Qual è il momento magnetico di un magnete permanente. Il momento magnetico della spira. Definizione. Formula. Un'esperienza. Calcolo del moto del momento magnetico in un campo disomogeneo
Qualsiasi sostanza. La fonte della formazione del magnetismo, secondo la teoria elettromagnetica classica, sono microcorrenti derivanti dal moto di un elettrone nella sua orbita. Il momento magnetico è una proprietà indispensabile di tutti i nuclei, i gusci di elettroni atomici e le molecole senza eccezioni.
Il magnetismo, che è inerente a tutte le particelle elementari, in base alla presenza del loro momento meccanico, chiamato spin (impulso meccanico proprio di natura quantistica). Le proprietà magnetiche di un nucleo atomico sono costituite dai momenti di spin delle parti costituenti il nucleo - protoni e neutroni. Anche i gusci elettronici (orbite intraatomiche) hanno un momento magnetico, che è la somma dei momenti magnetici degli elettroni su di esso.
In altre parole, i momenti magnetici delle particelle elementari sono dovuti all'effetto quantomeccanico intraatomico noto come momento di spin. Questo effetto è simile al momento angolare di rotazione attorno al proprio asse centrale. Il momento di spin è misurato nella costante di Planck, la costante fondamentale della teoria quantistica.
Tutti i neutroni, elettroni e protoni, di cui, infatti, è costituito l'atomo, secondo Planck, hanno spin pari a ½. Nella struttura di un atomo, gli elettroni che ruotano attorno al nucleo, oltre al momento di spin, hanno anche un momento angolare orbitale. Il nucleo, sebbene occupi una posizione statica, ha anche un momento angolare, che è creato dall'effetto di spin nucleare.
Il campo magnetico che genera il momento magnetico atomico è determinato dalle varie forme di questo momento angolare. È l'effetto di rotazione che dà il contributo più evidente alla creazione. Secondo il principio di Pauli, secondo il quale due elettroni identici non possono trovarsi contemporaneamente nello stesso stato quantico, gli elettroni legati si fondono, mentre i loro momenti di spin acquisiscono proiezioni diametralmente opposte. In questo caso, il momento magnetico dell'elettrone viene ridotto, il che riduce le proprietà magnetiche dell'intera struttura. In alcuni elementi che hanno un numero pari di elettroni, questo momento diminuisce fino a zero e le sostanze cessano di avere proprietà magnetiche. Pertanto, il momento magnetico delle singole particelle elementari ha un impatto diretto sulle proprietà magnetiche dell'intero sistema nucleare-atomico.
Gli elementi ferromagnetici con un numero dispari di elettroni avranno sempre un magnetismo diverso da zero a causa di un elettrone spaiato. In tali elementi, gli orbitali vicini si sovrappongono e tutti i momenti di spin degli elettroni spaiati assumono lo stesso orientamento nello spazio, il che porta al raggiungimento dello stato energetico più basso. Questo processo è chiamato interazione di scambio.
Con un tale allineamento dei momenti magnetici degli atomi ferromagnetici, sorge un campo magnetico. E gli elementi paramagnetici, costituiti da atomi con momenti magnetici disorientati, non hanno un proprio campo magnetico. Ma se agisci su di essi con una fonte esterna di magnetismo, i momenti magnetici degli atomi si allineeranno e anche questi elementi acquisiranno proprietà magnetiche.
L'esperienza mostra che tutte le sostanze sono magnetiche, ad es. sono in grado, sotto l'influenza di un campo magnetico esterno, di creare il proprio campo magnetico interno (acquisire il proprio momento magnetico, magnetizzare).
Per spiegare la magnetizzazione dei corpi, Ampere ha suggerito che le correnti molecolari circolari circolano nelle molecole delle sostanze. Ciascuna di queste microcorrenti I i ha il proprio momento magnetico e crea un campo magnetico nello spazio circostante (Fig. 1). In assenza di un campo esterno, le correnti molecolari e le correnti associate sono orientate casualmente, quindi il campo risultante all'interno della sostanza e il momento totale dell'intera sostanza sono uguali a zero. Quando una sostanza viene posta in un campo magnetico esterno, i momenti magnetici delle molecole acquisiscono prevalentemente orientamento in una direzione, il momento magnetico totale diventa diverso da zero e il magnete viene magnetizzato. I campi magnetici delle singole correnti molecolari non si compensano più a vicenda e il proprio campo interno sorge all'interno del magnete.
Consideriamo la ragione di questo fenomeno dal punto di vista della struttura degli atomi basata sul modello planetario dell'atomo. Secondo Rutherford, al centro dell'atomo si trova un nucleo con carica positiva, attorno al quale ruotano gli elettroni con carica negativa in orbite stazionarie. Un elettrone che si muove in un'orbita circolare attorno al nucleo può essere considerato come una corrente circolare (microcorrente). Poiché la direzione del movimento delle cariche positive è convenzionalmente presa come la direzione della corrente e la carica dell'elettrone è negativa, la direzione della microcorrente è opposta alla direzione del movimento dell'elettrone (Fig. 2).
