Поради какво се формира магнитният момент. Магнитен момент

Всякакви вещества. Източникът на образуване на магнетизъм, според класическата електромагнитна теория, са микротоковете, възникващи от движението на електрон в орбита. Магнитният момент е незаменимо свойство на всички ядра, атомни електронни обвивки и молекули без изключение.

Магнетизмът, който е присъщ на всички елементарни частици, се дължи на наличието на механичен момент в тях, наречен спин (собствен механичен импулс с квантова природа). Магнитните свойства на атомното ядро ​​се формират от спиновите импулси на съставните части на ядрото - протони и неутрони. Електронните обвивки (вътрешноатомни орбити) също имат магнитен момент, който е сумата от магнитните моменти на електроните, разположени върху него.

С други думи, магнитните моменти на елементарните частици се дължат на вътрешноатомния квантов механичен ефект, известен като спинов момент. Този ефект е подобен на ъгловия момент на въртене около собствената му централна ос. Спиновият импулс се измерва в константата на Планк, основната константа на квантовата теория.

Всички неутрони, електрони и протони, от които всъщност се състои атомът, според Планк, имат спин, равен на ½. В структурата на атома електроните, въртящи се около ядрото, освен спинов момент имат и орбитален ъглов момент. Ядрото, въпреки че заема статично положение, също има ъглов момент, който се създава от ефекта на ядрения спин.

Магнитното поле, което атомният магнитен момент генерира, се определя от различните форми на този ъглов момент. Най-осезаем принос към творението има ефектът на въртене. Според принципа на Паули, според който два идентични електрона не могат да бъдат едновременно в едно и също квантово състояние, свързаните електрони се сливат, докато техните спинови моменти придобиват диаметрално противоположни проекции. В този случай магнитният момент на електрона се намалява, което намалява магнитните свойства на цялата структура. В някои елементи, които имат четен брой електрони, този момент намалява до нула и веществата престават да имат магнитни свойства. По този начин магнитният момент на отделните елементарни частици оказва пряко влияние върху магнитните свойства на цялата ядрено-атомна система.

Феромагнитните елементи с нечетен брой електрони винаги ще имат ненулев магнетизъм поради несдвоения електрон. В такива елементи съседните орбитали се припокриват и всички спинови моменти на несдвоени електрони заемат една и съща ориентация в пространството, което води до постигане на най-ниското енергийно състояние. Този процес се нарича обменно взаимодействие.

С това подреждане на магнитните моменти на феромагнитните атоми възниква магнитно поле. А парамагнитните елементи, състоящи се от атоми с дезориентирани магнитни моменти, нямат собствено магнитно поле. Но ако действате върху тях с външен източник на магнетизъм, тогава магнитните моменти на атомите ще се изравнят и тези елементи също ще придобият магнитни свойства.

Когато се постави във външно поле, веществото може да реагира на това поле и самото да стане източник на магнитно поле (да се магнетизира). Такива вещества се наричат магнити(сравнете с поведението на диелектриците в електрическо поле). Според магнитните свойства магнитите се делят на три основни групи: диамагнетици, парамагнетици и феромагнетици.

Различните вещества се магнетизират по различни начини. Магнитните свойства на материята се определят от магнитните свойства на електроните и атомите. Повечето от веществата са слабо магнетизирани - това са диамагнетици и парамагнетици. Някои вещества при нормални условия (при умерени температури) могат да се магнетизират много силно - това са феромагнетици.

Много атоми имат нетен магнитен момент, равен на нула. Веществата, изградени от такива атоми, са диамагетика.Те включват например азот, вода, мед, сребро, готварска сол NaCl, силициев диоксид Si0 2 . Веществата, при които резултантният магнитен момент на атома е различен от нула, принадлежат към парамагнетици.Примери за парамагнетици са: кислород, алуминий, платина.

По-нататък, като говорим за магнитни свойства, ще имаме предвид главно диамагнетици и парамагнетици, а свойствата на малка група феромагнетици понякога ще бъдат специално обсъждани.

Нека първо разгледаме поведението на електроните на материята в магнитно поле. Нека приемем за простота, че електронът се върти в атома около ядрото със скорост vпо орбита с радиус r. Такова движение, което се характеризира с орбитален ъглов момент, е по същество кръгов ток, който се характеризира съответно с орбитален магнитен момент.

