På grunn av hva det magnetiske momentet dannes. Magnetisk øyeblikk

Eventuelle stoffer. Kilden til dannelsen av magnetisme, ifølge den klassiske elektromagnetiske teorien, er mikrostrømmer som oppstår fra bevegelsen til et elektron i bane. Det magnetiske momentet er en uunnværlig egenskap for alle kjerner, atomelektronskjell og molekyler uten unntak.

Magnetisme, som er iboende i alle elementærpartikler, skyldes tilstedeværelsen av et mekanisk moment i dem, kalt spinn (sin egen mekaniske impuls av kvantenatur). De magnetiske egenskapene til atomkjernen består av spinnimpulsene til kjernens bestanddeler - protoner og nøytroner. Elektroniske skjell (intraatomiske baner) har også et magnetisk moment, som er summen av de magnetiske momentene til elektronene som befinner seg på den.

Med andre ord, de magnetiske momentene til elementærpartikler skyldes den intraatomære kvantemekaniske effekten, kjent som spinnmomentum. Denne effekten ligner på vinkelmomentet for rotasjon rundt sin egen sentrale akse. Spinnmomentum måles i Plancks konstant, kvanteteoriens grunnleggende konstant.

Alle nøytroner, elektroner og protoner, som faktisk atomet består av, ifølge Planck, har et spinn lik ½. I strukturen til et atom har elektroner, som roterer rundt kjernen, i tillegg til spinnmomentet, også en orbital vinkelmomentum. Kjernen, selv om den inntar en statisk posisjon, har også en vinkelmomentum, som skapes av effekten av kjernefysisk spinn.

Det magnetiske feltet som et atomisk magnetisk moment genererer, bestemmes av de forskjellige formene for dette vinkelmomentet. Det mest merkbare bidraget til skapelsen er laget av spin-effekten. I henhold til Pauli-prinsippet, ifølge hvilket to identiske elektroner ikke kan være samtidig i samme kvantetilstand, smelter bundne elektroner sammen, mens spinnmomenta deres får diametralt motsatte projeksjoner. I dette tilfellet reduseres det magnetiske momentet til elektronet, noe som reduserer de magnetiske egenskapene til hele strukturen. I noen grunnstoffer som har et jevnt antall elektroner, avtar dette momentet til null, og stoffene slutter å ha magnetiske egenskaper. Dermed har det magnetiske momentet til individuelle elementærpartikler en direkte innvirkning på de magnetiske egenskapene til hele kjerneatomsystemet.

Ferromagnetiske elementer med et oddetall elektroner vil alltid ha ikke-null magnetisme på grunn av det uparede elektronet. I slike elementer overlapper nærliggende orbitaler, og alle spinnmomentene til uparrede elektroner har samme orientering i rommet, noe som fører til oppnåelse av den laveste energitilstanden. Denne prosessen kalles utvekslingsinteraksjon.

Med denne innrettingen av de magnetiske momentene til ferromagnetiske atomer oppstår et magnetfelt. Og paramagnetiske elementer, bestående av atomer med desorienterte magnetiske momenter, har ikke sitt eget magnetfelt. Men hvis du handler på dem med en ekstern kilde til magnetisme, vil de magnetiske momentene til atomene jevne seg ut, og disse elementene vil også få magnetiske egenskaper.

Når det plasseres i et eksternt felt, kan et stoff reagere på dette feltet og selv bli en kilde til et magnetfelt (bli magnetisert). Slike stoffer kalles magneter(sammenlign med oppførselen til dielektrikum i et elektrisk felt). I henhold til deres magnetiske egenskaper er magneter delt inn i tre hovedgrupper: diamagneter, paramagneter og ferromagneter.

Ulike stoffer magnetiseres på forskjellige måter. Materiens magnetiske egenskaper bestemmes av de magnetiske egenskapene til elektroner og atomer. De fleste stoffene er svakt magnetiserte – dette er diamagneter og paramagneter. Noen stoffer under normale forhold (ved moderate temperaturer) er i stand til å magnetiseres veldig sterkt - dette er ferromagneter.

