Kakšen je magnetni moment trajnega magneta. Magnetni moment zanke. Opredelitev. Formula. Izkušnja. Izračun gibanja magnetnega momenta v nehomogenem polju
Vsaka snov. Vir nastanka magnetizma so po klasični elektromagnetni teoriji mikrotokovi, ki nastanejo zaradi gibanja elektrona v njegovi orbiti. Magnetni moment je nepogrešljiva lastnost vseh jeder, atomskih elektronskih lupin in molekul brez izjeme.
Magnetizem, ki je lasten vsem elementarnim delcem, glede na prisotnost njihovega mehanskega momenta, se imenuje spin (lastni mehanski impulz kvantne narave). Magnetne lastnosti atomskega jedra sestavljajo spinski momenti sestavnih delov jedra - protonov in nevtronov. Elektronske lupine (intra-atomske orbite) imajo tudi magnetni moment, ki je vsota magnetnih momentov elektronov na njej.
Z drugimi besedami, magnetni momenti elementarnih delcev so posledica intra-atomskega kvantno mehanskega učinka, znanega kot vrtilni moment. Ta učinek je podoben kotnemu momentu vrtenja okoli lastne osrednje osi. Spin zagon se meri v Planckovi konstanti, osnovni konstanti kvantne teorije.
Vsi nevtroni, elektroni in protoni, iz katerih je pravzaprav sestavljen atom, imajo po Plancku vrtenje, ki je enako ½. V strukturi atoma imajo elektroni, ki se vrtijo okoli jedra, poleg vrtilne količine tudi orbitalni kotni moment. Jedro, čeprav zavzema statični položaj, ima tudi kotni moment, ki ga ustvari učinek jedrskega spina.
Magnetno polje, ki ustvarja atomski magnetni moment, je določeno z različnimi oblikami tega kotnega momenta. Najbolj opazen k ustvarjanju je učinek vrtenja. Po Paulijevem principu, po katerem dva enaka elektrona ne moreta biti hkrati v istem kvantnem stanju, se vezani elektroni združijo, medtem ko njihovi spinski momenti dobijo diametralno nasprotne projekcije. V tem primeru se magnetni moment elektrona zmanjša, kar zmanjša magnetne lastnosti celotne strukture. Pri nekaterih elementih, ki imajo sodo število elektronov, se ta trenutek zmanjša na nič, snovi pa prenehajo imeti magnetne lastnosti. Tako ima magnetni moment posameznih elementarnih delcev neposreden vpliv na magnetne lastnosti celotnega jedrsko-atomskega sistema.
Feromagnetni elementi z lihim številom elektronov bodo zaradi neparnega elektrona vedno imeli neničelni magnetizem. V takih elementih se sosednje orbitale prekrivajo in vsi spinski momenti neparnih elektronov prevzamejo enako orientacijo v prostoru, kar vodi v doseganje najnižjega energijskega stanja. Ta proces se imenuje izmenjava interakcij.
S takšno poravnavo magnetnih momentov feromagnetnih atomov nastane magnetno polje. In paramagnetni elementi, sestavljeni iz atomov z dezorientiranimi magnetnimi momenti, nimajo lastnega magnetnega polja. Če pa nanje delujete z zunanjim virom magnetizma, se bodo magnetni momenti atomov poravnali in ti elementi bodo pridobili tudi magnetne lastnosti.
Izkušnje kažejo, da so vse snovi magnetne, t.j. so sposobni pod vplivom zunanjega magnetnega polja ustvariti svoje, notranje magnetno polje (pridobiti lasten magnetni moment, magnetizirati).
Da bi pojasnil magnetizacijo teles, je Ampere predlagal, da krožni molekularni tokovi krožijo v molekulah snovi. Vsak tak mikrotok I i ima svoj magnetni moment in ustvarja magnetno polje v okoliškem prostoru (slika 1). V odsotnosti zunanjega polja so molekularni tokovi in z njimi povezani tokovi naključno usmerjeni, zato sta nastalo polje znotraj snovi in skupni moment celotne snovi enaka nič. Ko se snov postavi v zunanje magnetno polje, magnetni momenti molekul pridobijo pretežno orientacijo v eni smeri, skupni magnetni moment postane enak nič in magnet se magnetizira. Magnetna polja posameznih molekularnih tokov se med seboj ne kompenzirajo več in znotraj magneta nastane lastno notranje polje.
Razmislimo o vzroku tega pojava z vidika strukture atomov, ki temelji na planetarnem modelu atoma. Po Rutherfordu se v središču atoma nahaja pozitivno nabito jedro, okoli katerega se vrtijo negativno nabiti elektroni v stacionarnih orbitah. Elektron, ki se giblje po krožni orbiti okoli jedra, lahko štejemo za krožni tok (mikrotok). Ker je smer gibanja pozitivnih nabojev običajno vzeta za smer toka, naboj elektrona pa je negativen, je smer mikrotoka nasprotna smeri gibanja elektrona (slika 2).
Velikost mikrotoka I e lahko določimo na naslednji način. Če je v času t elektron naredil N vrtljajev okoli jedra, se je skozi območje, ki se nahaja kjerkoli na poti elektrona, prenesel naboj - naboj elektrona).