обем r кълбо. Въз основа на периода на революция около обиколката T= - имаме това

произволна точка от орбитата, която електронът пресича за единица време -

веднъж. Следователно кръговият ток, равен на заряда, преминаващ през точката за единица време, се дава от израза

съответно орбитален магнитен момент на електронасъгласно формулата (22.3) е равно на

Освен орбитален ъглов момент, електронът има и свой ъглов момент, т.нар обратно. Спинът се описва от законите на квантовата физика и е присъщо свойство на електрона - като маса и заряд (вижте повече подробности в раздела квантова физика). Собственият ъглов момент съответства на собствения (спинов) магнитен момент на електрона r sp.

Ядрата на атомите също имат магнитен момент, но тези моменти са хиляди пъти по-малки от моментите на електроните и обикновено могат да бъдат пренебрегнати. В резултат на това общият магнитен момент на магнита R tе равна на векторната сума на орбиталните и спиновите магнитни моменти на електроните на магнита:

Външно магнитно поле действа върху ориентацията на частици от вещество, които имат магнитни моменти (и микротокове), в резултат на което веществото се магнетизира. Характерното за този процес е вектор на намагнитване J, равен на отношението на общия магнитен момент на частиците на магнита към обема на магнита AV:

Намагнитването се измерва в A/m.

Ако магнитът се постави във външно магнитно поле В 0, тогава в резултат

намагнитване, ще възникне вътрешно поле от микротокове B, така че полученото поле ще бъде равно на

Помислете за магнит под формата на цилиндър с основна площ Си височина/, поставени в еднородно външно магнитно поле с индукция На 0.Такова поле може да се създаде, например, с помощта на соленоид. Ориентацията на микротоковете във външното поле става подредена. В този случай полето на микротоковете на диамагнитите е насочено срещу външното поле, а полето на микротоковете на парамагнетиците съвпада по посока с външното поле.

Във всяка секция на цилиндъра подредеността на микротоковете води до следния ефект (фиг. 23.1). Подредените микротокове вътре в магнита се компенсират от съседни микротокове, а некомпенсираните повърхностни микротокове протичат по страничната повърхност.

Посоката на тези некомпенсирани микротокове е успоредна (или антипаралелна) на тока, протичащ в соленоида, създавайки външна нула. Като цяло, те Ориз. 23.1даде общия вътрешен ток Това повърхностен токсъздава вътрешно микротоково поле B vосвен това връзката между тока и полето може да се опише с формулата (22.21) за нулата на соленоида:

Тук магнитната проницаемост се приема равна на единица, тъй като ролята на средата се взема предвид чрез въвеждане на повърхностния ток; плътността на намотките на соленоида съответства на една за цялата дължина на соленоида /: n =един //. В този случай магнитният момент на повърхностния ток се определя от намагнитването на целия магнит:

От последните две формули, като се вземе предвид определението за намагнитване (23.4), следва

или във векторна форма

Тогава от формула (23.5) имаме

Опитът от изучаването на зависимостта на намагнитването от силата на външното поле показва, че обикновено полето може да се счита за слабо и в разширението в серията на Тейлър е достатъчно да се ограничим до линейния член:

където безразмерният коефициент на пропорционалност x - магнитна чувствителноствещества. Имайки това предвид, имаме

Сравнявайки последната формула за магнитна индукция с добре известната формула (22.1), получаваме връзката между магнитната пропускливост и магнитната чувствителност:

Имайте предвид, че стойностите на магнитната чувствителност за диамагнетици и парамагнетици са малки и обикновено са по модул 10 "-10 4 (за диамагнети) и 10 -8 - 10 3 (за парамагнетици). В този случай за диамагнетици х x > 0 и p > 1.

Известно е, че магнитното поле има ориентиращ ефект върху контура с ток, а контурът се върти около оста си. Това се случва, защото в магнитно поле върху рамката действа момент на сили, равен на:

Тук B е векторът на индукция на магнитното поле, е токът в рамката, S е неговата площ и a е ъгълът между силовите линии и перпендикуляра към равнината на рамката. Този израз включва произведението , което се нарича магнитен диполен момент или просто магнитен момент на рамката.Оказва се, че величината на магнитния момент напълно характеризира взаимодействието на рамката с магнитно поле. Две рамки, едната от които има голям ток и малка площ, а другата има голяма площ и малък ток, ще се държат в магнитно поле по същия начин, ако техните магнитни моменти са равни. Ако рамката е малка, тогава нейното взаимодействие с магнитното поле не зависи от нейната форма.

