Магнитный момент. Kvant

Различные среды при рассмотрении их магнитных свойств называют магнетиками .

Все вещества в той или иной мере взаимодействуют с магнитным полем. У некоторых материалов магнитные свойства сохраняются и в отсутствие внешнего магнитного поля. Намагничивание материалов происходит за счет токов, циркулирующих внутри атомов – вращения электронов и движения их в атоме. Поэтому намагничивание вещества следует описывать при помощи реальных атомных токов, называемых амперовскими токами.

В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов вещества ориентированы обычно беспорядочно, так что создаваемые ими магнитные поля компенсируют друг друга. При наложении внешнего магнитного поля атомы стремятся сориентироваться своими магнитными моментами по направлению внешнего магнитного поля, и тогда компенсация магнитных моментов нарушается, тело приобретает магнитные свойства – намагничивается. Большинство тел намагничивается очень слабо и величина индукции магнитного поля B в таких веществах мало отличается от величины индукции магнитного поля в вакууме . Если магнитное поле слабо усиливается в веществе, то такое вещество называется парамагнетиком :

( , , , , , , Li, Na);

если ослабевает, то это диамагнетик :

(Bi, Cu, Ag, Au и др.).

Но есть вещества, обладающие сильными магнитными свойствами. Такие вещества называются ферромагнетиками :

(Fe, Co, Ni и пр.).

Эти вещества способны сохранять магнитные свойства и в отсутствие внешнего магнитного поля, представляя собой постоянные магниты.

Все тела при внесении их во внешнее магнитное поле намагничиваются в той или иной степени, т.е. создают собственное магнитное поле, которое накладывается на внешнее магнитное поле.

Магнитные свойства вещества определяются магнитными свойствами электронов и атомов.

Магнетики состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из положительных ядер и, условно говоря, вращающихся вокруг них электронов.

Электрон, движущийся по орбите в атоме эквивалентен замкнутому контуру с орбитальным током :

где е – заряд электрона, ν – частота его вращения по орбите:

Орбитальному току соответствует орбитальный магнитный момент электрона

,

(6.1.1)

где S – площадь орбиты, – единичный вектор нормали к S , – скорость электрона. На рисунке 6.1 показано направление орбитального магнитного момента электрона.

Электрон, движущийся по орбите, имеет орбитальный момент импульса , который направлен противоположно по отношению к и связан с ним соотношением

где m – масса электрона.

Кроме того, электрон обладает собственным моментом импульса , который называется спином электрона

,

(6.1.4)

где , – постоянная Планка

Спину электрона соответствует спиновый магнитный момент электрона , направленный в противоположную сторону:

,

(6.1.5)

Величину называют гиромагнитным отношением спиновых моментов

Можно доказать, что вращающий момент М, действующий на контур с током I в однородном поле, прямо пропорционален площади обтекаемой током, силе тока и индукции магнитного поля В. Кроме того, вращающий момент М зависит от положения контура относительно поля. Максимальный вращающий момент Миакс получается, когда плоскость контура параллельна линиям магнитной индукции (рис. 22.17), и выражается формулой

(Докажите это, используя формулу (22.6а) и рис. 22.17.) Если обозначить то получим

Величину , характеризующую магнитные свойства контура с током, которые определяют его поведение во внешнем магнитном поле, называют магнитным моментом этого контура. Магнитный момент контура измеряется произведением силы тока в нем на площадь, обтекаемую током:

Магнитный момент есть вектор, направление которого определяется правилом правого винта: если винт поворачивать по направлению тока в контуре, то поступательное движение винта покажет направление вектора (рис. 22.18, а). Зависимость вращающего момента М от ориентации контура выражается формулой

где а - угол между векторами и В. Из рис. 22.18, б видно, Что равновесие контура в магнитном поле возможно тогда, когда векторы В и Рмаг направлены по одной прямой. (Подумайте, в каком случае это равновесие будет устойчивым.)

МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ - физ. величина, характеризующая магн. свойства системы заряж. частиц (или отд. частицы) и определяющая наряду с др. мультипольными моментами (дипольным электрич. моментом, квадрупольным моментом и т. д., см. Мулътиполи )взаимодействие системы с внеш. эл--магн. полями и с др. подобными системами.

Согласно представлениям классич. электродинамики, магн. поле создаётся движущимися электрич. зарядами. Хотя совр. теория не отвергает (и даже предсказывает) существование частиц с магн. зарядом (магнитных монополей) , такие частицы пока экспериментально не наблюдались и в обычном веществе отсутствуют. Поэтому элементарной характеристикой магн. свойств оказывается именно М. м. Система, обладающая М. м. (аксиальный вектор), на больших расстояниях от системы создаёт магн. поле

(- радиус-вектор точки наблюдения). Аналогичный вид имеет электрич. поле диполя, состоящего из двух близко расположенных электрич. зарядов противоположного знака. Однако, в отличие от электрич. дипольного момента. М. м. создаётся не системой точечных "магн. зарядов", а электрич. токами, текущими внутри системы. Если замкнутый электрич. ток плотности течёт в ограниченном объёме V , то создаваемый им М. м. определяется ф-лой

В простейшем случае замкнутого кругового тока I , текущего вдоль плоского витка площади s, , причём вектор М. м. направлен вдоль правой нормали к витку.

Если ток создаётся стационарным движением точечных электрич. зарядов с массами , имеющими скорости , то возникающий М. м., как следует из ф-лы (1), имеет вид

где подразумевается усреднение микроскопич. величин по времени. Поскольку стоящее в правой части векторное произведение пропорционально вектору момента кол-ва движения частицы (предполагается, что скорости ), то вклады отд. частиц в М. м. и в момент кол-ва движения оказываются пропорциональными:

Коэффициент пропорциональности е/2тс наз. гиромагнитным отношением; эта величина характеризует универсальную связь между магн. и механич. свойствами заряж. частиц в классич. электродинамике. Однако движение элементарных носителей заряда в веществе (электронов) подчиняется законам квантовой механики, вносящей коррективы в классич. картину. Помимо орбитального механич. момента кол-ва движения L электрон обладает внутренним механич. моментом - спином . Полный М. м. электрона равен сумме орбитального М. м. (2) и спинового М. м.

Как видно из этой ф-лы (вытекающей из релятивистского Дирака уравнения для электрона), гиромагн. отношение для спина оказывается ровно в два раза больше, чем для орбитального момента. Особенностью квантового представления о магн. и механич. моментах является также то, что векторы не могут иметь определённого направления в пространстве вследствие некоммутативности операторов проекции этих векторов на оси координат.

Спиновый М. м. заряж. частицы, определяемый ф-лой (3), наз. нормальным, для электрона он равен магнетону Бора. Опыт показывает, однако, что М. м. электрона отличается от (3) на величину порядка ( - постоянная тонкой структуры). Подобная добавка, называемая аномальным магнитным моментом , возникает вследствие взаимодействия электрона с фотонами, она описывается в рамках квантовой электродинамики. Аномальными М. м. обладают и др. элементарные частицы; особенно велики они для адронов, к-рые, согласно совр. представлениям, имеют внутр. структуру. Так, аномальный М. м. протона в 2,79 раза больше "нормального" - ядерного магнетона, (М - масса протона), а М. м. нейтрона равен -1,91, т. е. существенно отличен от нуля, хотя нейтрон не обладает электрич. зарядом. Такие большие аномальные М. м. адронов обусловлены внутр. движением входящих в их состав заряж. кварков.

Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теория поля, 7 изд., М., 1988; Xуанг К., Кварки, лептоны и калибровочные поля, пер. с англ., М., 1985. Д. В. Гилъцов .