Po definiciji jakosti toka,
kjer je frekvenca vrtenja elektronov.
Če tok I teče v zaprti zanki, ima taka zanka magnetni moment, katerega modul je
kje S- območje, omejeno s konturo.
Za mikrotok je to območje orbitalno območje S = p r 2
(r je polmer orbite), njen magnetni moment pa je
kjer je w = 2pn ciklična frekvenca, linearna hitrost elektrona.
Trenutek je posledica gibanja elektrona v njegovi orbiti, zato se imenuje orbitalni magnetni moment elektrona.
Magnetni moment p m, ki ga ima elektron zaradi svojega gibanja po orbiti, imenujemo orbitalni magnetni moment elektrona.
Smer vektorja tvori desni sistem s smerjo mikrotoka.
Kot vsaka materialna točka, ki se giblje v krogu, ima elektron kotni moment:
Zagonski moment L, ki ga ima elektron zaradi svojega gibanja po orbiti, imenujemo orbitalni mehanski moment. Tvori desni sistem s smerjo gibanja elektrona. Kot je razvidno iz slike 2, sta smeri vektorjev in nasprotni.
Izkazalo se je, da ima elektron poleg orbitalnih momentov (tj. zaradi gibanja v orbiti) svoje mehanske in magnetne momente.
Sprva so skušali razložiti obstoj tako, da so elektron obravnavali kot kroglo, ki se vrti okoli svoje osi, zato se je elektronov lastni mehanski moment giba imenoval spin (iz angleškega spin - vrteti se). Kasneje je bilo ugotovljeno, da ta ideja vodi v številna protislovja in hipoteza o "rotirajočem se" elektronu je bila opuščena.
Zdaj je bilo ugotovljeno, da sta spin elektrona in s tem povezan intrinzični (spin) magnetni moment sestavna lastnost elektrona, tako kot njegov naboj in masa.
Magnetni moment elektrona v atomu je vsota orbitalnih in spinskih momentov:
Magnetni moment atoma je sestavljen iz magnetnih momentov njegovih sestavnih elektronov (magnetni moment jedra je zanemarjen zaradi njegove majhnosti):
Magnetizacija snovi.
Atom v magnetnem polju. Dia- in paramagnetni učinki.
Poglejmo si mehanizem delovanja zunanjega magnetnega polja na elektrone, ki se gibljejo v atomu, t.j. na mikrotokovih.
Kot veste, ko je vezje s tokom postavljeno v magnetno polje z indukcijo, nastane navor sil
pod vplivom katerega je kontura orientirana tako, da je ravnina konture pravokotna, magnetni moment pa vzdolž smeri vektorja (slika 3).
Elektronski mikrotok se obnaša podobno. Vendar pa orientacija orbitalnega mikrotoka v magnetnem polju ni povsem enaka trenutni zanki. Dejstvo je, da je elektron, ki se giblje okoli jedra in ima kotni moment, podoben vrhu, zato ima vse značilnosti obnašanja žiroskopov pod vplivom zunanjih sil, zlasti žiroskopskega učinka. Ko torej, ko je atom postavljen v magnetno polje, začne navor delovati na orbitalni mikrotok, ki teži vzpostaviti orbitalni magnetni moment elektrona vzdolž smeri polja, nastane precesija vektorjev okoli smeri vektor (zaradi žiroskopskega učinka). Pogostost te precesije
poklical Larmorova frekvenca in je enaka za vse elektrone atoma.
Tako, ko katero koli snov postavimo v magnetno polje, vsak elektron atoma zaradi precesije svoje orbite okoli smeri zunanjega polja ustvari dodatno inducirano magnetno polje, usmerjeno proti zunanjemu in ga oslabi. Ker so inducirani magnetni momenti vseh elektronov usmerjeni na enak način (nasprotno od vektorja), je tudi skupni inducirani moment atoma usmerjen proti zunanjemu polju.
Pojav pojava v magnetih induciranega magnetnega polja (ki ga povzroča precesija elektronskih orbit v zunanjem magnetnem polju), usmerjenega nasprotno zunanjemu polju in ga oslabi, imenujemo diamagnetni učinek. Diamagnetizem je neločljivo povezan z vsemi snovmi narave.
Diamagnetni učinek vodi v oslabitev zunanjega magnetnega polja v magnetih.
Možen pa je tudi drug učinek, imenovan paramagnetni. V odsotnosti magnetnega polja so magnetni momenti atomov zaradi toplotnega gibanja usmerjeni naključno in nastali magnetni moment snovi je nič (slika 4, a).
Ko se taka snov z indukcijo vnese v enotno magnetno polje, se polje nagiba k vzpostavitvi magnetnih momentov atomov vzdolž, zato vektorji magnetnih momentov atomov (molekul) precesirajo okoli smeri vektorja. Toplotno gibanje in medsebojni trki atomov vodijo v postopno upadanje precesije in zmanjševanje kotov med smerema vektorjev magnetnih momentov in vektorja. Kombinirano delovanje magnetnega polja in toplotnega gibanja vodi do prevladujoče orientacije. magnetnih momentov atomov vzdolž polja
(slika 4, b), več, več in manj, višja je temperatura. Posledično bo skupni magnetni moment vseh atomov snovi enak nič, snov bo magnetizirana in v njej nastane lastno notranje magnetno polje, ki je sousmerjeno z zunanjim poljem in ga ojača.