L'entità della microcorrente I e può essere determinata come segue. Se durante il tempo t l'elettrone ha fatto N giri attorno al nucleo, allora attraverso l'area situata in qualsiasi punto del percorso dell'elettrone, è stata trasferita una carica - la carica dell'elettrone).
Secondo la definizione di forza attuale,
dove è la frequenza di rotazione dell'elettrone.
Se la corrente I scorre in un anello chiuso, allora tale anello ha un momento magnetico, il cui modulo è
dove S- l'area delimitata dal contorno.
Per una microcorrente, quest'area è l'area orbitale S = p r 2
(r è il raggio dell'orbita), e il suo momento magnetico è
dove w = 2pn è la frequenza ciclica, è la velocità lineare dell'elettrone.
Il momento è dovuto al movimento dell'elettrone nella sua orbita, quindi è chiamato momento magnetico orbitale dell'elettrone.
Il momento magnetico p m, che l'elettrone possiede a causa del suo movimento nell'orbita, è chiamato momento magnetico orbitale dell'elettrone.
La direzione del vettore forma un sistema destrorso con la direzione della microcorrente.
Come ogni punto materiale che si muove in un cerchio, un elettrone ha un momento angolare:
Il momento della quantità di moto L, che l'elettrone possiede a causa del suo moto nell'orbita, è chiamato momento meccanico orbitale. Forma un sistema destrorso con la direzione del moto dell'elettrone. Come si può vedere dalla Fig. 2, le direzioni dei vettori e sono opposte.
Si è scoperto che, oltre ai momenti orbitali (cioè dovuti al movimento nell'orbita), l'elettrone ha i suoi momenti meccanici e magnetici.
Inizialmente, hanno cercato di spiegare l'esistenza considerando l'elettrone come una palla che ruota attorno al proprio asse, quindi il momento meccanico dell'impulso dell'elettrone è stato chiamato spin (dall'inglese spin - ruotare). Successivamente si è scoperto che questa idea porta a una serie di contraddizioni e l'ipotesi di un elettrone "rotante" è stata abbandonata.
È stato ora stabilito che lo spin dell'elettrone e il momento magnetico intrinseco (spin) associato sono una proprietà integrale dell'elettrone, come la sua carica e massa.
Il momento magnetico di un elettrone in un atomo è la somma dei momenti orbitali e di spin:
Il momento magnetico di un atomo è composto dai momenti magnetici dei suoi elettroni costituenti (il momento magnetico del nucleo è trascurato a causa della sua piccolezza):
Magnetizzazione della sostanza.
Atomo in un campo magnetico. Effetti dia- e paramagnetici.
Consideriamo il meccanismo d'azione di un campo magnetico esterno sugli elettroni che si muovono in un atomo, ad es. sulle microcorrenti.
Come sai, quando un circuito con una corrente viene posto in un campo magnetico con induzione, sorge una coppia di forze
sotto l'influenza di cui il contorno è orientato in modo tale che il piano del contorno sia perpendicolare e il momento magnetico sia lungo la direzione del vettore (Fig. 3).
La microcorrente elettronica si comporta in modo simile. Tuttavia, l'orientamento della microcorrente orbitale in un campo magnetico non è esattamente lo stesso dell'anello di corrente. Il fatto è che un elettrone che si muove attorno al nucleo e che ha un momento angolare è simile a una cima, quindi ha tutte le caratteristiche del comportamento dei giroscopi sotto l'influenza di forze esterne, in particolare l'effetto giroscopico. Pertanto, quando, quando un atomo è posto in un campo magnetico, inizia ad agire sulla microcorrente orbitale una coppia che tende a stabilire il momento magnetico orbitale dell'elettrone lungo la direzione del campo, si crea una precessione di vettori intorno alla direzione del vettore (a causa dell'effetto giroscopico). La frequenza di questa precessione
chiamato Larmorova frequenza ed è la stessa per tutti gli elettroni dell'atomo.
Quindi, quando una qualsiasi sostanza viene posta in un campo magnetico, ciascun elettrone dell'atomo, a causa della precessione della sua orbita attorno alla direzione del campo esterno, genera un ulteriore campo magnetico indotto diretto contro quello esterno e indebolendolo. Poiché i momenti magnetici indotti di tutti gli elettroni sono diretti allo stesso modo (opposti al vettore), anche il momento indotto totale dell'atomo è diretto contro il campo esterno.
Il fenomeno della comparsa nei magneti di un campo magnetico indotto (causato dalla precessione delle orbite degli elettroni in un campo magnetico esterno), diretto in opposizione al campo esterno e indebolendolo, è chiamato effetto diamagnetico. Il diamagnetismo è inerente a tutte le sostanze della natura.
L'effetto diamagnetico porta ad un indebolimento del campo magnetico esterno nei magneti.
