Kalıcı bir mıknatısın manyetik momenti nedir? Döngünün manyetik momenti. Tanım. formül. Bir deneyim. Homojen olmayan bir alanda manyetik momentin hareketinin hesaplanması
Herhangi bir madde. Klasik elektromanyetik teoriye göre manyetizma oluşumunun kaynağı, bir elektronun yörüngesindeki hareketinden kaynaklanan mikro akımlardır. Manyetik moment, istisnasız tüm çekirdeklerin, atomik elektron kabuklarının ve moleküllerin vazgeçilmez bir özelliğidir.
Spin (kuantum doğasının kendi mekanik dürtüsü) olarak adlandırılan mekanik bir momentin varlığına göre tüm temel parçacıkların doğasında bulunan manyetizma. Bir atom çekirdeğinin manyetik özellikleri, çekirdeği oluşturan parçaların (protonlar ve nötronlar) dönüş momentlerinden oluşur. Elektronik kabuklar (atomik yörüngeler) de, üzerindeki elektronların manyetik momentlerinin toplamı olan bir manyetik momente sahiptir.
Başka bir deyişle, temel parçacıkların manyetik momentleri, spin momentumu olarak bilinen atom içi kuantum mekanik etkisinden kaynaklanmaktadır. Bu etki, kendi merkez ekseni etrafında dönmenin açısal momentumuna benzer. Spin momentumu, kuantum teorisinin temel sabiti olan Planck sabiti ile ölçülür.
Planck'a göre aslında atomu oluşturan tüm nötronlar, elektronlar ve protonlar ½'ye eşit bir dönüşe sahiptir. Bir atomun yapısında, çekirdeğin etrafında dönen elektronların spin momentumuna ek olarak bir de yörünge açısal momentumu vardır. Çekirdek, statik bir konumda olmasına rağmen, nükleer spin etkisi tarafından oluşturulan açısal bir momentuma da sahiptir.
Atomik manyetik momenti oluşturan manyetik alan, bu açısal momentumun çeşitli biçimleri tarafından belirlenir. Yaratılışa en belirgin katkıyı sağlayan spin etkisidir. Pauli'nin iki özdeş elektronun aynı anda aynı kuantum durumunda olamayacağı ilkesine göre, bağlı elektronlar birleşirken, spin momentumları taban tabana zıt izdüşümler kazanır. Bu durumda, elektronun manyetik momenti azalır, bu da tüm yapının manyetik özelliklerini azaltır. Çift sayıda elektrona sahip bazı elementlerde bu moment sıfıra düşer ve maddelerin manyetik özellikleri sona erer. Bu nedenle, bireysel temel parçacıkların manyetik momenti, tüm nükleer-atomik sistemin manyetik özellikleri üzerinde doğrudan bir etkiye sahiptir.
Tek sayıda elektrona sahip ferromanyetik elemanlar, eşleşmemiş bir elektron nedeniyle her zaman sıfır olmayan bir manyetizmaya sahip olacaktır. Bu tür elemanlarda, komşu orbitaller örtüşür ve eşleşmemiş elektronların tüm dönüş momentleri, uzayda aynı yönelimi üstlenir, bu da en düşük enerji durumuna ulaşılmasına yol açar. Bu sürece değişim etkileşimi denir.
Ferromanyetik atomların manyetik momentlerinin böyle bir hizalanmasıyla bir manyetik alan ortaya çıkar. Ve yönsüz manyetik momentlere sahip atomlardan oluşan paramanyetik elementlerin kendi manyetik alanları yoktur. Ancak onlara harici bir manyetizma kaynağı ile etki ederseniz, atomların manyetik momentleri hizalanacak ve bu elementler de manyetik özellikler kazanacaktır.
Deneyimler, tüm maddelerin manyetik olduğunu göstermektedir, yani. harici bir manyetik alanın etkisi altında kendi iç manyetik alanını yaratabilir (kendi manyetik momentini elde edebilir, manyetize edebilir).
Ampere cisimlerin manyetizasyonunu açıklamak için maddelerin moleküllerinde dairesel moleküler akımların dolaştığını öne sürdü. Bu tür her bir mikro akımın kendi manyetik momenti vardır ve çevreleyen alanda bir manyetik alan yaratır (Şekil 1). Harici bir alanın yokluğunda, moleküler akımlar ve ilgili akımlar rastgele yönlendirilir, bu nedenle maddenin içindeki sonuçta ortaya çıkan alan ve tüm maddenin toplam momenti sıfıra eşittir. Bir madde harici bir manyetik alana yerleştirildiğinde, moleküllerin manyetik momentleri ağırlıklı olarak bir yönde yönlenir, toplam manyetik moment sıfır olmaz ve mıknatıs mıknatıslanır. Bireysel moleküler akımların manyetik alanları artık birbirini dengelemez ve kendi iç alanı mıknatısın içinde ortaya çıkar.
Bu fenomenin nedenini, atomun gezegensel modeline dayanan atomların yapısı açısından ele alalım. Rutherford'a göre, atomun merkezinde, negatif yüklü elektronların sabit yörüngelerde döndüğü pozitif yüklü bir çekirdek bulunur. Çekirdeğin etrafında dairesel bir yörüngede hareket eden bir elektron, dairesel bir akım (mikro akım) olarak kabul edilebilir. Pozitif yüklerin hareket yönü geleneksel olarak akımın yönü olarak alındığından ve elektronun yükü negatif olduğundan, mikro akımın yönü elektronun hareket yönünün tersidir (Şekil 2).
Mikro akımın büyüklüğü I e aşağıdaki gibi belirlenebilir. t süresi boyunca elektron çekirdeğin etrafında N tur yaptıysa, o zaman elektron yolunun herhangi bir yerinde bulunan alan boyunca bir yük aktarıldı - elektronun yükü).
Akım gücü tanımına göre,
elektron dönme frekansı nerede.
