Magnetický moment cievky. Definícia. Vzorec. Skúsenosť. Magnetický moment - základná vlastnosť elementárnych častíc Magnetický moment rámu s aktuálnymi jednotkami merania
MAGNETICKÝ MOMENT- fyzický. veličina charakterizujúca magnetický. vlastnosti nabíjacieho systému. častice (alebo jednotlivé častice) a určovanie spolu s ďalšími viacpólovými momentmi (elektrický dipólový moment, kvadrupólový moment a pod., viď. Multipoli) interakcia systému s vonkajším. el-magn. polia a iné podobné systémy.
Podľa predstáv klasika elektrodynamika, magnet. pole vzniká pohybom el. poplatky. Aj keď moderné teória neodmieta (a dokonca predpovedá) existenciu častíc s magnetickým. poplatok ( magnetické monopóly), takéto častice ešte neboli experimentálne pozorované a v bežnej hmote chýbajú. Preto je elementárna charakteristika magnetu. vlastnosti sa ukážu ako presne M. m. Systém, ktorý má M. m. (axiálny vektor) vytvára magnetické pole vo veľkých vzdialenostiach od systému. lúka
(- vektor polomeru pozorovacieho bodu). Podobný pohľad má aj elektrický. dipólové pole, pozostávajúce z dvoch blízko seba umiestnených elektrických. náboje opačného znamienka. Avšak na rozdiel od elektrických dipólového momentu. M. m. vzniká nie sústavou bodových „magnetických nábojov“, ale el. prúdy tečúce v systéme. Ak je uzavretá el hustotný prúd tečie v obmedzenom objeme V, potom ním vytvorený M. m. určuje f-loy
V najjednoduchšom prípade uzavretého kruhového prúdu ja, prúdiaci pozdĺž plochej cievky s plochou s, a vektor M. m. smeruje pozdĺž pravej normály k cievke.
Ak je prúd vytvorený stacionárnym pohybom bodu elektr. nábojov s hmotnosťou s rýchlosťami , potom výsledná M. m., ako vyplýva z f-ly (1), má tvar
kde sa myslí mikroskopické spriemerovanie. hodnoty v čase. Pretože vektorový súčin na pravej strane je úmerný vektoru hybnosti hybnosti častice 
(predpokladá sa, že rýchlosti ), potom príspevky dep. častice v M. m. a v momente počtu pohybov sú úmerné:
Faktor proporcionality e/2ts volal gyromagnetický pomer; táto hodnota charakterizuje univerzálne spojenie medzi magnetickým. a mechanické vlastnosti náboja. častice v klasickom elektrodynamika. Pohyb elementárnych nosičov náboja v hmote (elektrónov) však podlieha zákonom kvantovej mechaniky, ktorá sa prispôsobuje klasickým. obrázok. Okrem orbitálneho mechanického moment pohybu L Elektrón má vnútornú mechanickú moment - späť. Celkové magnetické pole elektrónu sa rovná súčtu orbitálneho magnetického poľa (2) a spinového magnetického poľa.
Ako je možné vidieť z tohto vzorca (vyplývajúceho z relativistického Diracove rovnice pre elektrón), gyromagnet. pomer pre rotáciu je presne dvojnásobný ako pre orbitálnu hybnosť. Znak kvantovej koncepcie magnetu. a mechanické momentov je aj fakt, že vektory nemôžu mať v priestore určitý smer z dôvodu nekomutatívnosti projekčných operátorov týchto vektorov na súradnicové osi.
Spin M. m. náboj. častice definované f-loy (3), tzv. normálne, pre elektrón je magnetón Bora. Skúsenosti však ukazujú, že M. m. elektrónu 
sa líši od (3) rádovo (je konštanta jemnej štruktúry). Podobný doplnok tzv abnormálny magnetický moment, vzniká interakciou elektrónu s fotónmi, popisuje sa v rámci kvantovej elektrodynamiky. Iné elementárne častice majú tiež anomálne magnetické vlastnosti; sú obzvlášť veľké pre hadróny, to-raž, podľa modern. reprezentácie, majú vnutr. štruktúru. Anomálny M. m protónu je teda 2,79-krát väčší ako „normálny“ – jadrový magnetón, ( M- hmotnosť protónu) a M. m neutrónu sa rovná -1,91, t.j. výrazne sa líši od nuly, hoci neutrón nemá elektrickú energiu. poplatok. Takéto veľké anomálne hadróny M. m. v dôsledku vnútorných. pohyb ich ustanovujúcich poplatkov. kvarky.
Lit.: Landau L. D., Lifshits E. M., Teória poľa, 7. vydanie, M., 1988; Huang K., Kvarky, leptóny a kalibračné polia, prekl. z angličtiny, M., 1985. D. V. Giltsov.