Pojav, da se v magnetih pojavi intrinzično magnetno polje, ki ga povzroči orientacija magnetnih momentov atomov vzdolž smeri zunanjega polja in ga ojača, se imenuje paramagnetni učinek.
Paramagnetni učinek vodi do povečanja zunanjega magnetnega polja v magnetih.
Ko katero koli snov postavimo v zunanje magnetno polje, postane magnetizirana, t.j. pridobi magnetni moment zaradi dia- ali paramagnetnega učinka, v sami snovi obstaja svoje notranje magnetno polje (polje mikrotokov) z indukcijo.
Za kvantitativni opis magnetiziranosti snovi je uveden pojem magnetizacije.
Magnetizacija magneta je vektorska fizična količina, ki je enaka celotnemu magnetnemu momentu enote prostornine magneta:
V SI se magnetizacija meri v A / m.
Magnetizacija je odvisna od magnetnih lastnosti snovi, velikosti zunanjega polja in temperature. Očitno je, da je magnetizacija magneta povezana z indukcijo.
Izkušnje kažejo, da je pri večini snovi in ne v zelo močnih poljih magnetizacija premo sorazmerna jakosti zunanjega polja, ki povzroča magnetizacijo:
kjer je c magnetna občutljivost snovi, brezdimenzionalna količina.
Večja kot je vrednost c, bolj magnetizirana je snov v danem zunanjem polju.
To je mogoče dokazati
Magnetno polje v snovi je vektorska vsota dveh polj: zunanjega magnetnega polja in notranjega ali notranjega magnetnega polja, ki ga ustvarjajo mikrotokovi. Vektor magnetne indukcije magnetnega polja v snovi označuje nastalo magnetno polje in je enak geometrijski vsoti magnetnih indukcij zunanjega in notranjega magnetnega polja:
Relativna magnetna prepustnost snovi kaže, kolikokrat se v dani snovi spremeni indukcija magnetnega polja.
Kaj točno se zgodi z magnetnim poljem v dani snovi – ali je ojačano ali oslabljeno – je odvisno od velikosti magnetnega momenta atoma (ali molekule) dane snovi.
Dia- in paramagneti. feromagneti.
Magneti imenujemo snovi, ki so sposobne pridobiti magnetne lastnosti v zunanjem magnetnem polju - magnetizirane, t.j. ustvarite svoje notranje magnetno polje.
Kot smo že omenili, so vse snovi magnetne, saj je njihovo lastno notranje magnetno polje določeno z vektorskim seštevanjem mikropolj, ki jih ustvari vsak elektron vsakega atoma:
Magnetne lastnosti snovi so določene z magnetnimi lastnostmi elektronov in atomov dane snovi. Glede na svoje magnetne lastnosti so magneti razdeljeni na diamagnete, paramagnete, feromagnete, antiferomagnete in ferite. Oglejmo si te razrede snovi zaporedno.
Ugotovili smo, da se lahko pri postavitvi snovi v magnetno polje pojavita dva učinka:
1. Paramagnetno, kar vodi do povečanja magnetnega polja v magnetu zaradi orientacije magnetnih momentov atomov vzdolž smeri zunanjega polja.
2. Diamagnetno, ki vodi v oslabitev polja zaradi precesije elektronskih orbit v zunanjem polju.
Kako ugotoviti, kateri od teh učinkov se bo pojavil (ali oba hkrati), kateri od njih se izkaže za močnejšega, kaj se na koncu zgodi z magnetnim poljem v dani snovi - ali je ojačano ali oslabljeno?
Kot že vemo, magnetne lastnosti snovi določajo magnetni momenti njenih atomov, magnetni moment atoma pa je sestavljen iz orbitalnih in intrinzičnih spin magnetnih momentov elektronov, ki so vključeni v njegovo sestavo:
Za atome nekaterih snovi je vektorska vsota orbitalnih in spinskih magnetnih momentov elektronov enaka nič, t.j. magnetni moment celotnega atoma je nič. Ko so takšne snovi postavljene v magnetno polje, paramagnetni učinek seveda ne more nastati, saj nastane le zaradi orientacije magnetnih momentov atomov v magnetnem polju, vendar tukaj niso.
Toda precesija elektronskih orbit v zunanjem polju, ki povzroči diamagnetni učinek, se vedno pojavi, zato se diamagnetni učinek pojavi pri vseh snoveh, ko so postavljene v magnetno polje.
Torej, če je magnetni moment atoma (molekule) snovi enak nič (zaradi medsebojne kompenzacije magnetnih momentov elektronov), potem se bo, ko je tako snov postavljena v magnetno polje, pojavil le diamagnetni učinek v to. V tem primeru je lastno magnetno polje magneta usmerjeno nasprotno zunanjemu polju in ga oslabi. Takšne snovi imenujemo diamagneti.