I akımı kapalı bir döngüde akıyorsa, böyle bir döngünün modülü olan bir manyetik momenti vardır.
nerede S- konturla sınırlanan alan.
Bir mikro akım için bu alan yörünge alanıdır S = p r 2
(r yörüngenin yarıçapıdır) ve manyetik momenti
w = 2pn döngüsel frekanstır, elektronun lineer hızıdır.
Moment, elektronun yörüngesindeki hareketinden kaynaklanır, bu nedenle elektronun yörünge manyetik momenti olarak adlandırılır.
Elektronun yörüngedeki hareketinden dolayı sahip olduğu manyetik moment p m, elektronun yörünge manyetik momenti olarak adlandırılır.
Vektörün yönü, mikro akımın yönü ile sağ elini kullanan bir sistem oluşturur.
Bir daire içinde hareket eden herhangi bir maddesel nokta gibi, bir elektronun da açısal bir momentumu vardır:
Elektronun yörüngedeki hareketinden dolayı sahip olduğu momentum L momentine yörünge mekanik momenti denir. Elektronun hareket yönü ile sağ elini kullanan bir sistem oluşturur. Şekil 2'den de görüldüğü gibi vektörlerin yönleri ve zıt yönlerdir.
Yörünge momentlerine ek olarak (yani yörüngedeki hareket nedeniyle), elektronun kendi mekanik ve manyetik momentleri olduğu ortaya çıktı.
Başlangıçta, elektronu kendi ekseni etrafında dönen bir top olarak kabul ederek varoluşu açıklamaya çalıştılar, bu nedenle elektronun kendi mekanik momentum momentine spin (İngilizce spinden - döndürmek) denildi. Daha sonra bu fikrin bir takım çelişkilere yol açtığı bulundu ve "dönen" elektron hipotezi terk edildi.
Elektronun spininin ve ilişkili içsel (spin) manyetik momentinin, yükü ve kütlesi gibi elektronun ayrılmaz bir özelliği olduğu artık tespit edilmiştir.
Bir atomdaki elektronun manyetik momenti, yörünge ve spin momentlerinin toplamıdır:
Bir atomun manyetik momenti, kendisini oluşturan elektronların manyetik momentlerinden oluşur (çekirdeğin küçüklüğü nedeniyle çekirdeğin manyetik momenti ihmal edilir):
Maddenin manyetizasyonu.
Manyetik alan içindeki atom. Dia ve paramanyetik etkiler.
Bir atomda hareket eden elektronlar üzerindeki harici bir manyetik alanın etki mekanizmasını ele alalım, yani. mikro akımlar üzerinde.
Bildiğiniz gibi, akımı olan bir devre indüksiyonlu bir manyetik alana yerleştirildiğinde, bir kuvvet torku ortaya çıkar.
konturun etkisi altında, kontur düzlemi dik olacak ve manyetik moment vektörün yönü boyunca olacak şekilde yönlendirilir (Şekil 3).
Elektronik mikro akım benzer şekilde davranır. Bununla birlikte, bir manyetik alandaki yörünge mikro akımının yönü, akım döngüsü ile tamamen aynı değildir. Gerçek şu ki, çekirdeğin etrafında hareket eden ve açısal bir momentuma sahip olan bir elektron bir tepeye benzer, bu nedenle, jiroskopların dış kuvvetlerin, özellikle de jiroskopik etkinin etkisi altındaki davranışının tüm özelliklerine sahiptir. Bu nedenle, bir atom bir manyetik alana yerleştirildiğinde, elektronun alan yönü boyunca yörüngesel manyetik momentini oluşturmaya yönelik yörünge mikro akımı üzerinde bir tork hareket etmeye başladığında, yön çevresinde vektörlerin bir devinimi vardır. vektör (jiroskopik etki nedeniyle). Bu presesyonun sıklığı
aranan Larmorova frekans ve atomun tüm elektronları için aynıdır.
Bu nedenle, herhangi bir madde bir manyetik alana yerleştirildiğinde, atomun her elektronu, yörüngesinin dış alan yönü etrafında dönmesi nedeniyle, dış alana karşı yönlendirilen ve onu zayıflatan ek bir indüklenmiş manyetik alan oluşturur. Tüm elektronların indüklenen manyetik momentleri aynı şekilde (vektörün tersi) yönlendirildiğinden, atomun toplam indüklenen momenti de dış alana doğru yönlendirilir.
Mıknatıslarda indüklenmiş bir manyetik alanın (dış bir manyetik alandaki elektron yörüngelerinin deviniminden kaynaklanan) dış alana karşı yönlendirilen ve onu zayıflatan görünüm olgusuna diyamanyetik etki denir. Diamanyetizma, doğanın tüm maddelerinde doğaldır.
Diyamanyetik etki, mıknatıslarda dış manyetik alanın zayıflamasına yol açar.
Ancak paramanyetik denilen başka bir etki de mümkündür. Manyetik alanın yokluğunda, termal hareket nedeniyle atomların manyetik momentleri rastgele yönlendirilir ve maddenin sonuçta oluşan manyetik momenti sıfırdır (Şekil 4, a).
Böyle bir madde, endüksiyonlu düzgün bir manyetik alana sokulduğunda, alan, atomların manyetik momentlerini oluşturma eğilimindedir, bu nedenle, atomların (moleküllerin) manyetik momentlerinin vektörleri, vektörün yönü etrafında ilerler. Termal hareket ve atomların karşılıklı çarpışmaları, presesyonun kademeli olarak bozulmasına ve manyetik momentlerin vektörlerinin yönleri ile vektör arasındaki açılarda bir azalmaya yol açar.Manyetik alan ve termal hareketin birleşik hareketi, baskın yönelime yol açar. alan boyunca atomların manyetik momentlerinin
(Şek. 4, b), daha fazla, daha fazla ve daha az, sıcaklık daha yüksek. Sonuç olarak, maddenin tüm atomlarının toplam manyetik momenti sıfır olmayacak, madde manyetize olacak ve kendi iç manyetik alanı içinde ortaya çıkacak, dış alanla birlikte yönlendirilecek ve onu güçlendirecektir.