Magnetický moment hlavná veličina charakterizujúca magnetické vlastnosti látky. Zdrojom magnetizmu sú podľa klasickej teórie elektromagnetických javov elektrické makro- a mikroprúdy. Za elementárny zdroj magnetizmu sa považuje uzavretý prúd. Zo skúseností a klasickej teórie elektromagnetického poľa vyplýva, že magnetické pôsobenie uzavretého prúdu (obvodu s prúdom) sa určuje, ak je známy produkt ( M) sila prúdu i do oblasti obrysu σ ( M = iσ /c v systéme jednotiek CGS (Pozri systém jednotiek CGS), s -
rýchlosť svetla). Vektor M a je podľa definície M. m. Môže sa písať aj v inej forme: M = m l, kde m- ekvivalentný magnetický náboj obvodu a l- vzdialenosť medzi "nábojmi" opačných znamienok (+ a -
). M. m. majú elementárne častice, atómové jadrá, elektrónové obaly atómov a molekúl. Mechanická hmotnosť elementárnych častíc (elektrónov, protónov, neutrónov a iných), ako ju ukazuje kvantová mechanika, je spôsobená existenciou ich vlastného mechanického momentu - Spin a. Jadrové hmoty sa skladajú z vlastných (spinových) hmôt protónov a neutrónov, ktoré tvoria tieto jadrá, ako aj z hmôt spojených s ich orbitálnym pohybom v jadre. Molekulové hmotnosti elektrónových obalov atómov a molekúl sú tvorené spinovými a orbitálnymi molekulovými hmotnosťami elektrónov. Spinový magnetický moment elektrónu m cn môže mať dva rovnaké a opačne orientované projekcie na smer vonkajšieho magnetického poľa N. Absolútna hodnota projekcie kde μ v \u003d (9,274096 ± 0,000065) 10 -21 erg/gs - Bórový magnetón, h -
Planckova konštanta , napr a m e - náboj a hmotnosť elektrónu, s- rýchlosť svetla; S H- projekcia spinového mechanického momentu na smer poľa H. Absolútna hodnota spinu M. m. kde s= 1/2 - spinové kvantové číslo (Pozri kvantové čísla). Pomer rotácie M. m. k mechanickému momentu (späť) od spinu Štúdie atómových spektier ukázali, že mH cn sa v skutočnosti nerovná m in, ale m in (1 + 0,0116). Je to spôsobené pôsobením takzvaných oscilácií nulového bodu elektromagnetického poľa na elektrón (pozri Kvantová elektrodynamika, Radiačné korekcie).
Orbitálny M. m orb elektrónu m súvisí s mechanickým orbitálnym momentom orb vzťahom g opb = |m orb | / | orb | = | e|/2m e c, teda magnetomechanický pomer g opb je dvakrát menej ako g cn. Kvantová mechanika umožňuje len diskrétny rad možných projekcií m orb do smeru vonkajšieho poľa (tzv. priestorové kvantovanie): m H orb = m l m v ,
kde m l -
magnetické kvantové číslo s 2 l+ 1 hodnoty (0, ±1, ±2,..., ± l, kde l-
orbitálne kvantové číslo). V multielektrónových atómoch sú orbitálne a spinové magnetizmy určené kvantovými číslami L a S celkové orbitálne a spinové momenty. Sčítanie týchto momentov sa uskutočňuje podľa pravidiel priestorového kvantovania. V dôsledku nerovnosti magnetomechanických vzťahov pre spin elektrónu a jeho orbitálny pohyb ( g cn ¹ g opb) výsledný M. m. atómového obalu nebude paralelný ani antiparalelný s jeho výsledným mechanickým momentom J.