Удобно е магнитният момент да се разглежда като вектор, който е разположен на линия, перпендикулярна на равнината на рамката. Посоката на вектора (нагоре или надолу по тази линия) се определя от "правилото на гимлета": гимлетът трябва да бъде поставен перпендикулярно на равнината на рамката и да се завърти в посоката на тока на рамката - посоката на движение на gimlet ще покаже посоката на вектора на магнитния момент.

По този начин магнитният момент е вектор, перпендикулярен на равнината на рамката.

Сега нека визуализираме поведението на рамката в магнитно поле. Тя ще се стреми да се обърне така. така че неговият магнитен момент да е насочен по протежение на вектора на индукция на магнитното поле B. Малък контур с ток може да се използва като най-простото "измервателно устройство" за определяне на вектора на индукция на магнитното поле.

Магнитният момент е важно понятие във физиката. Атомите са изградени от ядра, около които се въртят електрони. Всеки електрон, движещ се около ядрото като заредена частица, създава ток, образувайки, така да се каже, микроскопична рамка с ток. Нека изчислим магнитния момент на един електрон, движещ се по кръгова орбита с радиус r.

Електрическият ток, т.е. количеството заряд, което се пренася от електрон в орбита за 1 s, е равно на заряда на електрона e, умножен по броя на оборотите, които прави:

Следователно големината на магнитния момент на електрона е:

Може да се изрази чрез големината на ъгловия импулс на електрона. Тогава стойността на магнитния момент на електрона, свързан с неговото орбитално движение, или, както се казва, стойността на орбиталния магнитен момент, е равна на:

Атомът е обект, който не може да бъде описан с помощта на класическата физика: за такива малки обекти се прилагат съвсем различни закони - законите на квантовата механика. Въпреки това полученият резултат за орбиталния магнитен момент на електрона се оказва същият като в квантовата механика.

В противен случай ситуацията е със собствения магнитен момент на електрона - спинът, който е свързан с въртенето му около оста си. За спина на електрона квантовата механика дава стойността на магнитния момент, който е 2 пъти по-голям от класическата физика:

и тази разлика между орбиталните и спиновите магнитни моменти не може да се обясни класически. Общият магнитен момент на атома се състои от орбиталните и спиновите магнитни моменти на всички електрони и тъй като те се различават с фактор 2, в израза за магнитния момент на атома се появява фактор, характеризиращ състоянието на атома :

По този начин атомът, подобно на обикновена верига с ток, има магнитен момент и в много отношения тяхното поведение е подобно. По-специално, както в случая на класическа рамка, поведението на атома в магнитно поле се определя напълно от големината на неговия магнитен момент. В това отношение концепцията за магнитен момент е много важна при обяснението на различни физически явления, които се случват с материята в магнитно поле.

В предишния параграф беше установено, че ефектът на магнитно поле върху плоска верига с ток се определя от магнитния момент на веригата, който е равен на произведението на силата на тока във веригата и площта на веригата (виж формула (118.1)).

Единицата за магнитен момент е амперметър на квадрат (). За да дадем представа за тази единица, посочваме, че при ток от 1 A, магнитен момент, равен на 1, има кръгъл контур с радиус 0,564 m () или квадратен контур със страна на квадрат, равен на 1 м. При ток от 10 А, магнитен момент 1 има кръгов радиус на контура 0,178 m ( ) и т.н.

Електрон, който се движи с висока скорост по кръгова орбита, е еквивалентен на кръгов ток, силата на който е равна на произведението на заряда на електрона и честотата на въртене на електрона по орбитата: . Ако радиусът на орбитата е , а скоростта на електрона е , тогава и, следователно, . Магнитният момент, съответстващ на този ток, е

.