Atomların manyetik momentlerinin dış alan yönü boyunca yönelimi ve onu büyütmesinin neden olduğu, içsel bir manyetik alanın mıknatıslarda görünmesi olgusuna paramanyetik etki denir.
Paramanyetik etki, mıknatıslarda dış manyetik alanda bir artışa yol açar.
Herhangi bir madde harici bir manyetik alana yerleştirildiğinde, manyetize olur, yani. dia- veya paramanyetik etki nedeniyle manyetik bir an kazanır, maddenin kendisinde indüksiyonlu kendi iç manyetik alanı (mikro akımlar alanı) vardır.
Bir maddenin manyetizasyonunun nicel bir açıklaması için manyetizasyon kavramı tanıtılır.
Bir mıknatısın manyetizasyonu, bir mıknatısın birim hacminin toplam manyetik momentine eşit bir vektör fiziksel niceliğidir:
SI'de manyetizasyon A / m cinsinden ölçülür.
Manyetizasyon, maddenin manyetik özelliklerine, dış alanın büyüklüğüne ve sıcaklığa bağlıdır. Bir mıknatısın manyetizasyonunun indüksiyonla ilişkili olduğu açıktır.
Deneyimler, çoğu madde için ve çok güçlü alanlarda değil, manyetizasyonun, manyetizasyona neden olan dış alanın gücü ile doğru orantılı olduğunu göstermektedir:
burada c maddenin manyetik duyarlılığı, boyutsuz bir miktardır.
c değeri ne kadar büyükse, madde belirli bir dış alanda o kadar manyetize olur.
Kanıtlanabilir ki
Maddedeki manyetik alan, iki alanın vektör toplamıdır: bir dış manyetik alan ve mikro akımlar tarafından yaratılan bir iç veya içsel manyetik alan. Maddedeki manyetik alanın manyetik indüksiyonunun vektörü, ortaya çıkan manyetik alanı karakterize eder ve dış ve iç manyetik alanların manyetik indüksiyonlarının geometrik toplamına eşittir:
Bir maddenin bağıl manyetik geçirgenliği, belirli bir maddede bir manyetik alanın indüksiyonunun kaç kez değiştiğini gösterir.
Belirli bir maddedeki manyetik alana tam olarak ne olduğu - ister güçlendirilmiş ister zayıflamış olsun - verilen maddenin atomunun (veya molekülünün) manyetik momentinin büyüklüğüne bağlıdır.
Dia ve paramagnetler. Ferromıknatıslar.
mıknatıslar harici bir manyetik alanda manyetik özellikler kazanabilen maddeler olarak adlandırılır - manyetize edilmiş, yani. kendi içsel manyetik alanınızı yaratın.
Daha önce bahsedildiği gibi, tüm maddeler manyetiktir, çünkü kendi iç manyetik alanları her atomun her elektronu tarafından üretilen mikro alanların vektör toplamı tarafından belirlenir:
Bir maddenin manyetik özellikleri, verilen maddenin elektronlarının ve atomlarının manyetik özellikleri tarafından belirlenir. Mıknatıslar manyetik özelliklerine göre diamagnetler, paramagnetler, ferromagnetler, antiferromagnetler ve ferritler olarak alt gruplara ayrılırlar. Bu madde sınıflarını sırayla ele alalım.
Bir madde manyetik alana yerleştirildiğinde iki etkinin meydana gelebileceğini bulduk:
1. Paramanyetik, atomların manyetik momentlerinin dış alan yönü boyunca yönelimi nedeniyle bir mıknatıstaki manyetik alanda bir artışa yol açar.
2. Dış bir alanda elektron yörüngelerinin devinimi nedeniyle alanın zayıflamasına yol açan diyamanyetik.
Bu etkilerden hangisinin (veya her ikisinin aynı anda) ortaya çıkacağı nasıl belirlenir, hangisinin daha güçlü olduğu ortaya çıkar, sonuçta belirli bir maddedeki manyetik alana ne olur - büyütülür veya zayıflatılır mı?
Bildiğimiz gibi, bir maddenin manyetik özellikleri, atomlarının manyetik momentleri tarafından belirlenir ve bir atomun manyetik momenti, bileşiminde yer alan elektronların yörüngesel ve içsel spin manyetik momentlerinden oluşur:
Bazı maddelerin atomları için, elektronların yörünge ve spin manyetik momentlerinin vektör toplamı sıfıra eşittir, yani. tüm atomun manyetik momenti sıfırdır. Bu tür maddeler bir manyetik alana yerleştirildiğinde, doğal olarak paramanyetik etki ortaya çıkmaz, çünkü yalnızca atomların manyetik momentlerinin bir manyetik alandaki yöneliminden kaynaklanır, ancak bunlar burada değiller.
Ancak diyamanyetik etkiye neden olan elektron yörüngelerinin dış bir alanda yörüngeleri her zaman meydana gelir, bu nedenle diyamanyetik etki, bir manyetik alana yerleştirildiklerinde tüm maddelerde meydana gelir.
Bu nedenle, bir maddenin bir atomunun (molekülünün) manyetik momenti sıfır ise (elektronların manyetik momentlerinin karşılıklı olarak dengelenmesi nedeniyle), o zaman böyle bir madde bir manyetik alana yerleştirildiğinde, sadece bir diyamanyetik etki görünecektir. o. Bu durumda, mıknatısın içsel manyetik alanı, dış alana karşı yönlendirilir ve onu zayıflatır. Bu tür maddelere diamagnet denir.
Diamagnetler, harici bir manyetik alanın yokluğunda atomların manyetik momentlerinin sıfıra eşit olduğu maddelerdir.
Harici bir manyetik alandaki diamagnetler, harici alanın yönüne karşı mıknatıslanır ve onu zayıflatır, bu nedenle
B = B 0 - B ¢, m< 1.