Tuttavia, è possibile anche un altro effetto, chiamato paramagnetico. In assenza di un campo magnetico, i momenti magnetici degli atomi dovuti al movimento termico sono orientati casualmente e il momento magnetico risultante della sostanza è zero (Fig. 4, a).
Quando una tale sostanza viene introdotta in un campo magnetico uniforme con induzione, il campo tende a stabilire i momenti magnetici degli atomi lungo, quindi, i vettori dei momenti magnetici degli atomi (molecole) precedono attorno alla direzione del vettore. Il moto termico e le collisioni reciproche degli atomi portano ad un graduale decadimento della precessione e ad una diminuzione degli angoli tra le direzioni dei vettori dei momenti magnetici e del vettore.L'azione combinata del campo magnetico e del moto termico porta all'orientamento predominante dei momenti magnetici degli atomi lungo il campo
(Fig. 4, b), più, più e meno, più alta è la temperatura. Di conseguenza, il momento magnetico totale di tutti gli atomi della sostanza diventerà diverso da zero, la sostanza sarà magnetizzata e in essa sorgerà il proprio campo magnetico interno, co-diretto con il campo esterno e amplificandolo.
Il fenomeno della comparsa nei magneti di un campo magnetico intrinseco, causato dall'orientamento dei momenti magnetici degli atomi lungo la direzione del campo esterno e amplificandolo, è chiamato effetto paramagnetico.
L'effetto paramagnetico porta ad un aumento del campo magnetico esterno nei magneti.
Quando una sostanza viene posta in un campo magnetico esterno, diventa magnetizzata, ad es. acquisisce un momento magnetico per effetto dia- o paramagnetico, nella sostanza stessa esiste un proprio campo magnetico interno (campo di microcorrenti) ad induzione.
Per una descrizione quantitativa della magnetizzazione di una sostanza si introduce il concetto di magnetizzazione.
La magnetizzazione di un magnete è una grandezza fisica vettoriale uguale al momento magnetico totale di un volume unitario di un magnete:
In SI, la magnetizzazione si misura in A/m.
La magnetizzazione dipende dalle proprietà magnetiche della sostanza, dall'ampiezza del campo esterno e dalla temperatura. È ovvio che la magnetizzazione di un magnete è associata all'induzione.
L'esperienza mostra che per la maggior parte delle sostanze e non in campi molto forti, la magnetizzazione è direttamente proporzionale alla forza del campo esterno, che provoca la magnetizzazione:
dove c è la suscettività magnetica della sostanza, una quantità adimensionale.
Maggiore è il valore di c, più magnetizzata è la sostanza in un dato campo esterno.
Si può dimostrare che
Il campo magnetico nella materia è la somma vettoriale di due campi: un campo magnetico esterno e un campo magnetico interno, o intrinseco, creato da microcorrenti. Il vettore dell'induzione magnetica del campo magnetico nella sostanza caratterizza il campo magnetico risultante ed è uguale alla somma geometrica delle induzioni magnetiche dei campi magnetici esterni ed interni:
La permeabilità magnetica relativa di una sostanza mostra quante volte l'induzione di un campo magnetico cambia in una data sostanza.
Ciò che accade esattamente al campo magnetico in una data sostanza - se è amplificato o indebolito - dipende dall'entità del momento magnetico dell'atomo (o della molecola) della data sostanza.
Dia- e paramagneti. Ferromagneti.
Magneti sono chiamate sostanze che sono in grado di acquisire proprietà magnetiche in un campo magnetico esterno - magnetizzate, ad es. creare il proprio campo magnetico interno.
Come già accennato, tutte le sostanze sono magnetiche, poiché il proprio campo magnetico interno è determinato dalla sommatoria vettoriale dei microcampi generati da ciascun elettrone di ciascun atomo:
Le proprietà magnetiche di una sostanza sono determinate dalle proprietà magnetiche degli elettroni e degli atomi della sostanza data. In base alle loro proprietà magnetiche, i magneti si suddividono in diamagneti, paramagneti, ferromagneti, antiferromagneti e ferriti. Consideriamo in sequenza queste classi di sostanze.
Abbiamo scoperto che quando una sostanza viene posta in un campo magnetico, possono verificarsi due effetti:
1. Paramagnetico, che porta ad un aumento del campo magnetico in un magnete dovuto all'orientamento dei momenti magnetici degli atomi lungo la direzione del campo esterno.
2. Diamagnetico, che porta ad un indebolimento del campo dovuto alla precessione delle orbite degli elettroni in un campo esterno.
Come determinare quale di questi effetti sorgerà (o entrambi contemporaneamente), quale di essi risulta essere più forte, cosa succede alla fine al campo magnetico in una data sostanza: viene amplificato o indebolito?
Come già sappiamo, le proprietà magnetiche di una sostanza sono determinate dai momenti magnetici dei suoi atomi, e il momento magnetico di un atomo è composto dai momenti magnetici orbitali e di spin intrinseci degli elettroni inclusi nella sua composizione:
Per gli atomi di alcune sostanze, la somma vettoriale dei momenti magnetici orbitali e di spin degli elettroni è uguale a zero, ad es. il momento magnetico dell'intero atomo è zero.Quando tali sostanze vengono poste in un campo magnetico, l'effetto paramagnetico, naturalmente, non può sorgere, poiché sorge solo a causa dell'orientamento dei momenti magnetici degli atomi in un campo magnetico, ma qui non sono.