Mange atomer har et netto magnetisk moment lik null. Stoffer som består av slike atomer er diamagetikk. Disse inkluderer for eksempel nitrogen, vann, kobber, sølv, vanlig salt NaCl, silisiumdioksid Si0 2 . Stoffer, der det resulterende magnetiske momentet til atomet er forskjellig fra null, tilhører paramagneter. Eksempler på paramagneter er: oksygen, aluminium, platina.

I det følgende, når vi snakker om magnetiske egenskaper, vil vi hovedsakelig ha diamagneter og paramagneter i tankene, og egenskapene til en liten gruppe ferromagneter vil noen ganger bli spesielt diskutert.

La oss først vurdere oppførselen til materieelektroner i et magnetfelt. La oss for enkelhets skyld anta at elektronet roterer i atomet rundt kjernen med en hastighet v langs en bane med radius r. En slik bevegelse, som er preget av et banevinkelmoment, er i hovedsak en sirkulær strøm, som er karakterisert henholdsvis av et banemagnetisk moment.

volum r orb. Basert på revolusjonsperioden rundt omkretsen T= - det har vi

et vilkårlig punkt i banen elektronet per tidsenhet krysser -

en gang. Derfor er den sirkulære strømmen, lik ladningen som går gjennom punktet per tidsenhet, gitt av uttrykket

Henholdsvis orbitalt magnetisk moment til et elektron i henhold til formelen (22.3) er lik

I tillegg til det orbitale vinkelmomentet, har elektronet også sitt eget vinkelmomentum, kalt tilbake. Spinn er beskrevet av kvantefysikkens lover og er en iboende egenskap til et elektron - som masse og ladning (se flere detaljer i kvantefysikkdelen). Det indre vinkelmomentet tilsvarer det indre (spin) magnetiske momentet til elektronet r sp.

Atomkjernene har også et magnetisk moment, men disse momentene er tusenvis av ganger mindre enn momentene til elektroner, og de kan vanligvis neglisjeres. Som et resultat, det totale magnetiske momentet til magneten Rt er lik vektorsummen av orbital- og spinnmagnetiske momenter til elektronene til magneten:

Et eksternt magnetfelt virker på orienteringen til partikler av et stoff som har magnetiske momenter (og mikrostrømmer), som et resultat av at stoffet magnetiseres. Det karakteristiske ved denne prosessen er magnetiseringsvektor J, lik forholdet mellom det totale magnetiske momentet til partiklene til magneten og volumet til magneten AV:

Magnetisering måles i A/m.

Hvis en magnet er plassert i et eksternt magnetfelt В 0, så som et resultat

magnetisering vil det oppstå et indre felt av mikrostrømmer B, slik at det resulterende feltet blir lik

Tenk på en magnet i form av en sylinder med en grunnflate S og høyde /, plassert i et jevnt eksternt magnetfelt med induksjon På 0. Et slikt felt kan opprettes for eksempel ved hjelp av en solenoid. Orienteringen av mikrostrømmer i det ytre feltet blir ordnet. I dette tilfellet er feltet for mikrostrømmer til diamagneter rettet motsatt av det eksterne feltet, og feltet med mikrostrømmer til paramagneter faller sammen i retning med det eksterne feltet.

I hvilken som helst seksjon av sylinderen fører ordenen til mikrostrømmer til følgende effekt (fig. 23.1). Ordnede mikrostrømmer inne i magneten kompenseres av tilstøtende mikrostrømmer, og ukompenserte overflatemikrostrømmer flyter langs sideoverflaten.