Bir diamagnetdeki alanın zayıflaması çok önemsizdir. Örneğin, en güçlü diamagnetlerden biri için, bizmut, m »0.99998.
Diamagnetler birçok metaldir (gümüş, altın, bakır), çoğu organik bileşik, reçineler, karbon vb.
Harici bir manyetik alanın yokluğunda, bir maddenin atomlarının manyetik momenti sıfır değilse, o zaman böyle bir madde bir manyetik alana yerleştirildiğinde, içinde hem diyamanyetik hem de paramanyetik etkiler görünecektir, ancak diyamanyetik etki her zaman paramanyetik etkiden çok daha zayıftır ve arka planına karşı pratik olarak görünmezdir. Mıknatısın içsel manyetik alanı, dış alanla hizalanacak ve onu güçlendirecektir. Bu tür maddelere paramagnet denir. Paramagnetler, harici bir manyetik alanın yokluğunda atomların manyetik momentlerinin sıfır olmadığı maddelerdir.
Harici bir manyetik alandaki paramagnetler, harici alan yönünde manyetize edilir ve onu yükseltir. Onlar için
B = B 0 + B ¢, m> 1.
Çoğu paramagnet için manyetik geçirgenlik birlikten biraz daha büyüktür.
Paramagnetler arasında nadir toprak elementleri, platin, alüminyum vb.
Diyamanyetik etki ise, B = B 0 -B ¢, m< 1.
Diya- ve paramanyetik etkiler ise, B = B 0 + B ¢, m> 1.
Ferromıknatıslar.
Tüm dia- ve paramagnetler, çok zayıf manyetize olan maddelerdir, manyetik geçirgenlikleri birliğe yakındır ve H manyetik alanının gücüne bağlı değildir. Dia- ve paramagnetlerin yanı sıra, güçlü bir şekilde manyetize edilebilen maddeler vardır. Bunlara ferromıknatıs denir.
Ferromanyetikler veya ferromanyetik malzemeler, isimlerini bu maddelerin ana temsilcisi olan demir (ferrum) için Latince adından alır. Ferromıknatıslar, demire ek olarak kobalt, nikel, gadolinyum, birçok alaşım ve kimyasal bileşik içerir. Ferromıknatıslar, çok güçlü bir şekilde mıknatıslanabilen, iç (iç) manyetik alanın, buna neden olan dış manyetik alandan yüzlerce ve binlerce kat daha yüksek olabilen maddelerdir.
ferromıknatısların özellikleri
1. Yüksek derecede manyetize olma yeteneği.
Bazı ferromıknatıslarda bağıl manyetik geçirgenlik m değeri 106'ya ulaşır.
2. Manyetik doygunluk.
İncirde. Şekil 5, manyetizasyonun harici manyetik alanın gücüne deneysel bağımlılığını göstermektedir. Şekilden görülebileceği gibi, belirli bir H değerinden, ferromıknatısların manyetizasyonunun sayısal değeri pratik olarak sabit kalır ve J sat'a eşittir. Bu fenomen Rus bilim adamı A.G. Stoletov ve manyetik doygunluk denir.
3. Doğrusal olmayan bağımlılıklar B (H) ve m (H).
Yoğunluğun artmasıyla ilk önce indüksiyon artar, ancak mıknatıs mıknatıslandıkça büyümesi yavaşlar ve güçlü alanlarda doğrusal bir yasaya göre bir artışla büyür (Şekil 6).
Doğrusal olmayan bağımlılık B (H) nedeniyle,
onlar. manyetik geçirgenlik m karmaşık bir şekilde manyetik alanın gücüne bağlıdır (Şekil 7). Başlangıçta, artan alan kuvveti ile m, başlangıç değerinden belirli bir maksimum değere yükselir ve daha sonra azalır ve asimptotik olarak birlik eğilimi gösterir.
4. Manyetik histerezis.
Ferromıknatısların bir diğer ayırt edici özelliği,
mıknatıslanma alanını çıkardıktan sonra mıknatıslanmayı sürdürme yeteneği. Dış manyetik alanın gücü sıfırdan pozitif değerlere doğru değiştiğinde indüksiyon artar (Şekil 8, bölüm
Sıfıra düştüğünde, manyetik indüksiyon azalmada gecikir ve sıfıra eşit bir değerde, eşit olduğu ortaya çıkar (artık indüksiyon), yani. dış alan kaldırıldığında, ferromıknatıs manyetize kalır ve kalıcı bir mıknatıstır. Numunenin tamamen demanyetizasyonu için, ters yönde bir manyetik alan uygulamak gerekir -. Bir ferromıknatısa tam demanyetizasyonu için uygulanması gereken manyetik alan kuvvetinin büyüklüğüne denir. Zorlayıcı kuvvet.
Bir ferromıknatısın manyetik indüksiyonundaki, büyüklük ve yönde değişken olan bir dış mıknatıslanma alanının gücündeki değişiklikten kaynaklanan bir gecikme olgusuna manyetik histerezis denir.
Bu durumda, bağımlılık olarak adlandırılan döngü şeklinde bir eğri ile gösterilecektir. histerezis döngüleri,Şekil 8'de gösterilmiştir.
Histerezis döngüsünün şekline bağlı olarak, sert manyetik ve yumuşak manyetik ferromıknatıslar arasında bir ayrım yapılır. Yüksek kalıcı mıknatıslanma ve yüksek zorlayıcı kuvvete sahip maddelere sert ferromıknatıslar denir, yani. geniş bir histerezis döngüsü ile. Kalıcı mıknatısların (karbon, tungsten, krom, alüminyum-nikel ve diğer çelikler) imalatında kullanılırlar.