Ma la precessione delle orbite degli elettroni in un campo esterno, che provoca l'effetto diamagnetico, si verifica sempre, quindi l'effetto diamagnetico si verifica in tutte le sostanze quando sono poste in un campo magnetico.
Pertanto, se il momento magnetico di un atomo (molecola) di una sostanza è zero (a causa della compensazione reciproca dei momenti magnetici degli elettroni), quando tale sostanza viene posta in un campo magnetico, apparirà solo un effetto diamagnetico esso. In questo caso, il campo magnetico intrinseco del magnete è diretto in senso opposto al campo esterno e lo indebolisce. Tali sostanze sono chiamate diamagneti.
I diamagneti sono sostanze in cui, in assenza di un campo magnetico esterno, i momenti magnetici degli atomi sono uguali a zero.
I diamagneti in un campo magnetico esterno sono magnetizzati contro la direzione del campo esterno e lo indeboliscono, quindi
B = B 0 - B , m< 1.
L'indebolimento del campo in un diamagneto è molto insignificante. Ad esempio, per uno dei diamagneti più potenti, il bismuto, m »0,99998.
I diamagneti sono molti metalli (argento, oro, rame), la maggior parte dei composti organici, resine, carbonio, ecc.
Se, in assenza di un campo magnetico esterno, il momento magnetico degli atomi di una sostanza è diverso da zero, allora quando tale sostanza viene posta in un campo magnetico, in essa appariranno sia effetti diamagnetici che paramagnetici, ma l'effetto diamagnetico è sempre molto più debole dell'effetto paramagnetico ed è praticamente invisibile sullo sfondo. Il campo magnetico intrinseco del magnete sarà allineato con il campo esterno e lo amplificherà. Tali sostanze sono chiamate paramagneti. I paramagneti sono sostanze in cui, in assenza di un campo magnetico esterno, i momenti magnetici degli atomi sono diversi da zero.
I paramagneti in un campo magnetico esterno vengono magnetizzati nella direzione del campo esterno e lo amplificano. Per loro
B = B 0 + B , m> 1.
La permeabilità magnetica per la maggior parte dei paramagneti è leggermente maggiore dell'unità.
I paramagneti includono elementi di terre rare, platino, alluminio, ecc.
Se l'effetto diamagnetico, B = B 0 -B ¢, m< 1.
Se effetti dia- e paramagnetici, B = B 0 + B ¢, m> 1.
Ferromagneti.
Tutti i dia- e i paramagneti sono sostanze magnetizzate molto debolmente, la loro permeabilità magnetica è vicina all'unità e non dipende dalla forza del campo magnetico H. Insieme a dia- e paramagneti, ci sono sostanze che possono essere fortemente magnetizzate. Sono chiamati ferromagneti.
Ferromagneti o materiali ferromagnetici prendono il nome dal nome latino del principale rappresentante di queste sostanze: il ferro (ferrum). I ferromagneti, oltre al ferro, includono cobalto, nichel, gadolinio, molte leghe e composti chimici. I ferromagneti sono sostanze che possono essere magnetizzate molto fortemente, in cui il campo magnetico interno (intrinseco) può essere centinaia e migliaia di volte superiore al campo magnetico esterno che lo ha causato.
Proprietà dei ferromagneti
1. Capacità di essere altamente magnetizzato.
Il valore della permeabilità magnetica relativa m in alcuni ferromagneti raggiunge 10 6.
2. Saturazione magnetica.
Nella fig. 5 mostra la dipendenza sperimentale della magnetizzazione dalla forza del campo magnetico esterno. Come si vede dalla figura, da un certo valore di H, il valore numerico della magnetizzazione dei ferromagneti rimane praticamente costante e pari a J sat. Questo fenomeno è stato scoperto dallo scienziato russo A.G. Stoletov e chiamato saturazione magnetica.
3. Dipendenze non lineari B (H) e m (H).
Con un aumento dell'intensità, l'induzione aumenta prima, ma quando il magnete si magnetizza, la sua crescita rallenta e in campi forti cresce con un aumento secondo una legge lineare (Fig. 6).
A causa della dipendenza non lineare B (H),
quelli. la permeabilità magnetica m dipende in modo complesso dall'intensità del campo magnetico (Fig. 7). Inizialmente, con l'aumentare dell'intensità del campo, m aumenta dal valore iniziale a un certo valore massimo, quindi diminuisce e tende asintoticamente all'unità.