Preto sa často uvažuje o zložke celkového MM v smere vektora J rovná kde g J je magnetomechanický pomer elektrónového obalu, J je celkové uhlové kvantové číslo. M. m. protónu, ktorého spin je kde Mp je hmotnosť protónu, ktorá je 1836,5-krát väčšia m e , m jed - jadrový magnetón rovný 1/1836,5 m c. Neutrón by na druhej strane nemal mať žiadny MM, pretože je bez náboja. Skúsenosti však ukázali, že MM protónu m p = 2,7927 m je jed a MM neutrónu m n = -1,91315 m je jed. Je to spôsobené prítomnosťou mezónových polí v blízkosti nukleónov, ktoré určujú ich špecifické jadrové interakcie (pozri Jadrové sily, mezóny) a ovplyvňujú ich elektromagnetické vlastnosti. Celkové M. m komplexných atómových jadier nie sú násobky m jedu alebo m p a m n. Teda M. m. jadrá draslíka Na charakterizáciu magnetického stavu makroskopických telies sa vypočíta priemerná hodnota výslednej magnetickej sily všetkých mikročastíc tvoriacich teleso. Magnetické pole vo vzťahu k jednotke objemu telesa sa nazýva magnetizácia. Pre makrotelieska, najmä v prípade telies s atómovým magnetickým usporiadaním (fero-, ferri- a antiferomagnety), sa zavádza pojem priemerná atómová M. m. ako priemerná hodnota M. m. na jeden atóm (ión) - nosič M. m. v tele. V látkach s magnetickým usporiadaním sa tieto priemerné atómové molekulové hmotnosti získajú ako podiel delenia spontánnej magnetizácie feromagnetických telies alebo magnetických podmriežok vo ferri- a antiferomagnetikách (pri absolútnej nulovej teplote) počtom atómov, ktoré nesú molekulovú hmotu. hmotnosť na jednotku objemu. Zvyčajne sa tieto priemerné atómové molekulové hmotnosti líšia od molekulových hmotností izolovaných atómov; ich hodnoty v Bohrových magnetónoch m sa ukážu ako zlomkové (napríklad v prechodových d-kovoch Fe, Co a Ni, v tomto poradí, 2,218 m in, 1,715 m in a 0,604 m in) Tento rozdiel je spôsobený zmena pohybu d-elektrónov (nosičov M. m.) v kryštáli v porovnaní s pohybom v izolovaných atómoch. V prípade kovov vzácnych zemín (lantanoidov), ako aj nekovových fero- alebo ferimagnetických zlúčenín (napríklad feritov), nedokončené d- alebo f-vrstvy elektrónového obalu (hlavné atómové nosiče M. m.) susedných iónov v kryštáli sa slabo prekrývajú, preto je badateľná kolektivizácia týchto nie sú tu žiadne vrstvy (ako u d-kovov) a molekulové hmotnosti takýchto telies sa v porovnaní s izolovanými atómami menia len málo. Priame experimentálne stanovenie MM na atómoch v kryštáli bolo možné vďaka použitiu magnetickej neutrónovej difrakcie, rádiovej spektroskopie (NMR, EPR, FMR, atď.) a Mössbauerovho javu. Pre paramagnety je tiež možné zaviesť pojem priemerného atómového magnetizmu, ktorý sa určuje pomocou experimentálne zistenej Curieovej konštanty, ktorá je zahrnutá vo výraze pre Curieho zákon a alebo Curie-Weissov zákon a (pozri Paramagnetizmus). Lit.: Tamm I. E., Základy teórie elektriny, 8. vydanie, M., 1966; Landau L. D. a Lifshitz E. M., Elektrodynamika spojitých médií, Moskva, 1959; Dorfman Ya.G., Magnetické vlastnosti a štruktúra hmoty, Moskva, 1955; Vonsovský S.V., Magnetizmus mikročastíc, M., 1973. S. V. Vonšovský. Veľká sovietska encyklopédia. - M.: Sovietska encyklopédia.
1969-1978
.
Pozrite si, čo je „magnetický moment“ v iných slovníkoch:
Rozmer L2I SI jednotky A⋅m2 ... Wikipedia
Hlavná veličina charakterizujúca magn. vlastnosti vo wa. Zdroj magnetizmu (M. m.), podľa klas. e-mailová teória. magn. javy, yavl. makro a mikro (atómové) elektrické. prúdy. Elem. uzavretý prúd sa považuje za zdroj magnetizmu. Zo skúsenosti a klasiky ...... Fyzická encyklopédia
Veľký encyklopedický slovník
MAGNETICKÝ MOMENT, meranie sily permanentného magnetu alebo cievky s prúdom. Toto je maximálna sila otáčania (krútiaci moment) aplikovaná na magnet, cievku alebo elektrický náboj v MAGNETICKOM POLE vydelená silou poľa. Nabité...... Vedecko-technický encyklopedický slovník
MAGNETICKÝ MOMENT- fyzický. hodnota, ktorá charakterizuje magnetické vlastnosti telies a častíc hmoty (elektróny, nukleóny, atómy atď.); čím väčší je magnetický moment, tým silnejšie (pozri) telo; magnetický moment určuje magnetický (pozri). Keďže akékoľvek elektrické ...... Veľká polytechnická encyklopédia
- (Magnetický moment) súčin magnetickej hmotnosti daného magnetu a vzdialenosti medzi jeho pólmi. Samoilov K.I. Marine Dictionary. M. L .: Štátne námorné vydavateľstvo NKVMF ZSSR, 1941 ... Marine Dictionary
magnetický moment- Har ka magn. sv v tele, arb. exp. produktu magn. nabíjajte na každom póle na vzdialenosť medzi pólmi. Témy metalurgia všeobecne EN magnetický moment … Technická príručka prekladateľa
Vektorová veličina, ktorá charakterizuje látku ako zdroj magnetického poľa. Makroskopický magnetický moment vytvárajú uzavreté elektrické prúdy a usporiadane orientované magnetické momenty atómových častíc. Mikročastice majú orbitálny... encyklopedický slovník
MAGNETICKÝ MOMENT- je hlavná veličina charakterizujúca magnetické vlastnosti látky. Základným zdrojom magnetizmu je elektrický prúd. Vektor, ktorý je určený súčinom sily prúdu a plochy uzavretej prúdovej slučky, je magnetický moment. Podľa…… Paleomagnetológia, petromagnetológia a geológia. Odkaz na slovník.