Yumuşak ferromıknatıslar, dar bir histerezis döngüsü ile çok kolay yeniden mıknatıslanabilen, düşük zorlayıcı kuvvete sahip maddelerdir. (Bu özellikleri elde etmek için, küçük bir silikon katkılı bir demir alaşımı olan transformatör demiri özel olarak yaratılmıştır). Uygulama alanları, transformatör çekirdeklerinin imalatıdır; bunlara yumuşak demir, demir-nikel alaşımları (permalloy, supermalla) dahildir.
5. Curie sıcaklığının varlığı (nokta).
Curie noktası ferromanyetik özelliklerin tamamen kaybolduğu belirli bir ferromanyetin sıcaklık özelliğidir.
Numune Curie noktasının üzerine ısıtıldığında, ferromıknatıs sıradan bir paramıknatısa dönüşür. Curie noktasının altına soğutulduğunda ferromanyetik özelliklerini geri kazanır. Bu sıcaklık farklı maddeler için farklıdır (Fe - 770 0 C, Ni için - 260 0 C).
6. manyetostriksiyon- manyetizasyon sırasında ferromıknatısların deformasyonu olgusu. Manyetostriksiyonun büyüklüğü ve işareti, manyetizasyon alanının yoğunluğuna ve ferromagnetin doğasına bağlıdır. Bu fenomen, sonar, su altı iletişimi, navigasyon vb.
Ferromıknatıslarda, ters fenomen de gözlenir - deformasyon üzerine manyetizasyonda bir değişiklik. Önemli manyetostriksiyona sahip alaşımlar, basınç ve deformasyonu ölçmek için aletlerde kullanılır.
Ferromanyetizmanın doğası
1907'de Fransız fizikçi P. Weiss tarafından tanımlayıcı bir ferromanyetizma teorisi önerildi ve kuantum mekaniğine dayanan tutarlı bir nicel teori, Sovyet fizikçi J. Frenkel ve Alman fizikçi W. Heisenberg (1928) tarafından geliştirildi.
Modern kavramlara göre, ferromıknatısların manyetik özellikleri elektronların dönüş manyetik momentleri (spinler) tarafından belirlenir; ferromıknatıslar yalnızca atomları telafi edilmemiş dönüşlere sahip bitmemiş iç elektron kabuklarına sahip kristal maddeler olabilir. Bu durumda, elektronların spin manyetik momentlerini kendilerini birbirine paralel olarak yönlendirmeye zorlayan kuvvetler ortaya çıkar. Bu kuvvetlere değişim etkileşimi kuvvetleri denir, bunlar kuantum niteliktedir ve elektronların dalga özelliklerinden kaynaklanır.
Bir dış alanın yokluğunda bu kuvvetlerin etkisi altında, ferromıknatıs çok sayıda mikroskobik bölgeye ayrılır - boyutları 10 -2 - 10 -4 cm arasında olan alanlara. Her alanın içinde, elektron dönüşleri birbirine paralel olarak yönlendirilir, böylece tüm alan doygunluğa kadar manyetize olur, ancak bireysel alanlardaki manyetizasyon yönleri farklıdır, böylece tüm ferromagnetin toplam (toplam) manyetik momenti sıfır olur. . Bildiğiniz gibi, herhangi bir sistem enerjisinin minimum olduğu bir durumda olma eğilimindedir. Bir ferromıknatısın alanlara bölünmesi, bir alan yapısının oluşumu sırasında ferromıknatısın enerjisinin azalması nedeniyle oluşur. Curie noktası, alanların yıkımının meydana geldiği sıcaklık olarak ortaya çıkıyor ve ferromanyet, ferromanyetik özelliklerini kaybediyor.
Ferromıknatısların alan yapısının varlığı deneysel olarak kanıtlanmıştır. Bunları gözlemlemek için doğrudan deneysel bir yöntem, toz figürler yöntemidir. İnce bir ferromanyetik tozun (örneğin, bir mıknatıs) sulu bir süspansiyonu, bir ferromanyetin iyice parlatılmış bir yüzeyine uygulanırsa, parçacıklar esas olarak manyetik alanın maksimum homojen olmayan yerlerine yerleşir, yani. etki alanları arasındaki sınırlarda. Bu nedenle, çöken toz, alanların sınırlarını çizer ve benzer bir resim mikroskop altında fotoğraflanabilir.
| |
| |
|
- doygunluk durumunda tüm mıknatısın manyetizasyonu
|
Bilindiği gibi, herhangi bir sistem minimum enerjiye eğilimli olduğundan, daha düşük enerjili alanların hacminin arttığı ve daha yüksek enerji ile azaldığı alan sınırlarının yer değiştirme süreci ortaya çıkar (Şekil 9b). Çok zayıf alanlar durumunda, sınırların bu yer değiştirmeleri tersine çevrilebilir ve alandaki değişiklikleri tam olarak takip eder (alan kapatılırsa, manyetizasyon tekrar sıfır olacaktır). Bu işlem, B (H) eğrisinin kesitine karşılık gelir (Şekil 10). Alandaki bir artışla, alan sınırlarının yer değiştirmeleri geri döndürülemez hale gelir.
Yeterli bir mıknatıslanma alanı değeri ile, enerjik olarak elverişsiz alanlar ortadan kalkar (Şekil 9, c, Şekil 7'nin bölümü). Alan daha da artarsa, alanların manyetik momentleri alan üzerinde döndürülür, böylece tüm numune büyük bir alana dönüşür (Şekil 9, d, Şekil 10'un bölümü).
Ferromıknatısların çok sayıda ilginç ve değerli özelliği, bilim ve teknolojinin çeşitli alanlarında yaygın olarak kullanılmalarına izin verir: trafo çekirdeklerinin ve elektro-mekanik ultrason yayıcılarının üretimi için, kalıcı mıknatıslar olarak vb. Ferromanyetik malzemeler askeri işlerde kullanılır: çeşitli elektrikli ve radyo cihazlarında; ultrason kaynakları olarak - sonar, navigasyon, su altı iletişiminde; kalıcı mıknatıslar olarak - manyetik madenlerin oluşturulması ve manyetometrik keşif için. Manyetometrik keşif, ferromanyetik malzemeler içeren nesnelerin algılanmasını ve tanımlanmasını sağlar; denizaltılar ve deniz mayınları ile mücadele sisteminde kullanılır.