4. Isteresi magnetica.
Un'altra caratteristica distintiva dei ferromagneti è la loro
la capacità di mantenere la magnetizzazione dopo aver rimosso il campo magnetizzante. Quando l'intensità del campo magnetico esterno cambia da zero verso valori positivi, l'induzione aumenta (Fig. 8, sezione
Quando si riduce a zero, l'induzione magnetica viene ritardata in diminuzione e ad un valore uguale a zero risulta essere uguale (induzione residua), ad es. quando il campo esterno viene rimosso, il ferromagnete rimane magnetizzato ed è un magnete permanente. Per la completa smagnetizzazione del campione, è necessario applicare un campo magnetico nella direzione opposta -. L'intensità del campo magnetico che deve essere applicata a un ferromagnete per la sua completa smagnetizzazione è chiamata forza coercitiva.
Il fenomeno di un ritardo nella variazione dell'induzione magnetica in un ferromagnete dalla variazione della forza di un campo magnetizzante esterno che è variabile in grandezza e direzione è chiamato isteresi magnetica.
In questo caso, la dipendenza da sarà rappresentata da una curva a forma di anello chiamata cicli di isteresi, mostrato in Fig. 8.
A seconda della forma del ciclo di isteresi, viene fatta una distinzione tra ferromagneti magnetici duri e magnetici dolci. Le sostanze con un'elevata magnetizzazione residua e un'elevata forza coercitiva sono chiamate ferromagneti duri, ad es. con un ampio ciclo di isteresi. Sono utilizzati per la fabbricazione di magneti permanenti (carbonio, tungsteno, cromo, alluminio-nichel e altri acciai).
I ferromagneti morbidi sono sostanze con una bassa forza coercitiva, che sono molto facilmente rimagnetizzabili, con un ciclo di isteresi stretto. (Per ottenere queste proprietà è stato appositamente creato il cosiddetto ferro trasformatore, una lega di ferro con una piccola aggiunta di silicio). Il loro campo di applicazione è la fabbricazione di nuclei per trasformatori; questi includono ferro dolce, leghe ferro-nichel (permalloy, supermalla).
5. La presenza della temperatura di Curie (punto).
punto curieè la temperatura caratteristica di un dato ferromagnete alla quale le proprietà ferromagnetiche scompaiono completamente.
Quando il campione viene riscaldato al di sopra del punto di Curie, il ferromagnete si trasforma in un normale paramagnete. Una volta raffreddato al di sotto del punto di Curie, recupera le sue proprietà ferromagnetiche. Questa temperatura è diversa per le diverse sostanze (per Fe - 770 0 C, per Ni - 260 0 C).
6. Magnetostrizione- il fenomeno della deformazione dei ferromagneti durante la magnetizzazione. L'intensità e il segno della magnetostrizione dipendono dall'intensità del campo magnetizzante e dalla natura del ferromagnete. Questo fenomeno è ampiamente utilizzato per il dispositivo di potenti emettitori di ultrasuoni utilizzati nel sonar, nella comunicazione subacquea, nella navigazione, ecc.
Nei ferromagneti si osserva anche il fenomeno opposto: un cambiamento nella magnetizzazione in seguito alla deformazione. Le leghe con magnetostrizione significativa sono utilizzate negli strumenti per misurare la pressione e la deformazione.
La natura del ferromagnetismo
Una teoria descrittiva del ferromagnetismo fu proposta dal fisico francese P. Weiss nel 1907 e una teoria quantitativa coerente basata sulla meccanica quantistica fu sviluppata dal fisico sovietico J. Frenkel e dal fisico tedesco W. Heisenberg (1928).
Secondo i concetti moderni, le proprietà magnetiche dei ferromagneti sono determinate dai momenti magnetici di spin (spin) degli elettroni; i ferromagneti possono essere solo sostanze cristalline, i cui atomi hanno gusci elettronici interni non finiti con spin non compensato. In questo caso, sorgono forze che costringono i momenti magnetici di spin degli elettroni ad orientarsi parallelamente l'uno all'altro. Queste forze sono chiamate forze di interazione di scambio, sono di natura quantistica e sono dovute alle proprietà ondulatorie degli elettroni.
Sotto l'azione di queste forze in assenza di un campo esterno, il ferromagnete si scompone in un gran numero di regioni microscopiche - domini, le cui dimensioni sono dell'ordine di 10 -2 - 10 -4 cm. All'interno di ciascun dominio, gli spin degli elettroni sono orientati parallelamente l'uno all'altro, in modo che l'intero dominio sia magnetizzato alla saturazione, ma le direzioni di magnetizzazione nei singoli domini sono diverse, in modo che il momento magnetico totale (totale) dell'intero ferromagnete sia zero . Come sai, qualsiasi sistema tende a trovarsi in uno stato in cui la sua energia è minima. La divisione di un ferromagnete in domini si verifica perché l'energia del ferromagnete diminuisce durante la formazione di una struttura di dominio. Il punto di Curie risulta essere la temperatura alla quale avviene la distruzione dei domini e il ferromagnete perde le sue proprietà ferromagnetiche.