Retningen til disse ukompenserte mikrostrømmene er parallell (eller antiparallell) med strømmen som flyter i solenoiden og skaper en ekstern null. Generelt sett, de Ris. 23.1 gi den totale interne strømmen Dette overflatestrøm skaper et internt mikrostrømfelt B v dessuten kan forbindelsen mellom strømmen og feltet beskrives med formelen (22.21) for nullpunktet til solenoiden:

Her tas den magnetiske permeabiliteten lik enhet, siden mediets rolle tas i betraktning ved å introdusere overflatestrømmen; tettheten av viklingssvingene til solenoiden tilsvarer en for hele lengden av solenoiden /: n = 1 //. I dette tilfellet bestemmes det magnetiske momentet til overflatestrømmen av magnetiseringen av hele magneten:

Fra de to siste formlene, tatt i betraktning definisjonen av magnetisering (23.4), følger det

eller i vektorform

Så fra formel (23.5) har vi

Erfaringen med å studere magnetiseringens avhengighet av styrken til det ytre feltet viser at vanligvis kan feltet betraktes som svakt, og i utvidelsen i Taylor-serien er det nok å begrense oss til det lineære begrepet:

hvor den dimensjonsløse proporsjonalitetskoeffisienten x - magnetisk følsomhet stoffer. Med dette i tankene har vi

Ved å sammenligne den siste formelen for magnetisk induksjon med den velkjente formelen (22.1), får vi forholdet mellom magnetisk permeabilitet og magnetisk susceptibilitet:

Merk at verdiene for den magnetiske følsomheten for diamagneter og paramagneter er små og er vanligvis modulo 10 "-10 4 (for diamagneter) og 10 -8 - 10 3 (for paramagneter). I dette tilfellet, for diamagneter. X x > 0 og p > 1.

Det er kjent at magnetfeltet har en orienterende effekt på sløyfen med strøm, og sløyfen roterer rundt sin akse. Dette skjer fordi i et magnetfelt virker et kreftmoment på rammen, lik:

Her er B magnetfeltinduksjonsvektoren, er strømmen i rammen, S er arealet og a er vinkelen mellom kraftlinjene og vinkelrett på rammeplanet. Dette uttrykket inkluderer produktet , som kalles det magnetiske dipolmomentet eller rett og slett det magnetiske momentet til rammen. Det viser seg at størrelsen på det magnetiske momentet fullstendig karakteriserer interaksjonen mellom rammen og et magnetfelt. To rammer, hvorav den ene har en stor strøm og et lite område, og den andre har et stort område og en liten strøm, vil oppføre seg i et magnetfelt på samme måte hvis deres magnetiske momenter er like. Hvis rammen er liten, er dens interaksjon med magnetfeltet ikke avhengig av formen.

Det er praktisk å betrakte det magnetiske momentet som en vektor, som er plassert på en linje vinkelrett på rammens plan. Retningen til vektoren (opp eller ned langs denne linjen) bestemmes av "regelen for gimlet": gimlet må plasseres vinkelrett på rammeplanet og roteres i retning av rammestrømmen - bevegelsesretningen til gimlet vil indikere retningen til den magnetiske momentvektoren.

Dermed er det magnetiske momentet en vektor vinkelrett på rammens plan.

La oss nå visualisere oppførselen til rammen i et magnetisk felt. Hun vil streve for å snu slik. slik at dets magnetiske moment rettes langs magnetfeltinduksjonsvektoren B. En liten sløyfe med strøm kan brukes som den enkleste "måleanordningen" for å bestemme magnetfeltinduksjonsvektoren.

Magnetisk øyeblikk er et viktig begrep i fysikk. Atomer er bygd opp av kjerner som elektroner kretser rundt. Hvert elektron som beveger seg rundt kjernen som en ladet partikkel, skaper en strøm, og danner så å si en mikroskopisk ramme med strøm. La oss beregne det magnetiske momentet til ett elektron som beveger seg i en sirkulær bane med radius r.