Manyetik alanın akımı olan bir çerçeve üzerinde yön verici bir etkiye sahip olduğu ve çerçevenin kendi ekseni etrafında döndüğü bilinmektedir. Bunun nedeni, bir manyetik alanda çerçeveye şuna eşit bir kuvvet momentinin etki etmesidir:
Burada B, manyetik alan indüksiyonunun vektörüdür, çerçevedeki akımdır, S alanıdır ve a, kuvvet çizgileri ile çerçevenin düzlemine dik olan arasındaki açıdır. Bu ifade, manyetik dipol momenti veya basitçe çerçevenin manyetik momenti olarak adlandırılan bir ürünü içerir.Manyetik momentin büyüklüğünün, çerçevenin manyetik alanla etkileşimini tamamen karakterize ettiği ortaya çıktı. Biri büyük bir akım ve küçük bir alana sahip, diğeri büyük bir alana ve küçük bir akıma sahip olan iki çerçeve, eğer manyetik momentleri eşitse, bir manyetik alanda aynı şekilde davranacaktır. Çerçeve küçükse, manyetik alanla etkileşimi şekline bağlı değildir.
Manyetik momenti, çerçeve düzlemine dik bir çizgi üzerinde bulunan bir vektör olarak düşünmek uygundur. Vektörün yönü (bu çizgi boyunca yukarı veya aşağı) "gimbal kuralı" ile belirlenir: gimbal, çerçeve düzlemine dik olarak konumlandırılmalı ve çerçeve akımı yönünde döndürülmelidir - gimbalin hareket yönü manyetik moment vektörünün yönünü gösterir.
Böylece, manyetik moment çerçevenin düzlemine dik bir vektördür.
Şimdi çerçevenin davranışını bir manyetik alan içinde görselleştirelim. Böyle dönmeye meyilli olacak. böylece manyetik momenti, manyetik alan B'nin endüksiyon vektörü boyunca yönlendirilir. Manyetik alanın endüksiyon vektörünü belirlemek için akımlı küçük bir çerçeve basit bir "ölçüm cihazı" olarak kullanılabilir.
Manyetik moment fizikte önemli bir kavramdır. Atomlar, etrafında elektronların döndüğü çekirdeklerden oluşur. Çekirdeğin etrafında yüklü bir parçacık olarak hareket eden her elektron bir akım oluşturarak akımla bir tür mikroskobik çerçeve oluşturur. Yarıçapı r olan dairesel bir yörüngede hareket eden bir elektronun manyetik momentini hesaplayalım.
Elektrik akımı, yani bir yörüngede 1 s içinde bir elektron tarafından taşınan yük miktarı, elektronun yükünün yaptığı devir sayısı ile çarpımına eşittir:
Sonuç olarak, elektronun manyetik momentinin büyüklüğü şuna eşittir:
Elektronun açısal momentumunun büyüklüğü ile ifade edilebilir. O zaman yörüngedeki hareketiyle ilişkili elektronun manyetik momentinin büyüklüğü veya dedikleri gibi yörünge manyetik momentinin büyüklüğü şuna eşittir:
Bir atom, klasik fizik kullanılarak tanımlanamayan bir nesnedir: böyle küçük nesneler için tamamen farklı yasalar - kuantum mekaniği yasaları. Bununla birlikte, elektronun yörüngesel manyetik momenti için elde edilen sonuç, kuantum mekaniğindeki ile aynı olur.
Elektronun içsel manyetik momenti ile durum farklıdır - kendi ekseni etrafındaki dönüşü ile ilişkili olan spin. Bir elektronun dönüşü için kuantum mekaniği, klasik fiziğinkinden 2 kat daha büyük olan manyetik momentin değerini verir:
ve yörünge ve spin manyetik momentleri arasındaki bu fark, klasik bakış açısıyla açıklanamaz. Bir atomun toplam manyetik momenti, tüm elektronların yörünge ve spin manyetik momentlerinin toplamıdır ve bunlar 2 faktör kadar farklılık gösterdiğinden, atomun durumunu karakterize eden bir atomun manyetik momenti ifadesinde bir faktör görünür. atom:
Böylece, akıma sahip sıradan bir çerçeve gibi bir atomun manyetik bir momenti vardır ve birçok açıdan davranışları benzerdir. Özellikle klasik çerçeve durumunda olduğu gibi, bir atomun manyetik alandaki davranışı tamamen manyetik momentinin büyüklüğü ile belirlenir. Bu bağlamda, manyetik bir alanda madde ile meydana gelen çeşitli fiziksel olayları açıklamada manyetik moment kavramı çok önemlidir.
Düzgün bir alanda akımı I olan bir devre üzerinde hareket eden M torkunun, aerodinamik akımın alanı, akım kuvveti ve B manyetik alanının indüksiyonu ile doğru orantılı olduğu kanıtlanabilir. Ek olarak, tork M, devrenin alana göre konumuna bağlıdır. Maksimum tork Miax, kontur düzlemi manyetik indüksiyon hatlarına paralel olduğunda elde edilir (Şekil 22.17) ve formülle ifade edilir.