magnetický moment- elektromagnetinis momentas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Vektorinis dydis, curio 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
Magnetický moment cievky s prúdom je fyzikálna veličina, ako každý iný magnetický moment, charakterizuje magnetické vlastnosti daného systému. V našom prípade je systém reprezentovaný kruhovou slučkou s prúdom. Tento prúd vytvára magnetické pole, ktoré interaguje s vonkajším magnetickým poľom. Môže to byť buď pole zeme, alebo pole konštanty alebo elektromagnetu.
Obrázok— 1 kruhová otáčka s prúdom
Kruhová cievka s prúdom môže byť reprezentovaná ako krátky magnet. Okrem toho bude tento magnet nasmerovaný kolmo na rovinu cievky. Umiestnenie pólov takéhoto magnetu sa určuje pomocou pravidla gimlet. Podľa ktorého bude sever plus za rovinou cievky, ak sa prúd v nej pohybuje v smere hodinových ručičiek.
Obrázok— 2 Imaginárny tyčový magnet na osi cievky
Tento magnet, teda naša kruhová cievka s prúdom, ako každý iný magnet, bude ovplyvnená vonkajším magnetickým poľom. Ak je toto pole rovnomerné, potom vznikne krútiaci moment, ktorý bude mať tendenciu otáčať cievkou. Pole otočí cievku tak, aby jej os bola umiestnená pozdĺž poľa. V tomto prípade sa siločiary samotnej cievky, podobne ako malý magnet, musia zhodovať v smere s vonkajším poľom.
Ak vonkajšie pole nie je rovnomerné, k krútiacemu momentu sa pripočíta translačný pohyb. Tento pohyb vznikne v dôsledku toho, že oblasti poľa s vyššou indukciou budú priťahovať náš magnet vo forme cievky viac ako oblasti s nižšou indukciou. A cievka sa začne pohybovať smerom k poľu s väčšou indukciou.
Veľkosť magnetického momentu kruhovej cievky s prúdom možno určiť podľa vzorca.
Formula - 1 Magnetický moment cievky
Kde, I prúd tečúci cez cievku
S oblasť cievky s prúdom
n kolmá na rovinu, v ktorej je cievka umiestnená
Zo vzorca je teda zrejmé, že magnetický moment cievky je vektorová veličina. To znamená, že okrem veľkosti sily, teda jej modulu, má aj smer. Magnetický moment získal túto vlastnosť v dôsledku skutočnosti, že zahŕňa normálny vektor k rovine cievky.
Na konsolidáciu materiálu môžete vykonať jednoduchý experiment. Na to potrebujeme kruhovú cievku, vyrobenú z medeného drôtu, pripojenú k batérii. V tomto prípade by mali byť olovené vodiče dostatočne tenké a najlepšie skrútené dohromady. Tým sa zníži ich vplyv na zážitok.
Obrázok—
Teraz zavesme odbočku na olovené drôty v rovnomernom magnetickom poli vytvorenom, povedzme, permanentnými magnetmi. Cievka je stále bez energie a jej rovina je rovnobežná so siločiarami poľa. V tomto prípade budú jeho os a póly imaginárneho magnetu kolmé na čiary vonkajšieho poľa.
Obrázok—
Keď sa na cievku aplikuje prúd, jej rovina sa otočí kolmo na siločiary permanentného magnetu a os sa s nimi stane rovnobežnou. Okrem toho bude smer otáčania cievky určený gimletovým pravidlom. A presne povedané, smer, ktorým prúd tečie cez cievku.
Prax ukazuje, že všetky látky sú magnetické, t.j. pôsobením vonkajšieho magnetického poľa sú schopné vytvárať svoje vlastné, vnútorné magnetické pole (získať vlastný magnetický moment, byť zmagnetizované).