Elektrisk strøm, det vil si mengden ladning som overføres av et elektron i bane på 1 s, er lik ladningen til elektronet e, multiplisert med antall omdreininger det gjør:

Derfor er størrelsen på det magnetiske momentet til elektronet:

Det kan uttrykkes i form av størrelsen på vinkelmomentet til elektronet. Da er verdien av det magnetiske momentet til elektronet assosiert med dets orbitale bevegelse, eller, som de sier, verdien av det orbitale magnetiske momentet, lik:

Et atom er en gjenstand som ikke kan beskrives ved hjelp av klassisk fysikk: for slike små gjenstander gjelder helt andre lover – kvantemekanikkens lover. Likevel viser resultatet oppnådd for det orbitale magnetiske momentet til elektronet å være det samme som i kvantemekanikk.

Ellers er situasjonen med elektronets eget magnetiske moment - spinnet, som er forbundet med dets rotasjon rundt sin akse. For spinn av et elektron gir kvantemekanikk verdien av det magnetiske momentet, som er 2 ganger større enn klassisk fysikk:

og denne forskjellen mellom orbitale og spinnmagnetiske momenter kan ikke forklares klassisk. Det totale magnetiske momentet til et atom er bygd opp av de orbitale og spinnmagnetiske momentene til alle elektroner, og siden de er forskjellige med en faktor på 2, vises en faktor i uttrykket for det magnetiske momentet til atomet som karakteriserer atomets tilstand :

Dermed har et atom, som en vanlig sløyfe med strøm, et magnetisk moment, og i mange henseender er deres oppførsel lik. Spesielt, som i tilfellet med en klassisk ramme, er oppførselen til et atom i et magnetfelt fullstendig bestemt av størrelsen på dets magnetiske moment. I denne forbindelse er konseptet med et magnetisk øyeblikk veldig viktig for å forklare ulike fysiske fenomener som oppstår med materie i et magnetfelt.

I forrige avsnitt ble det funnet at effekten av et magnetisk felt på en flat krets med strøm bestemmes av det magnetiske momentet til kretsen, som er lik produktet av strømstyrken i kretsen og arealet av kretsen (se formel (118.1)).

Enheten for magnetisk moment er ampere-meter i kvadrat (). For å gi en idé om denne enheten, påpeker vi at med en strøm på 1 A, har et magnetisk moment lik 1 en sirkulær kontur med en radius på 0,564 m () eller en kvadratisk kontur med en side av en kvadrat lik 1 m. Ved en strøm på 10 A har et magnetisk moment 1 en sirkulær radiuskontur på 0,178 m ( ) etc.

Et elektron som beveger seg med høy hastighet i en sirkulær bane tilsvarer en sirkulær strøm, hvis styrke er lik produktet av elektronladningen og rotasjonsfrekvensen til elektronet langs banen: . Hvis radiusen til banen er , og hastigheten til elektronet er , så og derfor . Det magnetiske momentet som tilsvarer denne strømmen er

.

Det magnetiske momentet er en vektormengde rettet langs normalen til konturen. Av de to mulige retningene til normalen velges en som er relatert til retningen til strømmen i kretsen ved regelen til høyre skrue (fig. 211). Rotasjon av den høyregjengede skruen i samme retning som strømmen i kretsen forårsaker langsgående bevegelse av skruen i retning . Normalen valgt på denne måten kalles positiv. Retningen til vektoren antas å falle sammen med retningen til den positive normalen.

Ris. 211. Rotasjon av skruehodet i strømmens retning får skruen til å bevege seg i vektorens retning

Nå kan vi avgrense definisjonen av retningen til magnetisk induksjon. Retningen for magnetisk induksjon antas å være retningen der den positive normalen til kretsen med strøm etableres under påvirkning av feltet, dvs. retningen som vektoren etableres i.

SI-enheten for magnetisk induksjon kalles tesla (T) etter den serbiske forskeren Nikola Tesla (1856-1943). Én tesla er lik den magnetiske induksjonen av et jevnt magnetfelt der en flat strømførende krets med et magnetisk moment på én amperemeter i kvadrat blir utsatt for et maksimalt dreiemoment på én newtonmeter.

Av formel (118.2) følger det at

119.1. En sirkulær kontur med en radius på 5 cm, gjennom hvilken en strøm på 0,01 A flyter, opplever et maksimalt dreiemoment lik N × m i et jevnt magnetfelt. Hva er den magnetiske induksjonen til dette feltet?

119.2. Hvilket dreiemoment virker på den samme konturen hvis normalen til konturen danner en vinkel på 30° med feltets retning?

119.3. Finn det magnetiske momentet til strømmen som skapes av et elektron som beveger seg i en sirkulær bane med radius m med en hastighet på m/s. Ladningen til et elektron er Cl.

Ulike medier, når de vurderer deres magnetiske egenskaper, kalles magneter .

Alle stoffer samhandler på en eller annen måte med et magnetfelt. Noen materialer beholder sine magnetiske egenskaper selv i fravær av et eksternt magnetfelt. Magnetiseringen av materialer skjer på grunn av strømmene som sirkulerer inne i atomene - rotasjonen av elektroner og deres bevegelse i atomet. Derfor bør magnetiseringen av et stoff beskrives ved hjelp av ekte atomstrømmer, kalt Ampere-strømmer.

I fravær av et eksternt magnetfelt er de magnetiske momentene til atomene til et stoff vanligvis tilfeldig orientert, slik at magnetfeltene de skaper opphever hverandre. Når et eksternt magnetfelt påføres, har atomene en tendens til å orientere sine magnetiske momenter i retning av det eksterne magnetfeltet, og da brytes kompensasjonen av magnetiske momenter, kroppen får magnetiske egenskaper - den blir magnetisert. De fleste legemer magnetiseres veldig svakt og størrelsen på magnetfeltinduksjonen B i slike stoffer skiller seg lite fra størrelsen på magnetfeltinduksjonen i vakuum. Hvis magnetfeltet er svakt forsterket i et stoff, kalles et slikt stoff paramagnetisk :

( , , , , , Li, Na);

hvis det svekkes, så det diamagnetisk :

(Bi, Cu, Ag, Au, etc.) .

Men det finnes stoffer som har sterke magnetiske egenskaper. Slike stoffer kalles ferromagneter :

(Fe, Co, Ni, etc.).

Disse stoffene er i stand til å beholde magnetiske egenskaper selv i fravær av et eksternt magnetfelt, som representerer permanente magneter.

Alle legemer når de blir introdusert i et eksternt magnetfelt er magnetisert i en eller annen grad, dvs. skape sitt eget magnetfelt, som er lagt over et eksternt magnetfelt.

Magnetiske egenskaper til materie bestemmes av de magnetiske egenskapene til elektroner og atomer.

Magnetikk består av atomer, som igjen består av positive kjerner og relativt sett elektroner som kretser rundt dem.

Et elektron som beveger seg i en bane i et atom tilsvarer en lukket krets med orbital strøm :

Hvor e er elektronladningen, ν er frekvensen av dens orbitale rotasjon:

Orbitalstrømmen tilsvarer orbitalt magnetisk moment elektron

,

(6.1.1)

Hvor S er arealet av banen, er enheten normalvektoren til S, er elektronhastigheten. Figur 6.1 viser retningen til det orbitale magnetiske momentet til et elektron.

Et elektron som beveger seg i en bane har orbital vinkelmoment , som er rettet mot og er relatert til den av relasjonen

Hvor m er massen til elektronet.

I tillegg har elektronet eget vinkelmomentum, som kalles elektronspinn

,

(6.1.4)

Hvor , er Plancks konstant

Spinnet til et elektron tilsvarer spinn magnetisk moment elektron rettet i motsatt retning:

,

(6.1.5)

Verdien kalles gyromagnetisk forhold mellom spinnmomenter