Diamagneti so snovi, v katerih so ob odsotnosti zunanjega magnetnega polja magnetni momenti atomov enaki nič.
Diamagneti v zunanjem magnetnem polju so magnetizirani proti smeri zunanjega polja in ga zato oslabijo
B = B 0 - B ¢, m< 1.
Oslabitev polja v diamagnetu je zelo nepomembna. Na primer, za enega najmočnejših diamagnetov, bizmut, m »0,99998.
Diamagneti so številne kovine (srebro, zlato, baker), večina organskih spojin, smole, ogljik itd.
Če je ob odsotnosti zunanjega magnetnega polja magnetni moment atomov snovi enak nič, potem se bo, ko je taka snov postavljena v magnetno polje, v njej pojavili tako diamagnetni kot paramagnetni učinki, vendar je diamagnetni učinek vedno veliko šibkejši od paramagnetnega učinka in je na njegovem ozadju praktično neviden. Notranje magnetno polje magneta bo poravnano z zunanjim poljem in ga okrepilo. Takšne snovi imenujemo paramagneti. Paramagneti so snovi, v katerih so magnetni momenti atomov v odsotnosti zunanjega magnetnega polja enaki nič.
Paramagneti v zunanjem magnetnem polju se magnetizirajo v smeri zunanjega polja in ga ojačajo. Za njih
B = B 0 + B ¢, m> 1.
Magnetna prepustnost za večino paramagnetov je nekoliko večja od enote.
Paramagneti vključujejo redke zemeljske elemente, platino, aluminij itd.
Če je diamagnetni učinek, B = B 0 -B ¢, m< 1.
Če so dia- in paramagnetni učinki, B = B 0 + B ¢, m> 1.
feromagneti.
Vsi dia- in paramagneti so snovi, ki so zelo slabo magnetizirane, njihova magnetna prepustnost je blizu enote in ni odvisna od jakosti magnetnega polja H. Poleg dia- in paramagnetov obstajajo snovi, ki jih je mogoče močno magnetizirati. Imenujejo se feromagneti.
Feromagneti ali feromagnetni materiali dobijo ime po latinskem imenu glavnega predstavnika teh snovi - železa (ferrum). Feromagneti poleg železa vključujejo kobalt, nikelj, gadolinij, številne zlitine in kemične spojine. Feromagneti so snovi, ki so lahko zelo močno magnetizirane, pri katerih je lahko notranje (notranje) magnetno polje sto in tisočkrat višje od zunanjega magnetnega polja, ki ga je povzročilo.
Lastnosti feromagnetov
1. Sposobnost močno magnetiziranja.
Vrednost relativne magnetne prepustnosti m v nekaterih feromagnetih doseže 10 6.
2. Magnetna nasičenost.
Na sl. 5 je prikazana eksperimentalna odvisnost magnetizacije od jakosti zunanjega magnetnega polja. Kot je razvidno iz slike, od določene vrednosti H numerična vrednost magnetizacije feromagnetov praktično ostane konstantna in enaka J sat. Ta pojav je odkril ruski znanstvenik A.G. Stoletov in imenovana magnetna nasičenost.
3. Nelinearni odvisnosti B (H) in m (H).
S povečanjem jakosti se indukcija najprej poveča, ko pa magnet magnetizira, se njegova rast upočasni, v močnih poljih pa raste s povečanjem po linearnem zakonu (slika 6).
Zaradi nelinearne odvisnosti B (H),
tiste. magnetna prepustnost m je na kompleksen način odvisna od jakosti magnetnega polja (slika 7). Sprva se z naraščajočo jakostjo polja m poveča od začetne vrednosti do določene največje vrednosti, nato pa se zmanjša in asimptotično teži k enoti.
4. Magnetna histereza.
Druga značilnost feromagnetov je njihova
sposobnost ohranjanja magnetizacije po odstranitvi magnetnega polja. Ko se jakost zunanjega magnetnega polja spremeni od nič proti pozitivnim vrednostim, se indukcija poveča (slika 8, odsek
Ko se zmanjša na nič, se magnetna indukcija zakasni pri zmanjševanju in pri vrednosti, enaki nič, se izkaže, da je enaka (preostala indukcija), t.j. ko se zunanje polje odstrani, feromagnet ostane magnetiziran in je trajni magnet. Za popolno demagnetizacijo vzorca je potrebno uporabiti magnetno polje v nasprotni smeri -. Velikost jakosti magnetnega polja, ki jo je treba uporabiti na feromagnetu za njegovo popolno demagnetizacijo, se imenuje prisilna sila.
Pojav zamika spremembe magnetne indukcije v feromagnetu od spremembe jakosti zunanjega magnetnega polja, ki je spremenljiva po velikosti in smeri, se imenuje magnetna histereza.
V tem primeru bo odvisnost prikazana s krivuljo v obliki zanke, ki se imenuje histerezne zanke, prikazano na sliki 8.
Glede na obliko histerezne zanke ločimo trde magnetne in mehke magnetne feromagnete. Snovi z visoko remanentno magnetizacijo in visoko koercitivno silo imenujemo trdi feromagneti, t.j. s široko histerezno zanko. Uporabljajo se za izdelavo trajnih magnetov (ogljik, volfram, krom, aluminij-nikelj in druga jekla).