L'esistenza della struttura di dominio dei ferromagneti è stata dimostrata sperimentalmente. Un metodo sperimentale diretto per osservarli è il metodo delle figure in polvere. Se una sospensione acquosa di una polvere ferromagnetica fine (ad esempio un magnete) viene applicata a una superficie accuratamente levigata di un ferromagnete, le particelle si depositano principalmente in luoghi di massima disomogeneità del campo magnetico, ad es. ai confini tra i domini. Pertanto, la polvere depositata delinea i confini dei domini e un'immagine simile può essere fotografata al microscopio.
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- magnetizzazione dell'intero magnete in stato di saturazione
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Poiché, come è noto, qualsiasi sistema tende ad un'energia minima, si verifica un processo di spostamento dei confini di dominio, in cui il volume dei domini con energia minore aumenta e diminuisce con energia maggiore (Fig. 9b). Nel caso di campi molto deboli, questi spostamenti dei bordi sono reversibili e seguono esattamente i cambiamenti nel campo (se il campo è spento, la magnetizzazione sarà nuovamente zero). Questo processo corrisponde alla sezione della curva B (H) (Fig. 10). Con un aumento del campo, gli spostamenti dei confini del dominio diventano irreversibili.
Con un valore sufficiente del campo magnetizzante scompaiono i domini energeticamente sfavorevoli (Fig. 9, c, sezione di Fig. 7). Se il campo aumenta ancora di più, i momenti magnetici dei domini vengono ruotati sul campo, in modo che l'intero campione si trasformi in un grande dominio (Fig. 9d, sezione di Fig. 10).
Numerose proprietà interessanti e preziose dei ferromagneti consentono loro di essere ampiamente utilizzati in vari campi della scienza e della tecnologia: per la produzione di nuclei di trasformatori ed emettitori di ultrasuoni elettromeccanici, come magneti permanenti, ecc. I materiali ferromagnetici sono utilizzati negli affari militari: in vari dispositivi elettrici e radio; come fonti di ultrasuoni - in sonar, navigazione, comunicazione subacquea; come magneti permanenti - per la creazione di mine magnetiche e per la ricognizione magnetometrica. La ricognizione magnetometrica consente il rilevamento e l'identificazione di oggetti contenenti materiali ferromagnetici; utilizzato nel sistema di combattimento sottomarini e mine marine.
È noto che un campo magnetico ha un effetto di orientamento su un telaio con una corrente e il telaio ruota attorno al proprio asse. Questo accade perché in un campo magnetico agisce sul telaio un momento di forze, pari a:
Qui B è il vettore dell'induzione del campo magnetico, è la corrente nel telaio, S è la sua area e a è l'angolo tra le linee di forza e la perpendicolare al piano del telaio. Questa espressione include un prodotto chiamato momento di dipolo magnetico o semplicemente il momento magnetico del telaio.Si scopre che l'entità del momento magnetico caratterizza pienamente l'interazione del telaio con il campo magnetico. Due frame, uno dei quali ha una grande corrente e una piccola area, e l'altro ha una grande area e una piccola corrente, si comporteranno in un campo magnetico allo stesso modo se i loro momenti magnetici sono uguali. Se il telaio è piccolo, la sua interazione con il campo magnetico non dipende dalla sua forma.
È conveniente considerare il momento magnetico come un vettore, che si trova su una linea perpendicolare al piano del telaio. La direzione del vettore (su o giù lungo questa linea) è determinata dalla "regola del gimbal": il gimbal deve essere posizionato perpendicolarmente al piano del telaio e ruotato nella direzione della corrente del telaio - la direzione del movimento del gimbal sarà indicare la direzione del vettore momento magnetico.
Quindi, il momento magnetico è un vettore perpendicolare al piano del telaio.
Ora visualizziamo il comportamento del telaio in un campo magnetico. Tenderà a girarsi così. in modo che il suo momento magnetico sia diretto lungo il vettore di induzione del campo magnetico B. Un piccolo frame con una corrente può essere usato come un semplice "dispositivo di misurazione" per determinare il vettore di induzione di un campo magnetico.
Il momento magnetico è un concetto importante in fisica. Gli atomi sono composti da nuclei attorno ai quali ruotano gli elettroni. Ogni elettrone che si muove intorno al nucleo come una particella carica crea una corrente, formando una specie di cornice microscopica con la corrente. Calcoliamo il momento magnetico di un elettrone che si muove su un'orbita circolare di raggio r.
La corrente elettrica, cioè la quantità di carica che viene portata in orbita da un elettrone in 1 s, è pari alla carica dell'elettrone e, moltiplicata per il numero di giri che compie:
Di conseguenza, la grandezza del momento magnetico dell'elettrone è uguale a:
Può essere espresso attraverso la grandezza del momento angolare dell'elettrone. Quindi la grandezza del momento magnetico dell'elettrone associato al suo moto nell'orbita, o, come si suol dire, la grandezza del momento magnetico orbitale, è uguale a:
Un atomo è un oggetto che non può essere descritto usando la fisica classica: per oggetti così piccoli si applicano leggi completamente diverse: le leggi della meccanica quantistica. Tuttavia, il risultato ottenuto per il momento magnetico orbitale dell'elettrone risulta essere lo stesso della meccanica quantistica.