Известно, что магнитное поле оказывает ориентирующее действие на рамку с током, и рамка поворачивается вокруг своей оси. Происходит это потому, что в магнитном поле на рамку действует момент сил, равный:

Здесь В - вектор индукции магнитного поля, - ток в рамке, S - ее площадь и а - угол между силовыми линиями и перпендикуляром к плоскости рамки. В это выражение входит произведение , которое называют магнитным дипольным моментом или просто магнитным моментом рамки Оказывается, величина магнитного момента полностью характеризует взаимодействие рамки с магнитным полем. Две рамки, у одной из которых большой ток и малая площадь, а у другой - большая площадь и малый ток, будут вести себя в магнитном поле одинаково, если их магнитные моменты равны. Если рамка маленькая, то ее взаимодействие с магнитным полем не зависит от ее формы.

Удобно считать магнитный момент вектором, который расположен на линии, перпендикулярной плоскости рамки. Направление вектора (вверх или вниз вдоль этой линии) определяется «правилом буравчика»: буравчик нужно расположить перпендикулярно плоскости рамки и вращать по направлению тока рамки - направление движения буравчика укажет направление вектора магнитного момента.

Таким образом, магнитный момент - это вектор , перпендикулярный плоскости рамки.

Теперь наглядно представим поведение рамки в магнитном поле. Она будет стремиться развернуться так. чтобы ее магнитный момент был направлен вдоль вектора индукции магнитного поля В. Маленькую рамку с током можно использовать в качестве простейшего «измерительного прибора» для определения вектора индукции магнитного поля.

Магнитный момент - важное понятие в физике. В состав атомов входят ядра, вокруг которых вращаются электроны. Каждый движущийся вокруг ядра электрон как заряженная частица создает ток, образуя как бы микроскопическую рамку с током. Вычислим магнитный момент одного электрона, движущегося по круговой орбите радиуса г.

Электрический ток, т. е. величина заряда, которая переносится электроном на орбите за 1 с, равна заряду электрона е, помноженному на число совершаемых им оборотов :

Следовательно, величина магнитного момента электрона равна:

Можно выразить через величину момента импульса электрона . Тогда величина магнитного момента электрона, связанная с его движением по орбите, или, как говорят, величина орбитального магнитного момента, равна:

Атом - это объект, который нельзя описать с помощью классической физики: для таких малых объектов действуют совершенно иные законы - законы квантовой механики. Тем не менее результат, полученный для орбитального магнитного момента электрона, оказывается таким же, как и в квантовой механике.

Иначе дело обстоит с собственным магнитным моментом электрона - спином, который связан с его вращением вокруг своей оси. Для спина электрона квантовая механика дает величину магнитного момента, в 2 раза большую, чем классическая физика:

и это различие между орбитальным и спиновым магнитными моментами невозможно объяснить с классической точки зрения. Полный магнитный момент атома складывается из орбитальных и спиновых магнитных моментов всех электронов, а поскольку они отличаются в 2 раза, то в выражении для магнитного момента атома появляется множитель , характеризующий состояние атома:

Таким образом, атом, как и обычная рамка с током, обладает магнитным моментом, и во многом их поведение сходно. В частности, как и в случае классической рамки, поведение атома в магнитном поле полностью определяется величиной его магнитного момента. В связи с этим понятие магнитного момента очень важно при объяснении различных физических явлений, происходящих с веществом в магнитном поле.

При помещении во внешнее поле вещество может реагировать на это поле и само становиться источником магнитного поля (намагничиваться). Такие вещества называют магнетиками (сравните с поведением диэлектриков в электрическом поле). По магнитным свойствам магнетики разделяются на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Разные вещества намагничиваются по-разному. Магнитные свойства вещества определяются магнитными свойствами электронов и атомов. Большая часть веществ намагничивается слабо - это диамагнетики и парамагнетики. Некоторые вещества в обычных условиях (при умеренных температурах) способны намагничиваться очень сильно - это ферромагнетики.

У многих атомов результирующий магнитный момент равен нулю. Вещества, состоящие из таких атомов, и являются диамагиетиками. К ним, например, относятся азот, вода, медь, серебро, поваренная соль NaCl, диоксид кремния Si0 2 . Вещества же, у которых результирующий магнитный момент атома отличен от нуля, относятся к парамагнетикам. Примерами парамагнетиков являются: кислород, алюминий, платина.