Mehki feromagneti so snovi z nizko koercitivno silo, ki se zelo enostavno ponovno magnetizirajo, z ozko histerezno zanko. (Za pridobitev teh lastnosti je bilo posebej ustvarjeno tako imenovano transformatorsko železo, zlitina železa z majhno primesjo silicija). Njihovo področje uporabe je izdelava transformatorskih jeder; ti vključujejo mehko železo, železo-nikljeve zlitine (permaloy, supermalla).
5. Prisotnost Curiejeve temperature (točka).
Curiejeva točka je temperaturna značilnost danega feromagneta, pri kateri feromagnetne lastnosti popolnoma izginejo.
Ko se vzorec segreje nad Curiejevo točko, se feromagnet spremeni v navaden paramagnet. Ko se ohladi pod Curiejevo točko, povrne svoje feromagnetne lastnosti. Ta temperatura je različna za različne snovi (za Fe - 770 0 C, za Ni - 260 0 C).
6. Magnetostrikcija- pojav deformacije feromagnetov med magnetizacijo. Velikost in predznak magnetostrikcije sta odvisna od jakosti magnetnega polja in narave feromagneta. Ta pojav se pogosto uporablja za napravo močnih ultrazvočnih oddajnikov, ki se uporabljajo v sonarju, podvodni komunikaciji, navigaciji itd.
Pri feromagnetih opazimo tudi nasproten pojav - spremembo magnetizacije ob deformaciji. Zlitine s pomembno magnetostrikcijo se uporabljajo v instrumentih za merjenje tlaka in deformacije.
Narava feromagnetizma
Deskriptivno teorijo feromagnetizma je leta 1907 predlagal francoski fizik P. Weiss, dosledno kvantitativno teorijo, ki temelji na kvantni mehaniki, pa sta razvila sovjetski fizik J. Frenkel in nemški fizik W. Heisenberg (1928).
Po sodobnih konceptih magnetne lastnosti feromagnetov določajo spinski magnetni momenti (spini) elektronov; feromagneti so lahko le kristalne snovi, katerih atomi imajo nedokončane notranje elektronske lupine z nekompenziranimi vrtljaji. V tem primeru nastanejo sile, ki prisilijo spin magnetne momente elektronov, da se orientirajo vzporedno drug z drugim. Te sile imenujemo sile izmenjave interakcije, so kvantne narave in so posledica valovnih lastnosti elektronov.
Pod delovanjem teh sil v odsotnosti zunanjega polja se feromagnet razbije na veliko število mikroskopskih območij - domen, katerih dimenzije so reda 10 -2 - 10 -4 cm. Znotraj vsake domene so vrti elektronov orientirani vzporedno drug z drugim, tako da je celotna domena magnetizirana do nasičenja, vendar so smeri magnetizacije v posameznih domenah različne, tako da je skupni (skupni) magnetni moment celotnega feromagneta enak nič. . Kot veste, je vsak sistem ponavadi v stanju, v katerem je njegova energija minimalna. Do delitve feromagneta na domene pride, ker se energija feromagneta med tvorbo domenske strukture zmanjša. Izkazalo se je, da je Curiejeva točka temperatura, pri kateri pride do uničenja domen, in feromagnet izgubi svoje feromagnetne lastnosti.
Eksperimentalno je bil dokazan obstoj domenske strukture feromagnetov. Neposredna eksperimentalna metoda za njihovo opazovanje je metoda prašnih figur. Če se vodna suspenzija finega feromagnetnega prahu (na primer magnet) nanese na temeljito polirano površino feromagneta, se delci usedejo predvsem na mestih največje nehomogenosti magnetnega polja, t.j. na mejah med domenami. Zato usedli prah oriše meje domen, podobno sliko pa lahko fotografiramo pod mikroskopom.
| |
| |
|
- magnetizacija celotnega magneta v stanju nasičenosti
|
Ker, kot je znano, vsak sistem teži k minimalni energiji, se pojavi proces premika domenskih mej, pri katerem se volumen domen z nižjo energijo povečuje, z višjo pa zmanjšuje (slika 9b). V primeru zelo šibkih polj so ti premiki mej reverzibilni in natančno sledijo spremembam v polju (če je polje izklopljeno, bo magnetizacija spet nič). Ta proces ustreza odseku krivulje B (H) (slika 10). S povečanjem polja postanejo premiki mej domen nepopravljivi.
Z zadostno vrednostjo magnetizirajočega polja izginejo energetsko neugodne domene (slika 9, c, odsek slike 7). Če se polje še bolj poveča, se magnetni momenti domen zavrtijo nad poljem, tako da se celoten vzorec spremeni v eno veliko domeno (slika 9d, del slike 10).