La situazione è diversa con il momento magnetico intrinseco dell'elettrone - lo spin, che è associato alla sua rotazione attorno al suo asse. Per lo spin di un elettrone, la meccanica quantistica fornisce il valore del momento magnetico, 2 volte maggiore di quello della fisica classica:
e questa differenza tra momenti magnetici orbitali e di spin non può essere spiegata dal punto di vista classico. Il momento magnetico totale di un atomo è la somma dei momenti magnetici orbitali e di spin di tutti gli elettroni, e poiché differiscono di un fattore 2, nell'espressione per il momento magnetico di un atomo appare un fattore che caratterizza lo stato del atomo:
Pertanto, un atomo, come un normale telaio con una corrente, ha un momento magnetico e per molti aspetti il loro comportamento è simile. In particolare, come nel caso del frame classico, il comportamento di un atomo in un campo magnetico è completamente determinato dalla grandezza del suo momento magnetico. A questo proposito, il concetto di momento magnetico è molto importante per spiegare vari fenomeni fisici che si verificano con la materia in un campo magnetico.
Si può dimostrare che la coppia M che agisce su un circuito con una corrente I in un campo uniforme è direttamente proporzionale all'area della corrente aerodinamica, alla forza della corrente e all'induzione del campo magnetico B. Inoltre, la coppia M dipende dalla posizione del circuito rispetto al campo. La coppia massima Miax si ottiene quando il piano del circuito è parallelo alle linee di induzione magnetica (Fig.22.17), ed è espressa dalla formula
(Dimostrare questo usando la formula (22.6a) e la Fig. 22.17.) Se denotiamo allora otteniamo
Il valore che caratterizza le proprietà magnetiche di un circuito percorso da corrente, che determina il suo comportamento in un campo magnetico esterno, è chiamato momento magnetico di questo circuito. Il momento magnetico del circuito è misurato dal prodotto della corrente in esso per l'area percorsa dalla corrente:
Il momento magnetico è un vettore, la cui direzione è determinata dalla regola della vite giusta: se la vite viene girata nella direzione della corrente nel circuito, il movimento di traslazione della vite mostrerà la direzione del vettore (Fig. 22.18, a). La dipendenza della coppia M dall'orientamento del contorno è espressa dalla formula
dove a è l'angolo tra i vettori e B. Da fig. 22.18, b si vede che l'equilibrio del contorno in un campo magnetico è possibile quando i vettori B e Pmag sono diretti lungo una retta. (Considera in quale caso questo equilibrio sarà stabile.)
Momento magnetico la principale quantità che caratterizza le proprietà magnetiche di una sostanza. La sorgente del magnetismo, secondo la teoria classica dei fenomeni elettromagnetici, sono le macro e microcorrenti elettriche. Una sorgente elementare di magnetismo è considerata una corrente chiusa. Dall'esperienza e dalla teoria classica del campo elettromagnetico, segue che le azioni magnetiche di una corrente chiusa (circuito con corrente) sono determinate se il prodotto è noto ( m) attuale io sull'area di contorno σ ( m = ioσ / C nel sistema di unità CGS (Vedi sistema di unità CGS), insieme a -
velocità della luce). Vettore m e c'è, per definizione, M. m. Può essere scritto in un'altra forma: m = m l, dove m - carica magnetica equivalente del circuito, e io- la distanza tra "cariche" di segni opposti (+ e -
). Particelle elementari, nuclei atomici e gusci di elettroni di atomi e molecole possiedono materiali magnetici. L'entità delle particelle elementari (elettroni, protoni, neutroni e altri), come mostrato dalla meccanica quantistica, è dovuta all'esistenza del proprio momento meccanico - Spin a. M. m. I nuclei sono composti dal proprio (spin) M. m. Formando questi nuclei di protoni e neutroni, nonché M. m. Associato al loro movimento orbitale all'interno del nucleo. La risonanza magnetica dei gusci elettronici di atomi e molecole è costituita da elettroni di risonanza magnetica orbitale e di spin. Il momento magnetico di spin dell'elettrone m cn può avere due proiezioni uguali e dirette in senso opposto sulla direzione del campo magnetico esterno N. Magnitudine assoluta di proiezione dove μ in = (9.274096 ± 0.000065) 10 -21 erg / g - magnetone bora, h -
L'asticella è costante , e e m e - carica e massa di un elettrone, insieme a- la velocità della luce; SH - la proiezione del momento meccanico di spin sulla direzione del campo h... Il valore assoluto di spin M. m. dove S= 1/2 - numero quantico di spin (Vedi Numeri quantici). Il rapporto tra il magnetismo di spin e il momento meccanico (spin) da quando gira Studi sugli spettri atomici hanno mostrato che m H cn è in realtà uguale non a m in, ma a m in (1 + 0,0116). Ciò è dovuto all'azione sull'elettrone delle cosiddette oscillazioni di punto zero del campo elettromagnetico (vedi Elettrodinamica quantistica, Correzioni di radiazione).
