magnetski moment- Har ka magn. sv u tijela, konv. izraziti. prod. veličina naboj u svakom polu na udaljenosti između polova. Teme metalurgija općenito EN magnetski moment ... Vodič za tehničkog prevoditelja
Vektorska veličina koja karakterizira materiju kao izvor magnetskog polja. Makroskopski magnetski moment stvaraju zatvorene električne struje i uredno orijentirani magnetski momenti atomskih čestica. Mikročestice razlikuju orbitalne... enciklopedijski rječnik
MAGNETNI TRENUTAK- je glavna veličina koja karakterizira magnetska svojstva tvari. Električna struja se smatra osnovnim izvorom magnetizma. Vektor određen umnoškom jakosti struje i površine zatvorene strujne petlje je magnetski moment. Od… … Paleomagnetologija, petromagnetologija i geologija. Referentni rječnik.
magnetski moment- elektromagnetinis momentas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija 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