Številne zanimive in dragocene lastnosti feromagnetov omogočajo njihovo široko uporabo na različnih področjih znanosti in tehnologije: za izdelavo transformatorskih jeder in elektromehanskih ultrazvočnih oddajnikov, kot trajni magneti itd. Feromagnetni materiali se uporabljajo v vojaških zadevah: v različnih električnih in radijskih napravah; kot viri ultrazvoka - v sonarju, navigaciji, podvodni komunikaciji; kot trajni magneti - za ustvarjanje magnetnih min in za magnetometrično izvidništvo. Magnetometrična izvidnica omogoča odkrivanje in identifikacijo predmetov, ki vsebujejo feromagnetne materiale; uporablja se v sistemu boja proti podmornicam in morskim min.
Znano je, da ima magnetno polje orientacijski učinek na okvir s tokom, okvir pa se vrti okoli svoje osi. To se zgodi, ker v magnetnem polju na okvir deluje moment sil, enak:
Tukaj je B vektor indukcije magnetnega polja, je tok v okvirju, S je njegova površina in a je kot med črtama sile in pravokotnico na ravnino okvirja. Ta izraz vključuje produkt, ki se imenuje magnetni dipolni moment ali preprosto magnetni moment okvirja.Izkazalo se je, da velikost magnetnega momenta v celoti označuje interakcijo okvirja z magnetnim poljem. Dva okvirja, od katerih ima eden velik tok in majhno površino, drugi pa veliko površino in majhen tok, se bosta v magnetnem polju obnašala na enak način, če so njuni magnetni momenti enaki. Če je okvir majhen, potem njegova interakcija z magnetnim poljem ni odvisna od njegove oblike.
Magnetni moment je priročno obravnavati kot vektor, ki se nahaja na črti, pravokotni na ravnino okvirja. Smer vektorja (navzgor ali navzdol vzdolž te črte) je določena s "pravilom kardana": kardan mora biti nameščen pravokotno na ravnino okvirja in zasukan v smeri toka okvirja - smer gibanja kardana bo označuje smer vektorja magnetnega momenta.
Tako je magnetni moment vektor, pravokoten na ravnino okvirja.
Zdaj pa si poglejmo obnašanje okvirja v magnetnem polju. Nagnjena se bo tako obrniti. tako da je njen magnetni moment usmerjen vzdolž vektorja indukcije magnetnega polja B. Majhen okvir s tokom lahko uporabimo kot preprosto »merilno napravo« za določitev vektorja indukcije magnetnega polja.
Magnetni moment je pomemben pojem v fiziki. Atomi so sestavljeni iz jeder, okoli katerih se vrtijo elektroni. Vsak elektron, ki se giblje okoli jedra kot nabit delec, ustvari tok in s tokom tvori nekakšen mikroskopski okvir. Izračunajmo magnetni moment enega elektrona, ki se giblje po krožni orbiti polmera r.
Električni tok, to je količina naboja, ki ga nosi elektron v orbiti v 1 s, je enak naboju elektrona e, pomnoženemu s številom vrtljajev, ki jih naredi:
Posledično je velikost magnetnega momenta elektrona enaka:
Lahko ga izrazimo z velikostjo kotnega momenta elektrona. Potem je velikost magnetnega momenta elektrona, povezana z njegovim gibanjem po orbiti, ali, kot pravijo, velikost orbitalnega magnetnega momenta enaka:
Atom je predmet, ki ga ni mogoče opisati s klasično fiziko: za tako majhne predmete veljajo popolnoma drugi zakoni - zakoni kvantne mehanike. Kljub temu se izkaže, da je rezultat, dobljen za orbitalni magnetni moment elektrona, enak kot v kvantni mehaniki.
Drugače je z intrinzičnim magnetnim momentom elektrona - spinom, ki je povezan z njegovo rotacijo okoli svoje osi. Za spin elektrona kvantna mehanika daje vrednost magnetnega momenta, 2-krat večjo od tiste v klasični fiziki:
in te razlike med orbitalnimi in spinskimi magnetnimi momenti ni mogoče razložiti s klasičnega vidika. Skupni magnetni moment atoma je vsota orbitalnih in spinskih magnetnih momentov vseh elektronov, in ker se razlikujeta za faktor 2, se v izrazu za magnetni moment atoma pojavi faktor, ki označuje stanje elektronov. atom:
Tako ima atom, tako kot navaden okvir s tokom, magnetni moment in v mnogih pogledih je njihovo vedenje podobno. Zlasti, tako kot v primeru klasičnega okvirja, je obnašanje atoma v magnetnem polju popolnoma določeno z velikostjo njegovega magnetnega momenta. V zvezi s tem je koncept magnetnega momenta zelo pomemben pri razlagi različnih fizikalnih pojavov, ki se pojavljajo s snovjo v magnetnem polju.