Il momento magnetico orbitale dell'elettrone m orb è correlato al momento orbitale meccanico dell'orb dalla relazione G opb = | m orb | / | globo | = | e|/2m e C, cioè il rapporto Magnetomeccanico G opb è due volte inferiore a G cp. La meccanica quantistica consente solo una serie discreta di possibili proiezioni di m orb sulla direzione del campo esterno (la cosiddetta quantizzazione spaziale): m H orb = m l m in ,
dove m l -
numero quantico magnetico assumendo 2 io+ 1 valori (0, ± 1, ± 2, ..., ± io, dove io-
numero quantico orbitale). Negli atomi a molti elettroni, l'orbitale e lo spin M. m. sono determinati dai numeri quantici l e S i momenti orbitali e di spin totali. La somma di questi momenti viene effettuata secondo le regole della quantizzazione spaziale. A causa della disuguaglianza delle relazioni magnetomeccaniche per lo spin di un elettrone e il suo moto orbitale ( G cп¹ G opb) il M.m. risultante del guscio atomico non sarà parallelo o antiparallelo al momento meccanico risultante J.
Pertanto, si considera spesso la componente dell'intero M. m. Alla direzione del vettore J uguale a dove G J è il rapporto magnetomeccanico del guscio elettronico, Jè il numero quantico angolare totale. M. m. Di un protone il cui spin è dove M p- la massa del protone, che è 1836,5 volte maggiore m e, m veleno è un magnetone nucleare pari a 1 / 1836.5m c. Il neutrone, invece, non dovrebbe avere materiale magnetico, poiché è privo di carica. Tuttavia, l'esperienza ha dimostrato che il peso molecolare del protone è m p = 2,7927 m veleno, e il neutrone m n = -1,91315 m è veleno. Ciò è dovuto alla presenza di campi di mesoni attorno ai nucleoni, che determinano le loro specifiche interazioni nucleari (vedi Forze nucleari, Mesoni) e ne influenzano le proprietà elettromagnetiche. I M.m. totali di nuclei atomici complessi non sono multipli di m veleno o m p e m n. Quindi, M. m. Nucleo di potassio Per caratterizzare lo stato magnetico dei corpi macroscopici, viene calcolato il valore medio del campo magnetico risultante di tutte le microparticelle che formano il corpo. Il magnetismo per unità di volume di un corpo è chiamato magnetizzazione. Per i macrocorpi, soprattutto nel caso di corpi con ordinamento magnetico atomico (ferro-, ferri- e antiferromagneti), si introduce il concetto di massa molecolare atomica media come valore medio della massa molecolare per atomo (ione), portatore di la massa molecolare nel corpo. Nelle sostanze con un ordine magnetico, questi materiali magnetici atomici medi sono ottenuti come quoziente dalla divisione della magnetizzazione spontanea di corpi ferromagnetici o sottoreticoli magnetici in ferri e antiferromagneti (a temperatura zero assoluto) per il numero di atomi - portatori del materiale magnetico per unità di volume. Di solito questi M atomici medi di M. differiscono da M. di M. di atomi isolati; i loro valori in magnetoni di Bohr m risultano essere frazionari (ad esempio, nei metalli di transizione d Fe, Co e Ni, rispettivamente, 2,218 m in, 1,715 m in e 0,604 m in) Questa differenza è dovuta a un cambiamento nel moto degli elettroni d (portatori di M. m.) in un cristallo rispetto al moto negli atomi isolati. Nel caso dei metalli delle terre rare (lantanidi), nonché dei composti ferromagnetici o ferrimagnetici non metallici (ad esempio ferriti), gli strati d o f non finiti del guscio elettronico (il principale atomico Non ci sono strati (come in d-metalli), e la massa molecolare di tali corpi cambia poco rispetto agli atomi isolati. La determinazione sperimentale diretta della risonanza magnetica sugli atomi in un cristallo è diventata possibile grazie all'applicazione dei metodi della diffrazione magnetica dei neutroni, della spettroscopia radio (NMR, EPR, FMR, ecc.) e dell'effetto Mössbauer. Per i paramagneti è anche possibile introdurre il concetto di materiale magnetico atomico medio, che è determinato attraverso la costante di Curie trovata sperimentalmente, che è inclusa nell'espressione per la legge di Curie a o la legge di Curie-Weiss a (vedi Paramagnetismo). Illuminato .: Tamm I.E., Fondamenti di teoria dell'elettricità, 8a ed., M., 1966; Landau L. D. e Lifshits E. M., Elettrodinamica dei mezzi continui, M., 1959; Dorfman Ya. G., Proprietà magnetiche e struttura della materia, M., 1955; Vonsovsky S.V., Magnetismo delle microparticelle, M., 1973. S.V. Vonsovsky. Grande Enciclopedia Sovietica. - M .: enciclopedia sovietica.
1969-1978
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