(Bunu formül (22.6a) ve Şekil 22.17'yi kullanarak kanıtlayın.) Eğer ifade edersek, o zaman şunu elde ederiz:
Akım taşıyan bir devrenin, harici bir manyetik alandaki davranışını belirleyen manyetik özelliklerini karakterize eden değere, bu devrenin manyetik momenti denir. Devrenin manyetik momenti, içindeki akımın, akımın etrafında uçtuğu alan ile çarpımı ile ölçülür:
Manyetik moment, yönü sağ vida kuralıyla belirlenen bir vektördür: vida devredeki akım yönünde döndürülürse, vidanın öteleme hareketi vektörün yönünü gösterecektir. (Şek. 22.18, a). M torkunun konturun oryantasyonuna bağımlılığı, formülle ifade edilir.
burada a, vektörler ve B arasındaki açıdır. Şek. 22.18, b, B ve Pmag vektörleri tek bir doğru boyunca yönlendirildiklerinde bir manyetik alandaki kontur dengesinin mümkün olduğu görülebilir. (Bu dengenin hangi durumda istikrarlı olacağını düşünün.)
manyetik moment bir maddenin manyetik özelliklerini karakterize eden ana miktar. Elektromanyetik olayların klasik teorisine göre manyetizmanın kaynağı, elektriksel makro ve mikro akımlardır. Temel bir manyetizma kaynağı, kapalı bir akım olarak kabul edilir. Elektromanyetik alanın deneyiminden ve klasik teorisinden, kapalı bir akımın (akımlı devre) manyetik etkilerinin, eğer ürün biliniyorsa belirlenir ( m) akım ben kontur alanında σ ( m = benσ / C CGS birim sisteminde (Bkz. CGS birim sistemi), ile birlikte -
ışık hızı). Vektör m ve tanımı gereği, M. m.Başka bir biçimde yazılabilir: m = ben, nerede m - devrenin eşdeğer manyetik yükü ve ben- zıt işaretlerin "yükleri" arasındaki mesafe (+ ve -
). Atomların ve moleküllerin temel parçacıkları, atom çekirdekleri ve elektron kabukları manyetik malzemelere sahiptir. Kuantum mekaniğinin gösterdiği gibi, temel parçacıkların (elektronlar, protonlar, nötronlar ve diğerleri) büyüklüğü, kendi mekanik momentlerinin varlığından kaynaklanmaktadır - Spin a. M. m. Çekirdekler kendi (spin) M. m'den oluşur. Bu proton ve nötron çekirdeklerini oluşturan M. m. Çekirdek içindeki yörünge hareketleriyle ilişkili. Atomların ve moleküllerin elektron kabuklarının manyetik rezonansı, spin ve yörünge manyetik rezonans elektronlarından oluşur. Elektronun spin manyetik momenti m cn, dış manyetik alanın yönüne iki eşit ve zıt yönlü projeksiyona sahip olabilir. N. Mutlak projeksiyon büyüklüğü burada μ = (9.274096 ± 0.000065) 10 -21 erg / gs - Bora magneton, h -
çubuk sabit , e ve m e - bir elektronun yükü ve kütlesi, ile birlikte- Işık hızı; NS - alan yönünde spin mekanik momentinin izdüşümü H... Spin mutlak değeri M. m. nerede s= 1/2 - spin kuantum sayısı (Bkz. Kuantum sayıları). Spin manyetizmasının mekanik momente oranı (spin) dönüşten beri Atomik spektrum çalışmaları, m H cn'nin aslında m inç'e değil, m inç'e (1 + 0.0116) eşit olduğunu göstermiştir. Bu, elektromanyetik alanın sözde sıfır noktası salınımlarının elektron üzerindeki etkisinden kaynaklanmaktadır (bkz. Kuantum elektrodinamiği, Radyasyon düzeltmeleri).
Elektron m küresinin yörüngesel manyetik momenti, kürenin mekanik yörünge momenti ile bağıntı yoluyla ilişkilidir. G opb = |m küre | / | küre | = | e|/2m e C, yani, Manyetomekanik oran G opb şundan iki kat daha azdır G cp. Kuantum mekaniği, m kürelerin dış alanın yönüne (uzaysal nicemleme olarak adlandırılır) yalnızca ayrı bir dizi olası projeksiyonuna izin verir: m H küre = m l m in ,
nerede ben -
2 varsayarak manyetik kuantum sayısı ben+ 1 değerler (0, ± 1, ± 2, ..., ± ben, nerede ben-
yörünge kuantum sayısı). Çok elektronlu atomlarda, yörünge ve spin M. m, kuantum sayılarıyla belirlenir. L ve S toplam yörünge ve dönüş momentleri. Bu momentlerin eklenmesi, mekansal nicemleme kurallarına göre gerçekleştirilir. Bir elektronun dönüşü ve yörünge hareketi için manyetomekanik ilişkilerin eşitsizliği nedeniyle ( G cp ¹ G opb) atom kabuğunun ortaya çıkan M.m.'si, sonuçta ortaya çıkan mekanik momente paralel veya antiparalel olmayacaktır. J.