Dokaže se lahko, da je navor M, ki deluje na vezje s tokom I v enotnem polju, premosorazmeren s površino poenostavljenega toka, jakosti toka in indukcije magnetnega polja B. Poleg tega je navor M je odvisen od položaja vezja glede na polje. Največji navor Miax je dosežen, ko je ravnina vezja vzporedna s črtami magnetne indukcije (slika 22.17), in je izražen s formulo
(To dokažite s formulo (22.6a) in sliko 22.17.) Če označimo, dobimo
Vrednost, ki označuje magnetne lastnosti tokovnega vezja, ki določajo njegovo obnašanje v zunanjem magnetnem polju, se imenuje magnetni moment tega vezja. Magnetni moment tokokroga se meri z zmnožkom toka v njem s površino, ki jo tok obkroži:
Magnetni moment je vektor, katerega smer je določena s pravilom desnega vijaka: če je vijak obrnjen v smeri toka v vezju, bo translacijsko gibanje vijaka pokazalo smer vektorja. (slika 22.18, a). Odvisnost navora M od orientacije konture je izražena s formulo
kjer je a kot med vektorji in B. Iz sl. 22.18, b je razvidno, da je ravnovesje obrisa v magnetnem polju možno, če sta vektorja B in Pmag usmerjena vzdolž ene premice. (Razmislite, v katerem primeru bo to ravnovesje stabilno.)
Magnetni trenutek glavna količina, ki označuje magnetne lastnosti snovi. Vir magnetizma so po klasični teoriji elektromagnetnih pojavov električni makro- in mikrotokovi. Za elementarni vir magnetizma se šteje zaprt tok. Iz izkušenj in klasične teorije elektromagnetnega polja izhaja, da so magnetna delovanja zaprtega toka (vezje s tokom) določena, če je produkt znan ( M) tok jaz na območju konture σ ( M = jazσ / c v sistemu enot CGS (glej sistem enot CGS), z -
svetlobna hitrost). Vektor M in obstaja po definiciji M. m. Lahko se zapiše v drugi obliki: M = m l, kje m - ekvivalentni magnetni naboj vezja, in l- razdalja med "naboji" nasprotnih znakov (+ in -
). Elementarni delci, atomska jedra in elektronske lupine atomov in molekul imajo magnetne materiale. Velikost elementarnih delcev (elektronov, protonov, nevtronov in drugih), kot kaže kvantna mehanika, je posledica obstoja lastnega mehanskega momenta - Spin a. M. m. Jedra so sestavljena iz lastnih (spin) M. m. Tvorijo ta jedra protonov in nevtronov, pa tudi M. m. Povezan z njihovim orbitalnim gibanjem znotraj jedra. Magnetna resonanca elektronskih lupin atomov in molekul je sestavljena iz spinskih in orbitalnih magnetnih resonančnih elektronov. Spin magnetni moment elektrona m cn ima lahko dve enaki in nasprotno usmerjeni projekciji na smer zunanjega magnetnega polja N. Absolutna projekcijska velikost kjer je μ in = (9,274096 ± 0,000065) 10 -21 erg / gs - Bora magneton, h -
Bar je konstanten , e in m e - naboj in masa elektrona, z- hitrost svetlobe; S H - projekcija vrtilnega mehanskega momenta na smer polja H... Absolutna vrednost spina M. m. kje s= 1/2 - spin kvantno število (glej Kvantna števila). Razmerje med spinskim magnetizmom in mehanskim momentom (spin) od vrtenja Študije atomskih spektrov so pokazale, da m H cn dejansko ni enak m in, ampak m in (1 + 0,0116). To je posledica delovanja na elektron tako imenovanih ničelnih nihanj elektromagnetnega polja (glej Kvantna elektrodinamika, Popravki sevanja).
Orbitalni magnetni moment krogle elektrona m je povezan z mehanskim orbitalnim momentom krogle z razmerjem g opb = | m krogla | / | krogla | = | e|/2m e c, to je magnetomehansko razmerje g opb je dvakrat manj kot g cp. Kvantna mehanika dopušča le diskretno serijo možnih projekcij m orb na smer zunanjega polja (t. i. prostorska kvantizacija): m H orb = m l m in ,
kjer m l -
magnetno kvantno število ob predpostavki 2 l+ 1 vrednosti (0, ± 1, ± 2, ..., ± l, kje l-
orbitalno kvantno število). V atomih z več elektroni sta orbitalo in spin M. m. določena s kvantnimi številkami L in S skupni orbitalni in spinski momenti. Dodajanje teh trenutkov se izvaja v skladu s pravili prostorske kvantizacije. Zaradi neenakosti magnetomehanskih razmerij za spin elektrona in njegovo orbitalno gibanje ( g cп ¹ g opb) nastali M.m. atomske lupine ne bo vzporeden ali antiparalelen z njegovim nastalim mehanskim momentom J.