Магнитният момент е векторна величина, насочена по нормалата към контура. От двете възможни посоки на нормалата се избира една, която е свързана с посоката на тока във веригата по правилото на десния винт (фиг. 211). Въртенето на десния винт с резба в същата посока като тока във веригата причинява надлъжно движение на винта в посока . Избраната по този начин норма се нарича положителна. Приема се, че посоката на вектора съвпада с посоката на положителната нормала.

Ориз. 211. Завъртането на главата на винта по посока на тока кара винта да се движи по посока на вектора

Сега можем да прецизираме дефиницията на посоката на магнитната индукция. За посока на магнитната индукция се приема посоката, в която се установява положителната нормала към веригата с ток под действието на полето, т.е. посоката, в която се установява векторът.

Единицата SI за магнитна индукция се нарича тесла (T) на името на сръбския учен Никола Тесла (1856-1943). Една тесла е равна на магнитната индукция на еднородно магнитно поле, в което плоска тоководеща верига с магнитен момент от един амперметър на квадрат е подложена на максимален въртящ момент от един нютонметър.

От формула (118.2) следва, че

119.1. Кръгов контур с радиус 5 cm, през който протича ток от 0,01 A, изпитва максимален въртящ момент, равен на N × m в еднородно магнитно поле. Каква е магнитната индукция на това поле?

119.2. Какъв въртящ момент действа върху същия контур, ако нормалата към контура образува ъгъл 30° с посоката на полето?

119.3. Намерете магнитния момент на тока, създаден от електрон, движещ се по кръгова орбита с радиус m със скорост m/s. Зарядът на електрона е Cl.

Наричат ​​се различни среди, когато се вземат предвид техните магнитни свойства магнити .

Всички вещества по един или друг начин взаимодействат с магнитно поле. Някои материали запазват своите магнитни свойства дори при липса на външно магнитно поле. Намагнитването на материалите възниква поради токовете, циркулиращи вътре в атомите - въртенето на електроните и тяхното движение в атома. Следователно намагнитването на дадено вещество трябва да се опише с помощта на реални атомни токове, наречени токове на Ампер.

При липса на външно магнитно поле, магнитните моменти на атомите на дадено вещество обикновено са произволно ориентирани, така че магнитните полета, които създават, се компенсират взаимно. Когато се прилага външно магнитно поле, атомите се стремят да ориентират своите магнитни моменти по посока на външното магнитно поле и тогава компенсацията на магнитните моменти се нарушава, тялото придобива магнитни свойства - то се магнетизира. Повечето тела са намагнетизирани много слабо и големината на индукцията на магнитното поле бв такива вещества се различава малко от големината на индукцията на магнитното поле във вакуум. Ако магнитното поле е слабо усилено в дадено вещество, тогава такова вещество се нарича парамагнитни :

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

ако отслабне, значи диамагнитни :

(Bi, Cu, Ag, Au и др.) .

Но има вещества, които имат силни магнитни свойства. Такива вещества се наричат феромагнетици :

(Fe, Co, Ni и др.).

Тези вещества са в състояние да запазят магнитни свойства дори при липса на външно магнитно поле, представляващи постоянни магнити.

Всички тела, когато са въведени във външно магнитно поле са намагнетизиранив една или друга степен, т.е. създават собствено магнитно поле, което се наслагва върху външно магнитно поле.

Магнитни свойства на материята се определят от магнитните свойства на електроните и атомите.

Магнетиците се състоят от атоми, които от своя страна се състоят от положителни ядра и, относително казано, електрони, въртящи се около тях.

Електрон, който се движи по орбита в атом, е еквивалентен на затворена верига с орбитален ток :

където де зарядът на електрона, ν е честотата на орбиталното му въртене:

Орбиталният ток съответства на орбитален магнитен момент електрон

,

(6.1.1)

където С е площта на орбитата, е единичният нормален вектор към С, е скоростта на електрона. Фигура 6.1 показва посоката на орбиталния магнитен момент на електрона.

Електронът, който се движи по орбита, има орбитален ъглов момент , което е насочено срещу и е свързано с него чрез отношението

където м е масата на електрона.

Освен това електронът има собствен ъглов момент, което се нарича завъртане на електрони

,

(6.1.4)

където , е константата на Планк

Спинът на електрона съответства на спинов магнитен момент електрон, насочен в обратна посока:

,

(6.1.5)

Стойността се нарича жиромагнитно съотношение на спиновите моменти