Na vysvetlenie magnetizácie telies Ampere navrhol, že v molekulách látok cirkulujú kruhové molekulárne prúdy. Každý takýto mikroprúd I i má svoj magnetický moment a vytvára magnetické pole v okolitom priestore (obr. 1). Pri absencii vonkajšieho poľa sú molekulárne prúdy a prúdy s nimi spojené náhodne orientované, takže výsledné pole vo vnútri látky a celkový moment celej látky sú rovné nule. Keď je látka umiestnená vo vonkajšom magnetickom poli, magnetické momenty molekúl nadobúdajú orientáciu prevažne v jednom smere, celkový magnetický moment sa líši od nuly a magnet sa zmagnetizuje. Magnetické polia jednotlivých molekulových prúdov sa už navzájom nekompenzujú a vo vnútri magnetu vzniká jeho vlastné vnútorné pole.
Uvažujme o príčine tohto javu z hľadiska štruktúry atómov na základe planetárneho modelu atómu. Podľa Rutherforda sa v strede atómu nachádza kladne nabité jadro, okolo ktorého rotujú záporne nabité elektróny po stacionárnych dráhach. Elektrón pohybujúci sa po kruhovej dráhe okolo jadra možno považovať za kruhový prúd (mikroprúd). Keďže smer pohybu kladných nábojov sa bežne považuje za smer prúdu a náboj elektrónu je záporný, smer mikroprúdu je opačný ako smer pohybu elektrónu (obr. 2).
Hodnotu mikroprúdu Ie možno určiť nasledovne. Ak za čas t elektrón urobil N otáčok okolo jadra, potom sa cez platformu umiestnenú kdekoľvek na dráhe elektrónu preniesol náboj - náboj elektrónu).
Podľa definície sily prúdu,
kde je rotačná frekvencia elektrónov.
Ak prúd I preteká v uzavretom obvode, potom má takýto obvod magnetický moment, ktorého modul sa rovná
kde S- oblasť ohraničená vrstevnicou.
Pre mikroprúd je táto oblasť oblasťou obežnej dráhy S = p r 2
(r je polomer obežnej dráhy) a jeho magnetický moment je
kde w = 2pn je cyklická frekvencia, je lineárna rýchlosť elektrónu.
Moment je spôsobený pohybom elektrónu na obežnej dráhe, preto sa nazýva orbitálny magnetický moment elektrónu.
Magnetický moment p m, ktorý má elektrón v dôsledku svojho orbitálneho pohybu, sa nazýva orbitálny magnetický moment elektrónu.
Smer vektora tvorí pravotočivý systém so smerom mikroprúdu.
Ako každý hmotný bod pohybujúci sa v kruhu, aj elektrón má moment hybnosti:
Moment hybnosti L, ktorý má elektrón v dôsledku svojho orbitálneho pohybu, sa nazýva orbitálny mechanický moment hybnosti. Tvorí pravotočivý systém so smerom pohybu elektrónov. Ako je zrejmé z obr. 2, smery vektorov a sú opačné.
Ukázalo sa, že okrem orbitálnych momentov (teda v dôsledku orbitálneho pohybu) má elektrón svoje mechanické a magnetické momenty.
Pôvodne sa snažili existenciu vysvetliť tak, že elektrón považovali za guľôčku rotujúcu okolo vlastnej osi, preto sa vlastný mechanický moment hybnosti elektrónu nazýval spin (z anglického spin – otáčať sa). Neskôr sa zistilo, že takéto znázornenie vedie k množstvu rozporov a od hypotézy „rotujúceho“ elektrónu sa upustilo.
Teraz sa zistilo, že spin elektrónu a jeho vlastný (spinový) magnetický moment s ním spojený sú integrálnou vlastnosťou elektrónu, ako je jeho náboj a hmotnosť.
Magnetický moment elektrónu v atóme je súčtom orbitálnych a spinových momentov:
Magnetický moment atómu sa skladá z magnetických momentov elektrónov, z ktorých sa skladá (magnetický moment jadra sa vzhľadom na jeho malosť zanedbáva):
Magnetizácia hmoty.
Atóm v magnetickom poli. Dia- a paramagnetické efekty.
Uvažujme o mechanizme pôsobenia vonkajšieho magnetického poľa na elektróny pohybujúce sa v atóme, t.j. na mikroprúdy.
Ako viete, keď je obvod s prúdom umiestnený v magnetickom poli s indukciou, vzniká krútiaci moment
pod vplyvom čoho je obrys orientovaný tak, že rovina obrysu je kolmá a magnetický moment je v smere vektora (obr. 3).