Zato pogosto upoštevamo komponento celotnega M. m. V smer vektorja J enako kje g J je magnetomehansko razmerje elektronske lupine, J je skupno kotno kvantno število. M. m. Protona, katerega spin je kje M str- masa protona, ki je 1836,5-krat večja m e, m strup je jedrski magneton enak 1 / 1836,5 m c. Po drugi strani pa nevtron ne bi smel imeti magnetnega materiala, saj je brez naboja. Vendar so izkušnje pokazale, da je molekulska teža protona m p = 2,7927m strup, nevtron m n = -1,91315m pa je strup. To je posledica prisotnosti mezonskih polj okoli nukleonov, ki določajo njihove specifične jedrske interakcije (glej Jedrske sile, Mezoni) in vplivajo na njihove elektromagnetne lastnosti. Skupni M.m kompleksnih atomskih jeder ni večkratnik m strupa ali m p in m n. Tako je M. m. kalijevo jedro Za karakterizacijo magnetnega stanja makroskopskih teles se izračuna povprečna vrednost rezultantnega magnetnega polja vseh mikrodelcev, ki tvorijo telo. Magnetizem na enoto prostornine telesa se imenuje magnetizacija. Za makrotelesa, zlasti v primeru teles z atomsko magnetno urejenostjo (fero-, feri- in antiferomagneti), je uveden pojem povprečne atomske molekulske mase kot povprečna vrednost molekulske mase na atom (ion), ki je nosilec molekulsko maso v telesu. V snoveh z magnetnim redom so ti povprečni atomski magnetni materiali pridobljeni kot količnik iz delitve spontane magnetizacije feromagnetnih teles ali magnetnih podmrež v feri- in antiferomagnetih (pri temperaturi absolutne ničle) s številom atomov - nosilcev magnetni material na enoto prostornine. Običajno se te povprečne atomske M. od m. razlikujejo od M. M. izoliranih atomov; njihove vrednosti v Bohrovih magnetonih m se izkažejo za frakcijske (na primer v prehodnih d-kovinah Fe, Co in Ni 2,218 m in, 1,715 m in in 0,604 m in) Ta razlika je posledica spremembe pri gibanju d-elektronov (nosilcev M. m.) v kristalu v primerjavi z gibanjem v izoliranih atomih. V primeru redkih zemeljskih kovin (lantanidov), pa tudi nekovinskih fero- ali ferimagnetnih spojin (na primer feriti), nedokončani d- ali f-sloji elektronske lupine (glavni atom Ni plasti (kot v d-kovine), molekulska masa takšnih teles pa se le malo spreminja v primerjavi z izoliranimi atomi. Neposredno eksperimentalno določanje magnetne resonance na atomih v kristalu je postalo mogoče z uporabo metod magnetne nevtronske difrakcije, radijske spektroskopije (NMR, EPR, FMR itd.) in Mössbauerjevega učinka. Za paramagnete je mogoče uvesti tudi pojem povprečnega atomskega magnetnega materiala, ki ga določimo z eksperimentalno ugotovljeno Curiejevo konstanto, ki je vključena v izraz za Curiejev zakon a ali Curie-Weissov zakon a (glej Paramagnetizem). Osvetljeno .: Tamm I.E., Osnove teorije elektrike, 8. izd., M., 1966; Landau L. D. in Lifshits E. M., Elektrodinamika neprekinjenih medijev, M., 1959; Dorfman Ya. G., Magnetne lastnosti in struktura snovi, M., 1955; Vonsovsky S.V., Magnetizem mikrodelcev, M., 1973. S. V. Vonsovsky. Velika sovjetska enciklopedija. - M .: Sovjetska enciklopedija.
1969-1978
.
Poglejte, kaj je "Magnetni trenutek" v drugih slovarjih:
Mera L2I Merske enote SI A⋅m2 ... Wikipedia
Glavna vrednost, ki označuje magn. nepremičnine v wa. Vir magnetizma (M. m.), Po klasični. e-teorija magn. pojavi, yavl. makro in mikro (atomski) električni tokovi. Elem. vir magnetizma se šteje za zaprt tok. Iz izkušenj in klasike...... Fizična enciklopedija
Veliki enciklopedični slovar
MAGNETNI MOMENT, merjenje jakosti trajnega magneta ali tokovne tuljave. To je največja vrtilna sila (obratni moment), ki deluje na magnet, tuljavo ali električni naboj v MAGNETNEM POLJU, deljena z jakostjo polja. Zaračunan...... Znanstveni in tehnični enciklopedični slovar
MAGNETNI TRENUTEK- fizično količina, ki označuje magnetne lastnosti teles in delcev snovi (elektronov, nukleonov, atomov itd.); večji kot je magnetni moment, močnejše je (glej) telo; magnetni moment se določi z magnetnim (glej). Ker vsak električni ... ... Velika politehniška enciklopedija
- (Magnetni moment) zmnožek magnetne mase danega magneta z razdaljo med njegovimi poli. Samoilov K.I. Morski slovar. M. L .: Državna pomorska založba NKVMF ZSSR, 1941 ... Morski slovar
magnetni moment- Har ka magn. sv v telesa, konv. ekspresno. prod. velikost naboj v vsakem polu na razdalji med poloma. Teme metalurgija na splošno EN magnetni moment ... Priročnik za tehnični prevajalec
Vektorska količina, ki označuje snov kot vir magnetnega polja. Makroskopski magnetni moment ustvarjajo zaprti električni tokovi in urejeno usmerjeni magnetni momenti atomskih delcev. Mikrodelci razlikujejo med orbitalnimi ... enciklopedijski slovar
MAGNETNI TRENUTEK- je glavna količina, ki označuje magnetne lastnosti snovi. Električni tok velja za osnovni vir magnetizma. Vektor, ki ga določa produkt jakosti toka in površine zaprte tokovne zanke, je magnetni moment. Z … … Paleomagnetologija, petromagnetologija in geologija. Referenčni slovar.
magnetni moment- elektromagnetinis momentas statusas T sritis Standardizacija 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