В дальнейшем, говоря о магнитных свойствах, будем иметь в виду в основном диамагнетики и парамагнетики, а свойства небольшой группы ферромагнетиков иногда будем оговаривать особо.

Рассмотрим сначала поведение электронов вещества в магнитном поле. Будем считать для простоты, что электрон вращается в атоме вокруг ядра со скоростью v по орбите радиуса г. Такое движение, которое характеризуется орбитальным моментом импульса, по сути является круговым током, который характеризуется соответственно орбитальным магнитным момен-

том р орб. Исходя из периода обращения по окружности Т = - имеем, что

произвольную точку орбиты электрон в единицу времени пересекает -

раз. Поэтому круговой ток, равный прошедшему через точку в единицу времени заряду, дается выражением

Соответственно, орбитальный магнитный момент электрона по формуле (22.3) равен

Помимо орбитального момента импульса электрон имеет также собственный момент импульса, называемый спином . Спин описывается законами квантовой физики и является неотъемлемым свойством электрона - как масса и заряд (см. подробнее в разделе квантовой физики). Собственному моменту импульса соответствует собственный (спиновый) магнитный момент электрона р сп.

Магнитным моментом обладают и ядра атомов, однако эти моменты в тысячи раз меньше моментов электронов, и ими можно обычно пренебречь. В результате суммарный магнитный момент магнетика Р т равен векторной сумме орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов магнетика:

Внешнее магнитное поле действует на ориентацию частиц вещества, имеющих магнитные моменты (и микротоков), в результате чего вещество намагничивается. Характеристикой этого процесса является вектор намагниченности J , равный отношению суммарного магнитного момента частиц магнетика к объему магнетика AV :

Намагниченность измеряется в А/м.

Если магнетик поместить во внешнее магнитное полеВ 0 , то в результате

намагничивания возникнет внутреннее поле микротоков В, так что результирующее поле будет равным

Рассмотрим магнетик в виде цилиндра с основанием площадью S и высотой /, помещенный в однородное внешнее магнитное ноле с индукцией В 0 . Такое поле может быть создано, например, с помощью соленоида. Ориентация микротоков во внешнем ноле становится упорядоченной. При этом поле микротоков диамагнетиков направлено противоположно внешнему нолю, а иоле микротоков парамагнетиков совпадает по направлению с внешним

В любом сечении цилиндра упорядоченность микротоков приводит к следующему эффекту (рис. 23.1). Упорядоченные микротоки внутри магнетика компенсируются соседними микротоками, а вдоль боковой поверхности текут нескомпенсированные поверхностные микротоки.

Направление этих нескомпенсированных микротоков параллельно (или антипараллельно) току, текущему в соленоиде, создающем внешнее ноле. В целом же они Рис. 23.1 дают суммарный внутренний ток Этот поверхностный ток создает внутреннее иоле микротоков B v причем связь тока и поля может быть описана формулой (22.21) для ноля соленоида:

Здесь магнитная проницаемость принята равной единице, поскольку роль среды учтена введением поверхностного тока; плотность намотки витков соленоида соответствует одному на всю длину соленоида /: п = 1 //. При этом магнитный момент поверхностного тока определяется намагниченностью всего магнетика:

Из двух последних формул с учетом определения намагниченности (23.4) следует

или в векторном виде

Тогда из формулы (23.5) имеем

Опыт исследования зависимости намагниченности от напряженности внешнего поля показывает, что обычно поле можно считать несильным и в разложении в ряд Тейлора достаточно ограничиться линейным членом:

где безразмерный коэффициент пропорциональности х - магнитная восприимчивость вещества. С учетом этого имеем

Сравнивая последнюю формулу для магнитной индукции с известной формулой (22.1), получим связь магнитной проницаемости и магнитной восприимчивости:

Отметим, что значения магнитной восприимчивости для диамагнетиков и парамагнетиков малы и составляют обычно по модулю 10 "-10 4 (для диамагнетиков) и 10 -8 - 10 3 (для парамагнетиков). При этом для диамагнетиков х х > 0 и р > 1.