Podobne sa správa elektrónový mikroprúd. Orientácia orbitálneho mikroprúdu v magnetickom poli však nie je úplne rovnaká ako orientácia obvodu s prúdom. Faktom je, že elektrón, ktorý sa pohybuje okolo jadra a má uhlový moment hybnosti, je ako vrchol, a preto má všetky vlastnosti správania sa gyroskopov pri pôsobení vonkajších síl, najmä gyroskopický efekt. Preto, keď je atóm umiestnený v magnetickom poli, krútiaci moment začne pôsobiť na orbitálny mikroprúd, ktorý má tendenciu vytvoriť orbitálny magnetický moment elektrónu v smere poľa, existuje precesia vektorov okolo smer vektora (v dôsledku gyroskopického efektu). Frekvencia tejto precesie
volal Larmor frekvencia a je rovnaká pre všetky elektróny v atóme.
Keď je teda akákoľvek látka umiestnená v magnetickom poli, každý elektrón atómu v dôsledku precesie svojej dráhy okolo smeru vonkajšieho poľa generuje dodatočné indukované magnetické pole namierené proti vonkajšiemu a oslabuje ho. Keďže indukované magnetické momenty všetkých elektrónov sú nasmerované rovnako (opačne ako vektor), celkový indukovaný moment atómu smeruje aj proti vonkajšiemu poľu.
Fenomén objavenia sa indukovaného magnetického poľa v magnetoch (spôsobeného precesiou obežných dráh elektrónov vo vonkajšom magnetickom poli), nasmerovaného proti vonkajšiemu poľu a oslabujúceho ho, sa nazýva diamagnetický efekt. Diamagnetizmus je súčasťou všetkých prírodných látok.
Diamagnetický efekt vedie k oslabeniu vonkajšieho magnetického poľa v magnetoch.
Môže sa však vyskytnúť aj iný efekt, nazývaný paramagnetický. V neprítomnosti magnetického poľa sú magnetické momenty atómov v dôsledku tepelného pohybu náhodne orientované a výsledný magnetický moment látky je nulový (obr. 4a).
Keď sa takáto látka zavedie do rovnomerného magnetického poľa s indukciou, pole má tendenciu vytvárať magnetické momenty atómov pozdĺž , takže vektory magnetických momentov atómov (molekúl) prechádzajú okolo smeru vektora . Tepelný pohyb a vzájomné kolízie atómov vedú k postupnému tlmeniu precesie a zmenšovaniu uhlov medzi smermi vektorov magnetických momentov a vektorom.Spojené pôsobenie magnetického poľa a tepelného pohybu vedie k prevládajúcej orientácii magnetické momenty atómov pozdĺž poľa
(obr.4, b), čím väčšia, tým viac a čím menšia, tým vyššia teplota. Výsledkom je, že celkový magnetický moment všetkých atómov látky sa líši od nuly, látka sa zmagnetizuje a vzniká v nej jej vlastné vnútorné magnetické pole, ktoré je spolusmerované s vonkajším poľom a zosilňuje ho.
Fenomén objavenia sa vlastného magnetického poľa v magnetoch, spôsobený orientáciou magnetických momentov atómov v smere vonkajšieho poľa a jeho zosilnením, sa nazýva paramagnetický efekt.
Paramagnetický efekt vedie k zvýšeniu vonkajšieho magnetického poľa v magnetoch.
Keď sa akákoľvek látka umiestni do vonkajšieho magnetického poľa, zmagnetizuje sa, t.j. získava magnetický moment dia- alebo paramagnetickým účinkom, v samotnej látke vzniká vlastné vnútorné magnetické pole (pole mikroprúdov) s indukciou.
Pre kvantitatívny popis magnetizácie látky sa zavádza pojem magnetizácia.
Magnetizácia magnetu je vektorová fyzikálna veličina rovnajúca sa celkovému magnetickému momentu na jednotku objemu magnetu:
V SI sa magnetizácia meria v A/m.
Magnetizácia závisí od magnetických vlastností látky, veľkosti vonkajšieho poľa a teploty. Je zrejmé, že magnetizácia magnetu je spojená s indukciou.
Ako ukazujú skúsenosti, pre väčšinu látok a v nie veľmi silných poliach je magnetizácia priamo úmerná sile vonkajšieho poľa, ktoré spôsobuje magnetizáciu:
kde c je magnetická susceptibilita látky, bezrozmerná veličina.
Čím väčšia je hodnota c, tým viac je látka v danom vonkajšom poli zmagnetizovaná.
Dá sa to dokázať
Magnetické pole v látke je vektorovým súčtom dvoch polí: vonkajšieho magnetického poľa a vnútorného alebo vlastného magnetického poľa vytvoreného mikroprúdmi. Vektor magnetickej indukcie magnetického poľa v látke charakterizuje výsledné magnetické pole a rovná sa geometrickému súčtu magnetických indukcií vonkajších a vnútorných magnetických polí:
Relatívna magnetická permeabilita látky ukazuje, koľkokrát sa v danej látke zmení indukcia magnetického poľa.
Čo presne sa deje s magnetickým poľom v tejto konkrétnej látke – či je zosilnené alebo oslabené – závisí od veľkosti magnetického momentu atómu (alebo molekuly) tejto látky.
Dia- a paramagnety. Feromagnety.
magnety nazývajú sa látky, ktoré sú schopné nadobudnúť magnetické vlastnosti vo vonkajšom magnetickom poli - zmagnetizovať sa, t.j. vytvoriť svoje vlastné vnútorné magnetické pole.
Ako už bolo uvedené, všetky látky sú magnetické, pretože ich vlastné vnútorné magnetické pole je určené vektorovým súčtom mikropolí generovaných každým elektrónom každého atómu:
Magnetické vlastnosti látky sú určené magnetickými vlastnosťami elektrónov a atómov danej látky. Podľa magnetických vlastností sa magnety delia na diamagnety, paramagnety, feromagnety, antiferomagnety a ferity. Uvažujme o týchto triedach látok jednu po druhej.
Zistili sme, že keď je látka umiestnená v magnetickom poli, môžu nastať dva efekty:
1. Paramagnetické, čo vedie k zvýšeniu magnetického poľa v magnete v dôsledku orientácie magnetických momentov atómov pozdĺž smeru vonkajšieho poľa.
2. Diamagnetické, čo vedie k oslabeniu poľa v dôsledku precesie elektrónových dráh vo vonkajšom poli.
Ako určiť, ktorý z týchto efektov nastane (alebo obidva súčasne), ktorý z nich sa ukáže byť silnejší, čo sa nakoniec stane s magnetickým poľom v danej látke - zvýši sa alebo zníži?
Ako už vieme, magnetické vlastnosti látky sú určené magnetickými momentmi jej atómov a magnetický moment atómu sa skladá z orbitálnych a vnútorných spinových magnetických momentov jeho elektrónov:
Pre atómy niektorých látok je vektorový súčet orbitálnych a spinových magnetických momentov elektrónov rovný nule, t.j. magnetický moment celého atómu je nulový.Keď sú takéto látky umiestnené v magnetickom poli, paramagnetický efekt samozrejme nemôže vzniknúť, pretože vzniká len orientáciou magnetických momentov atómov v magnetickom poli, ale tu nie sú.
Ale vždy nastáva precesia elektrónových dráh vo vonkajšom poli, ktorá spôsobuje diamagnetický efekt, takže diamagnetický efekt nastáva vo všetkých látkach, keď sú umiestnené v magnetickom poli.
Ak je teda magnetický moment atómu (molekuly) látky rovný nule (v dôsledku vzájomnej kompenzácie magnetických momentov elektrónov), potom pri umiestnení takejto látky do magnetického poľa dôjde iba k diamagnetickému efektu. v ňom. V tomto prípade je vlastné magnetické pole magnetu nasmerované opačne k vonkajšiemu poľu a oslabuje ho. Takéto látky sa nazývajú diamagnety.
Látky sa nazývajú diamagnety, v ktorých pri absencii vonkajšieho magnetického poľa sú magnetické momenty atómov rovné nule.
Diamagnety vo vonkajšom magnetickom poli sú magnetizované proti smeru vonkajšieho poľa a tým ho oslabujú
B = Bo - B¢, m< 1.
Oslabenie poľa v diamagnete je veľmi malé. Napríklad pre jeden z najsilnejších diamagnetov, bizmut, m » 0,99998.
Mnohé kovy (striebro, zlato, meď), väčšina organických zlúčenín, živice, uhlík atď. sú diamagnety.
Ak pri absencii vonkajšieho magnetického poľa je magnetický moment atómov látky nenulový, pri umiestnení takejto látky do magnetického poľa v nej vzniknú diamagnetické aj paramagnetické efekty, diamagnetický efekt je však vždy oveľa slabšie ako paramagnetické a na svojom pozadí je prakticky nepostrehnuteľné. Vlastné magnetické pole magnetu bude zarovnané s vonkajším poľom a zosilní ho. Takéto látky sa nazývajú paramagnety. Paramagnety sú látky, v ktorých pri absencii vonkajšieho magnetického poľa sú magnetické momenty atómov nenulové.
Paramagnety vo vonkajšom magnetickom poli sa magnetizujú v smere vonkajšieho poľa a zosilňujú ho. Pre nich
B = Bo + B¢, m > 1.
Magnetická permeabilita pre väčšinu paramagnetov je o niečo väčšia ako jednota.
Paramagnety zahŕňajú prvky vzácnych zemín, platinu, hliník atď.
Ak diamagnetický efekt, B = B 0 -B¢, m< 1.