Bu nedenle, genellikle tam M'nin bileşeni düşünülür. m. Vektörün yönüne J eşittir nerede G J, elektron kabuğunun manyetomekanik oranıdır, J toplam açısal kuantum sayısıdır. M. m. spini olan bir protonun nerede M p- 1836.5 kat daha büyük olan protonun kütlesi m e, m zehiri, 1 / 1836.5m c'ye eşit bir nükleer magnetondur. Nötron ise yüksüz olduğu için manyetik malzemeye sahip olmamalıdır. Ancak deneyimler, protonun moleküler ağırlığının mp = 2.7927m zehir olduğunu ve nötron mn = -1.91315m'nin zehir olduğunu göstermiştir. Bunun nedeni, nükleonların etrafında, onların özel nükleer etkileşimlerini belirleyen (bkz. Nükleer kuvvetler, Mezonlar) ve elektromanyetik özelliklerini etkileyen mezon alanlarının varlığıdır. Karmaşık atom çekirdeklerinin toplam Mm'si, m zehirinin veya mp ve mn'nin katları değildir. Böylece, M. m. Potasyum çekirdeği Makroskopik cisimlerin manyetik durumunu karakterize etmek için, gövdeyi oluşturan tüm mikropartiküllerin ortaya çıkan manyetik alanının ortalama değeri hesaplanır. Bir cismin birim hacmi başına manyetizma, manyetizasyon olarak adlandırılır. Makro cisimler için, özellikle atomik manyetik düzene sahip cisimler (ferro-, ferri- ve antiferromanyetler) söz konusu olduğunda, ortalama atomik moleküler kütle kavramı, atom (iyon) başına moleküler kütlenin ortalama değeri olarak tanıtılır. moleküler kütle. vücutta. Manyetik düzene sahip maddelerde, bu ortalama atomik manyetik malzemeler, ferri- ve antiferromanyetlerdeki (mutlak sıfır sıcaklıkta) ferromanyetik cisimlerin veya manyetik alt kafeslerin kendiliğinden manyetizasyonunun atom sayısına - taşıyıcılara bölünmesinden bir bölüm olarak elde edilir. birim hacim başına manyetik malzeme. Genellikle bu ortalama atomik M. of M, izole edilmiş atomların M. of M.'sinden farklıdır; Bohr manyetonlarındaki değerlerinin m kesirli olduğu ortaya çıktı (örneğin, geçiş d-metalleri Fe, Co ve Ni, sırasıyla 2.218 m, 1.715 m ve 0.604 m) Bu fark bir değişiklikten kaynaklanmaktadır. izole atomlardaki harekete kıyasla bir kristaldeki d-elektronların (M. m. taşıyıcıları) hareketinde. Nadir toprak metalleri (lantanitler) ve ayrıca metalik olmayan ferro- veya ferrimanyetik bileşikler (örneğin, ferritler) söz konusu olduğunda, elektron kabuğunun bitmemiş d- veya f-katmanları (ana atomik) Katman yoktur (olduğu gibi). d-metaller) ve bu tür cisimlerin moleküler kütlesi, izole edilmiş atomlara kıyasla çok az değişir. Bir kristaldeki atomlar üzerindeki manyetik rezonansın doğrudan deneysel olarak belirlenmesi, manyetik nötron kırınımı, radyo spektroskopisi (NMR, EPR, FMR, vb.) ve Mössbauer etkisi yöntemlerinin uygulanmasının bir sonucu olarak mümkün olmuştur. Paramagnetler için, Curie yasası a veya Curie-Weiss yasası a ifadesinde yer alan deneysel olarak bulunan Curie sabiti aracılığıyla belirlenen ortalama atomik manyetik malzeme kavramını tanıtmak da mümkündür (bkz. Paramagnetism). Aydınlatılmış .: Tamm I.E., Elektrik teorisinin temelleri, 8. baskı, M., 1966; Landau L.D. ve Lifshits E.M., Sürekli ortamın elektrodinamiği, M., 1959; Dorfman Ya.G., Maddenin Manyetik Özellikleri ve Yapısı, M., 1955; Vonsovsky S.V., Mikropartiküllerin manyetizması, M., 1973. S.V. Vonsovsky. Büyük Sovyet Ansiklopedisi. - M.: Sovyet ansiklopedisi.
1969-1978
.
Diğer sözlüklerde "Manyetik moment" in ne olduğunu görün:
Boyut L2I Ölçü birimleri SI A⋅m2 ... Wikipedia
Magn'i karakterize eden ana değer. wa'daki özellikler. Manyetizmanın kaynağı (M. m.), Klasiklere göre. e-teori magn. fenomen, yavl. makro ve mikro (atomik) elektrik akımlar. Elem. manyetizma kaynağı kapalı bir akım olarak kabul edilir. Tecrübe ve klasikten. ... ... Fiziksel ansiklopedi
Büyük Ansiklopedik Sözlük
MANYETİK MOMENT, kalıcı bir mıknatısın veya akım taşıyan bobinin gücünü ölçer. Bir MANYETİK ALANdaki bir mıknatısa, bobine veya elektrik yüküne uygulanan maksimum dönme kuvvetinin (dönme momenti) alan kuvvetine bölümüdür. Ücretli ... ... Bilimsel ve teknik ansiklopedik sözlük
MANYETİK MOMENT- fiziksel cisimlerin ve madde parçacıklarının (elektronlar, nükleonlar, atomlar, vb.) manyetik özelliklerini karakterize eden bir miktar; manyetik moment ne kadar büyükse, vücut o kadar güçlüdür (bakınız); manyetik moment manyetik tarafından belirlenir (bkz.). Her elektrikten beri ... ... Büyük Politeknik Ansiklopedisi
- (Manyetik moment) belirli bir mıknatısın manyetik kütlesinin kutupları arasındaki mesafeyle çarpımı. Samoilov K.I. Denizcilik sözlüğü. M. L.: SSCB NKVMF Devlet Deniz Yayınevi, 1941 ... Deniz sözlüğü
manyetik an- Har ka magn. gövdelere sv, dönş. ifade etmek. ürün. büyüklük Kutuplar arasında belirli bir mesafede her kutupta şarj edin. Genel olarak metalurji konuları EN manyetik moment ... Teknik çevirmen kılavuzu
Bir manyetik alan kaynağı olarak maddeyi karakterize eden vektör miktarı. Makroskopik manyetik moment, kapalı elektrik akımları ve atomik parçacıkların düzenli olarak yönlendirilmiş manyetik momentleri tarafından yaratılır. Mikropartiküller yörüngeyi ayırt eder ... ansiklopedik sözlük
MANYETİK MOMENT- bir maddenin manyetik özelliklerini karakterize eden ana miktardır. Elektrik akımı, manyetizmanın temel kaynağı olarak kabul edilir. Akım kuvvetinin ürünü ve kapalı akım döngüsünün alanı tarafından belirlenen vektör, manyetik momenttir. Tarafından… … Paleomagnetoloji, petromagnetoloji ve jeoloji. Referans sözlüğü.
manyetik an- Elektromagnetinis momentum durumları T sritis Standartizacija ve metrologija apibrėžtis Vektorinis dydis, kurio vektorinė sandauga su vienalyčio magnetinio srauto tankiu yra lygi sukimo momentumu: m B = T; čia m - magnetinio momentum vektörü, B ... ... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas