Il momento magnetico della bobina. Definizione. Formula. Un'esperienza. Momento magnetico - una proprietà fondamentale delle particelle elementari Momento magnetico di un frame con unità di misura correnti
COPPIA MAGNETICA- fisico. quantità che caratterizza il magnetico. proprietà del sistema di carica. particelle (o singole particelle) e determinando, insieme ad altri momenti multipolari (momento di dipolo elettrico, momento di quadrupolo, ecc., cfr. Multipoli) l'interazione del sistema con l'esterno. el-magn. campi e altri sistemi simili.
Secondo le idee del classico elettrodinamica, magnete. il campo è creato muovendo elettrico. addebiti. Sebbene moderno la teoria non rifiuta (e persino predice) l'esistenza di particelle con magnetico. carica ( monopoli magnetici), tali particelle non sono state ancora osservate sperimentalmente e sono assenti nella materia ordinaria. Pertanto, la caratteristica elementare del magnete. le proprietà risulta essere esattamente il M. m. Un sistema che ha un M. m. (vettore assiale) crea un campo magnetico a grandi distanze dal sistema. campo
(- vettore raggio del punto di osservazione). Una vista simile ha un elettrico. campo dipolare, costituito da due elettrici ravvicinati. accuse di segno opposto. Tuttavia, a differenza dell'elettrico momento di dipolo. M. m. è creato non da un sistema di "cariche magnetiche" puntiformi, ma da elettriche. correnti che scorrono all'interno del sistema. Se un elettrico chiuso la corrente di densità scorre in un volume limitato v, quindi la M. m. da lui creata è determinata dal f-loy
Nel caso più semplice di una corrente circolare chiusa io, che scorre lungo una spira piatta di area s, , e il vettore di M. m. è diretto lungo la normale destra alla spira.
Se la corrente è creata dal movimento stazionario del punto elettrico. cariche con masse aventi velocità , allora il risultante M. m., come segue da f-ly (1), ha la forma
dove si intende la media microscopica. valori nel tempo. Poiché il prodotto vettore sul lato destro è proporzionale al vettore quantità di moto della quantità di moto della particella 
(si presume che le velocità ), quindi i contributi del dep. particelle in M. m. e al momento del numero di movimenti sono proporzionali:
Fattore di proporzionalità e/2ts chiamato rapporto giromagnetico; questo valore caratterizza la connessione universale tra il magnetico. e meccanico proprietà di carica. particelle nel classico elettrodinamica. Tuttavia, il movimento dei portatori di carica elementari nella materia (elettroni) obbedisce alle leggi della meccanica quantistica, che apporta modifiche alla classica. immagine. Oltre alla meccanica orbitale momento di movimento l l'elettrone ha una meccanica interna. momento - Indietro. Il campo magnetico totale di un elettrone è uguale alla somma del campo magnetico orbitale (2) e del campo magnetico di spin.
Come si può vedere da questa formula (seguendo il relativistico Equazioni di Dirac per un elettrone), giromagnete. il rapporto per lo spin risulta essere esattamente il doppio di quello per la quantità di moto orbitale. Una caratteristica del concetto quantistico di magnete. e meccanico momenti è anche il fatto che i vettori non possono avere una direzione definita nello spazio a causa della non commutatività degli operatori di proiezione di questi vettori sugli assi delle coordinate.
Spin M. m. carica. particelle definite f-loy (3), chiamate. normale, per un elettrone lo è magnete Bora. L'esperienza mostra, tuttavia, che il M. m. di un elettrone 
differisce da (3) di un ordine di grandezza ( è la costante di struttura fine). Un supplemento simile chiamato momento magnetico anomalo, nasce a causa dell'interazione di un elettrone con i fotoni, è descritto nel quadro dell'elettrodinamica quantistica. Anche altre particelle elementari hanno proprietà magnetiche anomale; sono particolarmente grandi per gli adroni, per la segale, secondo il moderno. rappresentazioni, hanno vnutr. struttura. Pertanto, l'anomalo M. m. del protone è 2,79 volte maggiore di quello "normale" - il magnetone nucleare, ( M- la massa del protone), e il M. m. del neutrone è pari a -1,91, cioè è significativamente diverso da zero, sebbene il neutrone non abbia energia elettrica. carica. Tali grandi adroni M. m. anomali a causa di interni. il movimento delle loro cariche costitutive. quark.
Lett.: Landau L. D., Lifshits E. M., Field Theory, 7a ed., M., 1988; Huang K., Quark, leptoni e campi di gauge, trad. dall'inglese, M., 1985. D.V. Giltsov.
Momento magnetico la grandezza principale che caratterizza le proprietà magnetiche di una sostanza. La fonte del magnetismo, secondo la teoria classica dei fenomeni elettromagnetici, sono le macro e le microcorrenti elettriche. Una sorgente elementare di magnetismo è considerata una corrente chiusa. Dall'esperienza e dalla teoria classica del campo elettromagnetico, ne consegue che le azioni magnetiche di una corrente chiusa (circuito con corrente) sono determinate se il prodotto è noto ( M) forza attuale io all'area del contorno σ ( M = ioσ /c nel sistema di unità CGS (vedi sistema di unità CGS), Insieme a -
velocità della luce). Vettore M ed è, per definizione, M. m. Può anche essere scritto in una forma diversa: M = m l, dove m- la carica magnetica equivalente del circuito, e l- la distanza tra le "cariche" di segni opposti (+ e -
). M. m. ha particelle elementari, nuclei atomici, gusci di elettroni di atomi e molecole. La massa meccanica delle particelle elementari (elettroni, protoni, neutroni e altri), come mostrato dalla meccanica quantistica, è dovuta all'esistenza del loro momento meccanico - Spin a. Le masse nucleari sono composte dalle masse intrinseche (spin) dei protoni e dei neutroni che formano questi nuclei, nonché dalle masse associate al loro movimento orbitale all'interno del nucleo. Le masse molecolari dei gusci di elettroni di atomi e molecole sono costituite da spin e da masse molecolari orbitali di elettroni. Il momento magnetico di spin di un elettrone m cn può avere due proiezioni uguali e opposte sulla direzione del campo magnetico esterno N. Il valore assoluto della proiezione dove μ in \u003d (9,274096 ± 0,000065) 10 -21 erg/gs - Magnetone al boro, h -
Costante di Planck , e e m e - la carica e la massa dell'elettrone, Insieme a- la velocità della luce; SH- proiezione del momento meccanico di rotazione sulla direzione del campo H. Il valore assoluto di spin M. m. dove S= 1 / 2 - numero quantico di spin (vedi numeri quantici). Il rapporto tra lo spin M. m. e il momento meccanico (indietro) dalla rotazione Studi sugli spettri atomici hanno dimostrato che m H cn in realtà non è uguale a m in, ma m in (1 + 0,0116). Ciò è dovuto all'azione sull'elettrone delle cosiddette oscillazioni di punto zero del campo elettromagnetico (vedi Elettrodinamica quantistica, Correzioni radiative).
L'orbitale M. m di una sfera di elettroni è correlata alla sfera del momento orbitale meccanico dalla relazione g opb = |m globo | / | globo | = | e|/2m e c, cioè il rapporto magnetomeccanico g opb è due volte inferiore a g cn. La meccanica quantistica consente solo una serie discreta di possibili proiezioni m orb sulla direzione del campo esterno (la cosiddetta quantizzazione spaziale): m H orb = m l m in ,
dove m l -
numero quantico magnetico prendendo 2 l+ 1 valori (0, ±1, ±2,..., ± l, dove l-
numero quantico orbitale). Negli atomi multielettronici, i magnetismi orbitali e di spin sono determinati dai numeri quantici l e S momenti orbitali e di spin totali. L'addizione di questi momenti avviene secondo le regole della quantizzazione spaziale. A causa della disuguaglianza delle relazioni magnetomeccaniche per lo spin dell'elettrone e il suo moto orbitale ( g cn ¹ g opb) il risultante M. m. del guscio atomico non sarà parallelo o antiparallelo al suo momento meccanico risultante J.
Pertanto, si considera spesso la componente del totale M. m nella direzione del vettore J uguale a dove g J è il rapporto magnetomeccanico del guscio di elettroni, Jè il numero quantico angolare totale. M. m. di un protone il cui spin è dove Mpè la massa del protone, che è 1836,5 volte maggiore m e, m veleno - magnetone nucleare pari a 1/1836,5 m c. Il neutrone, invece, non dovrebbe avere MM, poiché è privo di carica. Tuttavia, l'esperienza ha dimostrato che il MM del protone m p = 2,7927 m è veleno e quello del neutrone m n = -1,91315 m è veleno. Ciò è dovuto alla presenza di campi mesonici vicino ai nucleoni, che determinano le loro specifiche interazioni nucleari (vedi Forze nucleari, Mesoni) e ne influenzano le proprietà elettromagnetiche. I M. m totali dei nuclei atomici complessi non sono multipli di m veleno o m p e m n. Pertanto, M. m. nuclei di potassio Per caratterizzare lo stato magnetico dei corpi macroscopici, viene calcolato il valore medio della forza magnetica risultante di tutte le microparticelle che formano il corpo. Riferito a un'unità di volume di un corpo, il campo magnetico è chiamato magnetizzazione. Per i macrocorpi, specialmente nel caso di corpi con ordinamento magnetico atomico (ferro, ferri e antiferromagneti), viene introdotto il concetto di M. m atomico medio come valore medio di M. m. per un atomo (ione) - il portatore di M. m. in corpo. Nelle sostanze di ordine magnetico, queste masse molecolari atomiche medie si ottengono come quoziente della divisione della magnetizzazione spontanea di corpi ferromagnetici o sottoreticoli magnetici in ferri- e antiferromagneti (a temperatura zero assoluta) per il numero di atomi che portano il massa per unità di volume. Solitamente questi pesi molecolari atomici medi differiscono dai pesi molecolari degli atomi isolati; i loro valori in magnetoni di Bohr m risultano essere frazionari (ad esempio, nei metalli d di transizione Fe, Co e Ni, rispettivamente, 2,218 m, 1,715 m e 0,604 m). cambiamento nel movimento degli elettroni d (portatori di M. m.) in un cristallo rispetto al movimento negli atomi isolati. Nel caso dei metalli delle terre rare (lantanidi), nonché dei composti ferromagnetici o ferrimagnetici non metallici (ad esempio le ferriti), gli strati d o f non finiti del guscio di elettroni (i principali vettori atomici di M. m.) di ioni vicini nel cristallo si sovrappongono debolmente, quindi, una notevole collettivizzazione di questi non ci sono strati (come nei d-metalli) e le masse molecolari di tali corpi cambiano poco rispetto agli atomi isolati. La determinazione sperimentale diretta di MM sugli atomi in un cristallo è diventata possibile grazie all'uso della diffrazione magnetica dei neutroni, della spettroscopia radio (NMR, EPR, FMR, ecc.) e dell'effetto Mössbauer. Per i paramagneti è anche possibile introdurre il concetto di magnetismo atomico medio, che è determinato attraverso la costante di Curie trovata sperimentalmente, che è inclusa nell'espressione per la legge di Curie a o la legge di Curie-Weiss a (vedi Paramagnetismo). Illuminato.: Tamm I. E., Fondamenti della teoria dell'elettricità, 8a ed., M., 1966; Landau L. D. e Lifshitz E. M., Elettrodinamica dei mezzi continui, Mosca, 1959; Dorfman Ya. G., Proprietà magnetiche e struttura della materia, Mosca, 1955; Vonsovsky S.V., Magnetismo delle microparticelle, M., 1973. S.V. Vonsovsky. Grande enciclopedia sovietica. - M.: Enciclopedia sovietica.
1969-1978
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Guarda cos'è il "momento magnetico" in altri dizionari:
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Grande dizionario enciclopedico
MOMENTO MAGNETICO, misura della forza di un magnete permanente o di una bobina che trasporta corrente. Questa è la forza di rotazione massima (coppia) applicata a un magnete, una bobina o una carica elettrica in un CAMPO MAGNETICO divisa per l'intensità del campo. Addebitato... ... Dizionario enciclopedico scientifico e tecnico
COPPIA MAGNETICA- fisico. un valore che caratterizza le proprietà magnetiche dei corpi e delle particelle di materia (elettroni, nucleoni, atomi, ecc.); maggiore è il momento magnetico, più forte (vedi) il corpo; il momento magnetico determina il magnetico (vedi). Dal momento che qualsiasi elettrico ... ... Grande Enciclopedia del Politecnico
- (Momento magnetico) il prodotto della massa magnetica di un dato magnete per la distanza tra i suoi poli. Dizionario Samoilov KI Marine. M. L.: Casa editrice navale statale dell'NKVMF dell'URSS, 1941 ... Dizionario marino
momento magnetico- Har ka magn. sv nel corpo, arb. esp. Prodotto magn. carica ad ogni polo per una distanza tra i poli. Argomenti metallurgia in generale EN momento magnetico … Manuale tecnico del traduttore
Una quantità vettoriale che caratterizza una sostanza come sorgente di un campo magnetico. Il momento magnetico macroscopico è creato da correnti elettriche chiuse e momenti magnetici ordinatamente orientati di particelle atomiche. Le microparticelle hanno orbitale ... dizionario enciclopedico
COPPIA MAGNETICA- è la principale grandezza che caratterizza le proprietà magnetiche della sostanza. Una fonte elementare di magnetismo è una corrente elettrica. Il vettore, che è determinato dal prodotto della forza della corrente e dell'area del circuito di corrente chiuso, è il momento magnetico. Di… … Paleomagnetologia, petromagnetologia e geologia. Riferimento del dizionario.
momento magnetico- elektromagnetinis momentas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Vektorinis dydis, kurio vektorinė sandauga su vienalyčio magnetinio srauto tankiu yra lygi sukimo momentui: m B = T; čia m - magnetinio momento vectorius, B ... ... Penkiakalbis aiskinamasis metrologijos terminų žodynas
Il momento magnetico di una bobina con corrente è una grandezza fisica che, come ogni altro momento magnetico, caratterizza le proprietà magnetiche di un dato sistema. Nel nostro caso, il sistema è rappresentato da un anello circolare con corrente. Questa corrente crea un campo magnetico che interagisce con un campo magnetico esterno. Può essere sia il campo terrestre, sia il campo di una costante o di un elettromagnete.
Immagine— 1 giro circolare con corrente
Una bobina circolare con corrente può essere rappresentata come un magnete corto. Inoltre, questo magnete sarà diretto perpendicolarmente al piano della bobina. La posizione dei poli di un tale magnete è determinata utilizzando la regola del succhiello. Secondo il quale il più nord sarà dietro il piano della bobina se la corrente al suo interno si muove in senso orario.
Immagine— 2 Magnete a barra immaginaria sull'asse della bobina
Questo magnete, cioè la nostra bobina circolare con corrente, come qualsiasi altro magnete, sarà influenzato da un campo magnetico esterno. Se questo campo è uniforme, si verificherà una coppia che tenderà a far girare la bobina. Il campo ruoterà la bobina in modo che il suo asse si trovi lungo il campo. In questo caso le linee di forza della bobina stessa, come un piccolo magnete, devono coincidere in direzione con il campo esterno.
Se il campo esterno non è uniforme, alla coppia verrà aggiunto il movimento di traslazione. Questo movimento sorgerà a causa del fatto che le aree del campo con un'induzione più alta attireranno il nostro magnete sotto forma di una bobina più delle aree con un'induzione più bassa. E la bobina inizierà a muoversi verso il campo con maggiore induzione.
L'entità del momento magnetico di una bobina circolare con corrente può essere determinata dalla formula.
Formula - 1 Momento magnetico della bobina
Dove, io corrente che scorre attraverso la bobina
Area S della bobina con corrente
n normale al piano in cui si trova la bobina
Pertanto, dalla formula si può vedere che il momento magnetico della bobina è una quantità vettoriale. Cioè, oltre all'entità della forza, cioè il suo modulo, ha anche una direzione. Il momento magnetico ha ricevuto questa proprietà a causa del fatto che include il vettore normale al piano della bobina.
Per consolidare il materiale, puoi condurre un semplice esperimento. Per fare questo, abbiamo bisogno di una bobina circolare, fatta di filo di rame, collegata a una batteria. In questo caso, i cavi dovrebbero essere abbastanza sottili e preferibilmente attorcigliati insieme. Ciò ridurrà il loro impatto sull'esperienza.
Immagine—
Ora appendiamo un giro sui fili conduttori in un campo magnetico uniforme creato, diciamo, da magneti permanenti. La bobina è ancora diseccitata e il suo piano è parallelo alle linee di forza del campo. In questo caso, il suo asse e i poli di un magnete immaginario saranno perpendicolari alle linee del campo esterno.
Immagine—
Quando viene applicata corrente alla bobina, il suo piano girerà perpendicolare alle linee di forza del magnete permanente e l'asse diventerà parallelo ad esse. Inoltre, il senso di rotazione della bobina sarà determinato dalla regola del gimlet. E, a rigor di termini, la direzione in cui la corrente scorre attraverso la bobina.
L'esperienza mostra che tutte le sostanze sono magnetiche, cioè sotto l'azione di un campo magnetico esterno, sono in grado di creare il proprio campo magnetico interno (acquisendo il proprio momento magnetico, essendo magnetizzati).
Per spiegare la magnetizzazione dei corpi, Ampère ha suggerito che nelle molecole delle sostanze circolano correnti molecolari circolari. Ciascuna di queste microcorrenti I i ha il proprio momento magnetico e crea un campo magnetico nello spazio circostante (Fig. 1). In assenza di un campo esterno, le correnti molecolari e le correnti ad esse associate sono orientate casualmente, quindi il campo risultante all'interno della sostanza e il momento totale dell'intera sostanza sono pari a zero. Quando una sostanza viene posta in un campo magnetico esterno, i momenti magnetici delle molecole acquisiscono un orientamento prevalentemente in una direzione, il momento magnetico totale diventa diverso da zero e il magnete si magnetizza. I campi magnetici delle singole correnti molecolari non si compensano più e all'interno del magnete si crea un proprio campo interno.
Consideriamo la causa di questo fenomeno dal punto di vista della struttura degli atomi sulla base del modello planetario dell'atomo. Secondo Rutherford, un nucleo caricato positivamente si trova al centro dell'atomo, attorno al quale gli elettroni caricati negativamente ruotano in orbite stazionarie. Un elettrone che si muove in un'orbita circolare attorno al nucleo può essere considerato come una corrente circolare (microcorrente). Poiché la direzione del movimento delle cariche positive è convenzionalmente considerata come la direzione della corrente e la carica dell'elettrone è negativa, la direzione della microcorrente è opposta alla direzione del movimento dell'elettrone (Fig. 2).
Il valore della microcorrente I e può essere determinato come segue. Se durante il tempo t l'elettrone compie N rivoluzioni attorno al nucleo, allora una carica viene trasferita attraverso la piattaforma situata in un punto qualsiasi del percorso dell'elettrone - la carica dell'elettrone).
Secondo la definizione di forza attuale,
dove è la frequenza di rotazione degli elettroni.
Se la corrente I scorre in un circuito chiuso, allora un tale circuito ha un momento magnetico, il cui modulo è uguale a
dove S- l'area delimitata dal contorno.
Per la microcorrente, quest'area è l'area dell'orbita S = p r 2
(r è il raggio dell'orbita) e il suo momento magnetico è
dove w = 2pn è la frequenza ciclica, è la velocità lineare dell'elettrone.
Il momento è dovuto al movimento dell'elettrone in orbita, quindi è chiamato il momento magnetico orbitale dell'elettrone.
Il momento magnetico p m che un elettrone ha a causa del suo moto orbitale è chiamato momento magnetico orbitale dell'elettrone.
La direzione del vettore forma un sistema destrorso con la direzione della microcorrente.
Come ogni punto materiale che si muove in un cerchio, un elettrone ha un momento angolare:
Il momento angolare L, che un elettrone possiede come risultato del suo moto orbitale, è chiamato momento meccanico orbitale. Forma un sistema destrorso con la direzione del moto dell'elettrone. Come si può vedere dalla Fig. 2, le direzioni dei vettori e sono opposte.
Si è scoperto che, oltre ai momenti orbitali (cioè dovuti al movimento orbitale), l'elettrone ha i suoi momenti meccanici e magnetici.
Inizialmente, hanno cercato di spiegare l'esistenza considerando l'elettrone come una palla che ruota attorno al proprio asse, quindi il momento angolare meccanico dell'elettrone è stato chiamato spin (dall'inglese spin - ruotare). Successivamente si è scoperto che una tale rappresentazione porta a una serie di contraddizioni e l'ipotesi di un elettrone "rotante" è stata abbandonata.
È stato ora stabilito che lo spin dell'elettrone e il suo momento magnetico (spin) ad esso associato sono una proprietà integrale dell'elettrone, come la sua carica e massa.
Il momento magnetico di un elettrone in un atomo è la somma dei momenti orbitali e di spin:
Il momento magnetico di un atomo è composto dai momenti magnetici dei suoi elettroni costituenti (il momento magnetico del nucleo, a causa della sua piccolezza, viene trascurato):
Magnetizzazione della materia.
Atomo in un campo magnetico. Effetti dia- e paramagnetici.
Consideriamo il meccanismo d'azione di un campo magnetico esterno sugli elettroni che si muovono in un atomo, ad es. alle microcorrenti.
Come sapete, quando un circuito portatore di corrente viene posizionato in un campo magnetico con induzione, si genera una coppia
sotto l'influenza di cui il contorno è orientato in modo tale che il piano del contorno sia perpendicolare e il momento magnetico sia lungo la direzione del vettore (Fig. 3).
La microcorrente elettronica si comporta in modo simile. Tuttavia, l'orientamento della microcorrente orbitale in un campo magnetico non è esattamente lo stesso di quello di un circuito che trasporta corrente. Il fatto è che un elettrone che si muove attorno al nucleo e ha un momento angolare è come una cima, quindi ha tutte le caratteristiche del comportamento dei giroscopi sotto l'azione di forze esterne, in particolare l'effetto giroscopico. Pertanto, quando, quando un atomo è posto in un campo magnetico, una coppia inizia ad agire sulla microcorrente orbitale, tendendo a stabilire il momento magnetico orbitale dell'elettrone lungo la direzione del campo, si ha una precessione dei vettori attorno al direzione del vettore (a causa dell'effetto giroscopico). La frequenza di questa precessione
chiamato Larmor frequenza ed è la stessa per tutti gli elettroni in un atomo.
Pertanto, quando una qualsiasi sostanza viene posta in un campo magnetico, ogni elettrone dell'atomo, per la precessione della sua orbita attorno alla direzione del campo esterno, genera un ulteriore campo magnetico indotto diretto contro quello esterno e indebolendolo. Poiché i momenti magnetici indotti di tutti gli elettroni sono diretti nello stesso modo (opposto al vettore), anche il momento indotto totale dell'atomo è diretto contro il campo esterno.
Il fenomeno della comparsa nei magneti di un campo magnetico indotto (causato dalla precessione di orbite di elettroni in un campo magnetico esterno), diretto opposto al campo esterno e indebolendolo, è chiamato effetto diamagnetico. Il diamagnetismo è inerente a tutte le sostanze della natura.
L'effetto diamagnetico porta ad un indebolimento del campo magnetico esterno nei magneti.
Tuttavia, può verificarsi anche un altro effetto, chiamato paramagnetico. In assenza di un campo magnetico, i momenti magnetici degli atomi sono orientati casualmente a causa del movimento termico e il momento magnetico risultante della sostanza è zero (Fig. 4a).
Quando una tale sostanza viene introdotta in un campo magnetico uniforme con induzione, il campo tende a stabilire i momenti magnetici degli atomi lungo , quindi i vettori dei momenti magnetici degli atomi (molecole) precedono attorno alla direzione del vettore. Il moto termico e le collisioni reciproche degli atomi portano ad un graduale smorzamento della precessione e ad una diminuzione degli angoli tra le direzioni dei vettori dei momenti magnetici e il vettore L'azione combinata del campo magnetico e del moto termico porta all'orientamento predominante di i momenti magnetici degli atomi lungo il campo
(Fig.4, b), più grande, più e più piccola, maggiore è la temperatura. Di conseguenza, il momento magnetico totale di tutti gli atomi della sostanza diventa diverso da zero, la sostanza viene magnetizzata e in essa sorge il proprio campo magnetico interno, co-diretto con il campo esterno e amplificandolo.
Il fenomeno della comparsa nei magneti del proprio campo magnetico, causato dall'orientamento dei momenti magnetici degli atomi lungo la direzione del campo esterno e amplificandolo, è chiamato effetto paramagnetico.
L'effetto paramagnetico porta ad un aumento del campo magnetico esterno nei magneti.
Quando una sostanza viene posta in un campo magnetico esterno, diventa magnetizzata, cioè acquisisce un momento magnetico a causa dell'effetto dia- o paramagnetico, nella sostanza stessa sorge un proprio campo magnetico interno (campo di microcorrenti) con induzione.
Per una descrizione quantitativa della magnetizzazione di una sostanza viene introdotto il concetto di magnetizzazione.
La magnetizzazione di un magnete è una quantità fisica vettoriale uguale al momento magnetico totale per unità di volume del magnete:
In SI, la magnetizzazione è misurata in A/m.
La magnetizzazione dipende dalle proprietà magnetiche della sostanza, dall'ampiezza del campo esterno e dalla temperatura. Ovviamente, la magnetizzazione di un magnete è associata all'induzione.
Come mostra l'esperienza, per la maggior parte delle sostanze e in campi non molto forti, la magnetizzazione è direttamente proporzionale all'intensità del campo esterno che provoca la magnetizzazione:
dove c è la suscettibilità magnetica della sostanza, una quantità adimensionale.
Maggiore è il valore di c, più la sostanza è magnetizzata in un dato campo esterno.
Si può dimostrare che
Il campo magnetico in una sostanza è la somma vettoriale di due campi: un campo magnetico esterno e un campo magnetico interno o intrinseco creato da microcorrenti. Il vettore di induzione magnetica di un campo magnetico in una sostanza caratterizza il campo magnetico risultante ed è uguale alla somma geometrica delle induzioni magnetiche dei campi magnetici esterni ed interni:
La permeabilità magnetica relativa di una sostanza mostra quante volte l'induzione del campo magnetico cambia in una data sostanza.
Ciò che accade esattamente al campo magnetico in questa particolare sostanza, indipendentemente dal fatto che aumenti o diminuisca, dipende dall'entità del momento magnetico dell'atomo (o molecola) della sostanza.
Dia- e paramagneti. Ferromagneti.
magneti sono chiamate sostanze in grado di acquisire proprietà magnetiche in un campo magnetico esterno - per essere magnetizzate, ad es. creare il proprio campo magnetico interno.
Come già accennato, tutte le sostanze sono magnetiche, poiché il proprio campo magnetico interno è determinato dalla somma vettoriale dei microcampi generati da ciascun elettrone di ciascun atomo:
Le proprietà magnetiche di una sostanza sono determinate dalle proprietà magnetiche degli elettroni e degli atomi della sostanza data. In base alle loro proprietà magnetiche, i magneti si dividono in diamagneti, paramagneti, ferromagneti, antiferromagneti e ferriti. Consideriamo queste classi di sostanze una per una.
Abbiamo scoperto che quando una sostanza viene posta in un campo magnetico, possono verificarsi due effetti:
1. Paramagnetico, che porta ad un aumento del campo magnetico nel magnete dovuto all'orientamento dei momenti magnetici degli atomi lungo la direzione del campo esterno.
2. Diamagnetico, che porta ad un indebolimento del campo dovuto alla precessione delle orbite degli elettroni in un campo esterno.
Come determinare quale di questi effetti si verificherà (o entrambi contemporaneamente), quale di essi risulta essere più forte, cosa succede alla fine al campo magnetico in una determinata sostanza: aumenta o diminuisce?
Come già sappiamo, le proprietà magnetiche di una sostanza sono determinate dai momenti magnetici dei suoi atomi e il momento magnetico di un atomo è composto dai momenti magnetici orbitali e di spin intrinseco dei suoi elettroni:
Per gli atomi di alcune sostanze, la somma vettoriale dei momenti magnetici orbitali e di spin degli elettroni è uguale a zero, cioè il momento magnetico dell'intero atomo è zero Quando tali sostanze sono poste in un campo magnetico, l'effetto paramagnetico, ovviamente, non può verificarsi, poiché sorge solo a causa dell'orientamento dei momenti magnetici degli atomi in un campo magnetico, ma qui non lo sono.
Ma la precessione dell'orbita dell'elettrone in un campo esterno, che provoca l'effetto diamagnetico, si verifica sempre, quindi l'effetto diamagnetico si verifica in tutte le sostanze quando sono poste in un campo magnetico.
Pertanto, se il momento magnetico di un atomo (molecola) di una sostanza è uguale a zero (a causa della compensazione reciproca dei momenti magnetici degli elettroni), quando tale sostanza viene posta in un campo magnetico, si verificherà solo un effetto diamagnetico dentro. In questo caso, il proprio campo magnetico del magnete è diretto opposto al campo esterno e lo indebolisce. Tali sostanze sono chiamate diamagneti.
Le sostanze sono chiamate diamagneti, in cui, in assenza di un campo magnetico esterno, i momenti magnetici degli atomi sono pari a zero.
I diamagneti in un campo magnetico esterno sono magnetizzati contro la direzione del campo esterno e quindi lo indeboliscono
B = B 0 - B¢, m< 1.
L'indebolimento del campo in un diamagnete è molto insignificante. Ad esempio, per uno dei diamagneti più forti, il bismuto, m » 0,99998.
Molti metalli (argento, oro, rame), la maggior parte dei composti organici, resine, carbonio, ecc. sono diamagneti.
Se, in assenza di un campo magnetico esterno, il momento magnetico degli atomi di una sostanza è diverso da zero, quando tale sostanza viene posta in un campo magnetico, in essa si verificheranno sia effetti diamagnetici che paramagnetici, tuttavia l'effetto diamagnetico è sempre molto più debole di quello paramagnetico ed è praticamente impercettibile sullo sfondo. Il campo magnetico del magnete sarà allineato con il campo esterno e lo amplificherà. Tali sostanze sono chiamate paramagneti. I paramagneti sono sostanze in cui, in assenza di un campo magnetico esterno, i momenti magnetici degli atomi sono diversi da zero.
I paramagneti in un campo magnetico esterno vengono magnetizzati nella direzione del campo esterno e lo amplificano. Per loro
B = B 0 + B¢, m > 1.
La permeabilità magnetica per la maggior parte dei paramagneti è leggermente maggiore dell'unità.
I paramagneti includono elementi di terre rare, platino, alluminio, ecc.
Se l'effetto diamagnetico, B = B 0 -B¢, m< 1.
Se dia- e effetti paramagnetici, B = B 0 + B¢, m > 1.
Ferromagneti.
Tutti i dia- e paramagneti sono sostanze molto debolmente magnetizzate, la loro permeabilità magnetica è vicina all'unità e non dipende dalla forza del campo magnetico H. Insieme a dia- e paramagneti, ci sono sostanze che possono essere fortemente magnetizzate. Sono chiamati ferromagneti.
I ferromagneti o materiali ferromagnetici hanno preso il nome dal nome latino del principale rappresentante di queste sostanze: il ferro (ferrum). I ferromagneti, oltre al ferro, includono cobalto, nichel, gadolinio, molte leghe e composti chimici. I ferromagneti sono sostanze che possono essere fortemente magnetizzate, in cui il campo magnetico interno (intrinseco) può essere centinaia e migliaia di volte maggiore del campo magnetico esterno che lo ha causato.
Proprietà dei ferromagneti
1. La capacità di essere fortemente magnetizzato.
Il valore della permeabilità magnetica relativa m in alcuni ferromagneti raggiunge un valore di 10 6 .
2. saturazione magnetica.
Sulla fig. La figura 5 mostra la dipendenza sperimentale della magnetizzazione dall'intensità del campo magnetico esterno. Come si vede dalla figura, a partire da un certo valore di H, il valore numerico della magnetizzazione dei ferromagneti rimane praticamente costante e pari a J sat. Questo fenomeno è stato scoperto dallo scienziato russo A.G. Stoletov e chiamato saturazione magnetica.
3. Dipendenze non lineari B(H) e m(H).
Con un aumento della tensione, l'induzione prima aumenta, ma con la magnetizzazione del magnete, il suo aumento rallenta e nei campi forti cresce con un aumento secondo una legge lineare (Fig. 6).
A causa della dipendenza non lineare B(H),
quelli. la permeabilità magnetica m dipende in modo complesso dall'intensità del campo magnetico (Fig. 7). Innanzitutto, con l'aumento dell'intensità del campo, m aumenta dal valore iniziale a un certo valore massimo, quindi diminuisce e tende asintoticamente all'unità.
4. Isteresi magnetica.
Un'altra caratteristica distintiva dei ferromagneti è il loro
la capacità di mantenere la magnetizzazione dopo la rimozione del campo magnetizzante. Quando l'intensità del campo magnetico esterno cambia da zero verso valori positivi, l'induzione aumenta (Fig. 8, sez
Quando si decresce a zero, l'induzione magnetica è in ritardo nella diminuzione e, a un valore uguale a zero, risulta essere uguale a (induzione residua), cioè quando il campo esterno viene rimosso, il ferromagnete rimane magnetizzato ed è un magnete permanente. Per la completa smagnetizzazione del campione, è necessario applicare un campo magnetico di direzione opposta - . Viene chiamata l'entità del campo magnetico che deve essere applicato a un ferromagnete per la sua completa smagnetizzazione forza coercitiva.
Il fenomeno di un cambiamento nell'induzione magnetica in un ferromagnete in ritardo rispetto a un cambiamento nell'intensità di un campo magnetizzante esterno che è variabile in grandezza e direzione è chiamato isteresi magnetica.
In questo caso, la dipendenza da sarà rappresentata da una curva a forma di anello chiamata cicli di isteresi, mostrato in Fig.8.
A seconda della forma del circuito di isteresi, si distinguono ferromagneti magneticamente duri e magneticamente morbidi. I ferromagneti duri sono sostanze con una grande magnetizzazione residua e una grande forza coercitiva, cioè con un ampio ciclo di isteresi. Sono utilizzati per la fabbricazione di magneti permanenti (carbonio, tungsteno, cromo, alluminio-nichel e altri acciai).
I ferromagneti morbidi sono sostanze a bassa forza coercitiva, che sono molto facilmente rimagnetizzate, con un anello di isteresi stretto. (Per ottenere queste proprietà è stato appositamente creato il cosiddetto ferro trasformatore, una lega di ferro con una piccola aggiunta di silicio). Lo scopo della loro applicazione è la produzione di nuclei di trasformatori; questi includono ferro dolce, leghe ferro-nichel (permalloy, supermalloy).
5. La presenza della temperatura di Curie (punto).
Punto Curie- questa è la temperatura caratteristica di un dato ferromagnete, alla quale le proprietà ferromagnetiche scompaiono completamente.
Quando il campione viene riscaldato al di sopra del punto di Curie, il ferromagnete si trasforma in un normale paramagnete. Una volta raffreddato al di sotto del punto di Curie, riacquista le sue proprietà ferromagnetiche. Per diverse sostanze, questa temperatura è diversa (per Fe - 770 0 C, per Ni - 260 0 C).
6. Magnetostrizione- il fenomeno della deformazione dei ferromagneti durante la magnetizzazione. L'entità e il segno della magnetostrizione dipendono dall'intensità del campo magnetizzante e dalla natura del ferromagnete. Questo fenomeno è ampiamente utilizzato per la costruzione di potenti emettitori di ultrasuoni utilizzati nel sonar, nella comunicazione subacquea, nella navigazione, ecc.
Nei ferromagneti si osserva anche il fenomeno opposto: un cambiamento nella magnetizzazione durante la deformazione. Le leghe con magnetostrizione significativa sono utilizzate negli strumenti utilizzati per misurare la pressione e la deformazione.
La natura del ferromagnetismo
La teoria descrittiva del ferromagnetismo fu proposta dal fisico francese P. Weiss nel 1907 e una teoria quantitativa coerente basata sulla meccanica quantistica fu sviluppata dal fisico sovietico J. Frenkel e dal fisico tedesco W. Heisenberg (1928).
Secondo i concetti moderni, le proprietà magnetiche dei ferromagneti sono determinate dai momenti magnetici di spin (spin) degli elettroni; solo le sostanze cristalline possono essere ferromagneti, nei cui atomi sono presenti gusci di elettroni interni incompleti con spin non compensati. In questo caso, sorgono forze che costringono i momenti magnetici di spin degli elettroni ad orientarsi parallelamente tra loro. Queste forze sono chiamate forze di interazione di scambio, sono di natura quantistica e sono dovute alle proprietà ondulatorie degli elettroni.
Sotto l'influenza di queste forze in assenza di un campo esterno, un ferromagnete viene suddiviso in un gran numero di regioni microscopiche - domini, le cui dimensioni sono dell'ordine di 10 -2 - 10 -4 cm. All'interno di ciascun dominio, gli spin degli elettroni sono orientati parallelamente l'uno all'altro, in modo che l'intero dominio sia magnetizzato alla saturazione, ma le direzioni di magnetizzazione nei singoli domini sono diverse, quindi il momento magnetico totale (totale) dell'intero ferromagnete è zero. Come sapete, qualsiasi sistema tende a trovarsi in uno stato in cui la sua energia è minima. La divisione di un ferromagnete in domini avviene perché l'energia del ferromagnete diminuisce durante la formazione di una struttura di dominio. Il punto di Curie risulta essere la temperatura alla quale avviene la distruzione dei domini e il ferromagnete perde le sue proprietà ferromagnetiche.
L'esistenza della struttura del dominio dei ferromagneti è stata dimostrata sperimentalmente. Un metodo sperimentale diretto per la loro osservazione è il metodo delle figure in polvere. Se una sospensione acquosa di una polvere ferromagnetica fine (ad esempio un magnete) viene applicata su una superficie accuratamente levigata di un ferromagnete, le particelle si depositano principalmente nei punti di massima disomogeneità del campo magnetico, ad es. sui confini tra i domini. Pertanto, la polvere depositata delinea i confini dei domini e un'immagine simile può essere fotografata al microscopio.
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- la magnetizzazione dell'intero magnete in stato di saturazione
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Poiché, come è noto, qualsiasi sistema tende a un minimo di energia, si verifica un processo di spostamento dei confini dei domini, in cui il volume dei domini con energia inferiore aumenta e diminuisce con energia maggiore (Fig. 9, b). Nel caso di campi molto deboli, questi spostamenti di confine sono reversibili e seguono da vicino i cambiamenti nel campo (se il campo è spento, la magnetizzazione sarà di nuovo zero). Questo processo corrisponde a una porzione della curva B(H) (Fig. 10). All'aumentare del campo, gli spostamenti dei confini del dominio diventano irreversibili.
Con un'ampiezza sufficiente del campo magnetizzante, i domini energeticamente sfavorevoli scompaiono (Fig. 9, c, sezione di Fig. 7). Se il campo aumenta ancora di più, i momenti magnetici dei domini capovolgono il campo, in modo che l'intero campione si trasformi in un unico grande dominio (Fig. 9d, sezione di Fig. 10).
Numerose proprietà interessanti e preziose dei ferromagneti consentono loro di essere ampiamente utilizzati in vari campi della scienza e della tecnologia: per la produzione di nuclei di trasformatori ed emettitori di ultrasuoni elettromeccanici, come magneti permanenti, ecc. I materiali ferromagnetici sono utilizzati negli affari militari: in vari dispositivi elettrici e radio; come sorgenti di ultrasuoni - nel sonar, nella navigazione, nella comunicazione subacquea; come magneti permanenti - durante la creazione di mine magnetiche e per la ricognizione magnetometrica. La ricognizione magnetometrica consente di rilevare e identificare oggetti contenenti materiali ferromagnetici; utilizzato nel sistema anti-sottomarino e nelle mine navali.
Quando posta in un campo esterno, una sostanza può reagire a questo campo e diventare essa stessa una fonte di campo magnetico (essere magnetizzata). Tali sostanze sono chiamate magneti(confrontare con il comportamento dei dielettrici in un campo elettrico). In base alle loro proprietà magnetiche, i magneti sono divisi in tre gruppi principali: diamagneti, paramagneti e ferromagneti.
Sostanze diverse sono magnetizzate in modi diversi. Le proprietà magnetiche della materia sono determinate dalle proprietà magnetiche degli elettroni e degli atomi. La maggior parte delle sostanze è debolmente magnetizzata: si tratta di diamagneti e paramagneti. Alcune sostanze in condizioni normali (a temperature moderate) possono essere magnetizzate molto fortemente: si tratta di ferromagneti.
Molti atomi hanno un momento magnetico netto uguale a zero. Le sostanze composte da tali atomi sono diamagetica. Questi includono, ad esempio, azoto, acqua, rame, argento, sale comune NaCl, biossido di silicio Si0 2 . Appartengono a sostanze in cui il momento magnetico risultante dell'atomo è diverso da zero paramagneti. Esempi di paramagneti sono: ossigeno, alluminio, platino.
In quanto segue, parlando di proprietà magnetiche, avremo in mente principalmente diamagneti e paramagneti, e talvolta verranno discusse in modo speciale le proprietà di un piccolo gruppo di ferromagneti.
Consideriamo innanzitutto il comportamento degli elettroni della materia in un campo magnetico. Assumiamo per semplicità che l'elettrone ruoti nell'atomo attorno al nucleo con una velocità v lungo un'orbita di raggio R. Tale moto, che è caratterizzato da un momento angolare orbitale, è essenzialmente una corrente circolare, che è caratterizzata, rispettivamente, da un momento magnetico orbitale.
volume o sfera. Basato sul periodo di rivoluzione attorno alla circonferenza T= - ce l'abbiamo
un punto arbitrario dell'orbita attraversa l'elettrone per unità di tempo -
una volta. Pertanto, la corrente circolare, uguale alla carica che passa per il punto per unità di tempo, è data dall'espressione
Rispettivamente, momento magnetico orbitale di un elettrone secondo la formula (22.3) è uguale a
Oltre al momento angolare orbitale, l'elettrone ha anche un proprio momento angolare, chiamato Indietro. Lo spin è descritto dalle leggi della fisica quantistica ed è una proprietà intrinseca di un elettrone, come massa e carica (vedi maggiori dettagli nella sezione della fisica quantistica). Il momento angolare intrinseco corrisponde al momento magnetico intrinseco (spin) dell'elettrone r sp.
Anche i nuclei degli atomi hanno un momento magnetico, ma questi momenti sono migliaia di volte più piccoli dei momenti degli elettroni e di solito possono essere trascurati. Di conseguenza, il momento magnetico totale del magnete Rtè uguale alla somma vettoriale dei momenti magnetici orbitali e di spin degli elettroni del magnete:
Un campo magnetico esterno agisce sull'orientamento delle particelle di una sostanza che hanno momenti magnetici (e microcorrenti), a seguito dei quali la sostanza viene magnetizzata. La caratteristica di questo processo è vettore di magnetizzazione J, uguale al rapporto tra il momento magnetico totale delle particelle del magnete e il volume del magnete AV:
La magnetizzazione è misurata in A/m.
Se un magnete viene posizionato in un campo magnetico esterno  0, di conseguenza
magnetizzazione, sorgerà un campo interno di microcorrenti B, in modo che il campo risultante sarà uguale a
Considera un magnete a forma di cilindro con un'area di base S e altezza /, posto in un campo magnetico esterno uniforme con induzione A 0. Tale campo può essere creato, ad esempio, utilizzando un solenoide. L'orientamento delle microcorrenti nel campo esterno diventa ordinato. In questo caso, il campo delle microcorrenti dei diamagneti è diretto opposto al campo esterno e il campo delle microcorrenti dei paramagneti coincide in direzione con il campo esterno.
In qualsiasi sezione del cilindro, l'ordine delle microcorrenti porta al seguente effetto (Fig. 23.1). Le microcorrenti ordinate all'interno del magnete sono compensate dalle microcorrenti vicine e le microcorrenti superficiali non compensate fluiscono lungo la superficie laterale.
La direzione di queste microcorrenti non compensate è parallela (o antiparallela) alla corrente che scorre nel solenoide creando uno zero esterno. In generale, loro Riso. 23.1 dare la corrente interna totale This corrente superficiale crea un campo di microcorrente interno B v inoltre il collegamento tra la corrente e il campo può essere descritto dalla formula (22.21) per lo zero del solenoide:
Qui la permeabilità magnetica è assunta uguale all'unità, poiché si tiene conto del ruolo del mezzo introducendo la corrente superficiale; la densità dei giri di avvolgimento del solenoide corrisponde a uno per l'intera lunghezza del solenoide /: n = uno //. In questo caso, il momento magnetico della corrente superficiale è determinato dalla magnetizzazione dell'intero magnete:
Dalle ultime due formule, tenendo conto della definizione di magnetizzazione (23.4), segue
o in forma vettoriale
Quindi dalla formula (23.5) abbiamo
L'esperienza di studiare la dipendenza della magnetizzazione dall'intensità del campo esterno mostra che solitamente il campo può essere considerato debole e nell'espansione nella serie di Taylor basta limitarsi al termine lineare:
dove il coefficiente di proporzionalità adimensionale x - suscettibilità magnetica sostanze. Con questo in mente, abbiamo
Confrontando l'ultima formula per l'induzione magnetica con la ben nota formula (22.1), otteniamo la relazione tra permeabilità magnetica e suscettività magnetica:
Si noti che i valori della suscettibilità magnetica per diamagneti e paramagneti sono piccoli e di solito sono modulo 10 "-10 4 (per diamagneti) e 10 -8 - 10 3 (per paramagneti). In questo caso, per diamagneti X x > 0 e p > 1.