Ak dia- a paramagnetické efekty, B = B 0 + B¢, m > 1.
Feromagnety.
Všetky dia- a paramagnety sú látky, ktoré sú veľmi slabo magnetizované, ich magnetická permeabilita je blízka jednote a nezávisí od sily magnetického poľa H. Spolu s dia- a paramagnetmi existujú látky, ktoré sa dajú silne zmagnetizovať. Nazývajú sa feromagnety.
Feromagnetiká alebo feromagnetické materiály dostali svoj názov podľa latinského názvu hlavného predstaviteľa týchto látok – železa (ferrum). Feromagnety okrem železa zahŕňajú kobalt, nikel, gadolínium, mnohé zliatiny a chemické zlúčeniny. Feromagnety sú látky, ktoré sa dajú veľmi silne zmagnetizovať, pričom vnútorné (vlastné) magnetické pole môže byť stokrát a tisíckrát väčšie ako vonkajšie magnetické pole, ktoré ho vyvolalo.
Vlastnosti feromagnetík
1. Schopnosť byť silne magnetizovaný.
Hodnota relatívnej magnetickej permeability m u niektorých feromagnetík dosahuje hodnotu 10 6 .
2. magnetická saturácia.
Na obr. Obrázok 5 ukazuje experimentálnu závislosť magnetizácie od sily vonkajšieho magnetického poľa. Ako vidno z obrázku, od určitej hodnoty H zostáva číselná hodnota magnetizácie feromagnetík prakticky konštantná a rovná sa J sat. Tento jav objavil ruský vedec A.G. Stoletov a nazvaný magnetická saturácia.
3. Nelineárne závislosti B(H) a m(H).
So zvyšovaním napätia sa najskôr zväčšuje indukcia, ale magnetizáciou magnetu sa jeho nárast spomaľuje a v silných poliach rastie s nárastom podľa lineárneho zákona (obr. 6).
Kvôli nelineárnej závislosti B(H),
tie. magnetická permeabilita m závisí komplexným spôsobom od intenzity magnetického poľa (obr. 7). Po prvé, so zvyšujúcou sa intenzitou poľa sa m zvyšuje z počiatočnej hodnoty na určitú maximálnu hodnotu a potom klesá a asymptoticky smeruje k jednote.
4. Magnetická hysterézia.
Ďalšou charakteristickou črtou feromagnetík je ich
schopnosť udržať magnetizáciu po odstránení magnetizačného poľa. Keď sa sila vonkajšieho magnetického poľa zmení z nuly na kladné hodnoty, indukcia sa zvýši (obr. 8, odd
Pri znižovaní na nulu magnetická indukcia zaostáva v poklese a pri hodnote rovnajúcej sa nule sa ukazuje ako rovná (reziduálna indukcia), t.j. keď je vonkajšie pole odstránené, feromagnet zostáva zmagnetizovaný a je permanentným magnetom. Pre úplnú demagnetizáciu vzorky je potrebné aplikovať magnetické pole opačného smeru - . Veľkosť magnetického poľa, ktoré musí byť aplikované na feromagnet pre jeho úplnú demagnetizáciu, sa nazýva donucovacia sila.
Fenomén zmeny magnetickej indukcie vo feromagnetiku, ktorý zaostáva za zmenou intenzity vonkajšieho magnetizačného poľa, ktoré je premenlivé vo veľkosti a smere, sa nazýva magnetická hysteréza.
V tomto prípade bude závislosť znázornená krivkou v tvare slučky tzv hysterézne slučky, znázornené na obr.8.
Podľa tvaru hysteréznej slučky sa rozlišujú magneticky tvrdé a magneticky mäkké feromagnety. Tvrdé feromagnety sú látky s veľkou zvyškovou magnetizáciou a veľkou koercitívnou silou, t.j. so širokou hysteréznou slučkou. Používajú sa na výrobu permanentných magnetov (uhlíkové, volfrámové, chrómové, hliníkovo-niklové a iné ocele).
Mäkké feromagnety sú látky s nízkou koercitívnou silou, ktoré sa veľmi ľahko remagnetizujú, s úzkou hysteréznou slučkou. (Na získanie týchto vlastností bolo špeciálne vytvorené tzv. transformátorové železo, zliatina železa s malou prímesou kremíka). Rozsah ich použitia je výroba transformátorových jadier; patrí sem mäkké železo, zliatiny železa a niklu (permalloy, supermalloy).
5. Prítomnosť Curieho teploty (bod).
Curieov bod- to je teplotná charakteristika daného feromagnetika, pri ktorej feromagnetické vlastnosti úplne zanikajú.
Keď sa vzorka zahreje nad Curieov bod, feromagnet sa premení na obyčajný paramagnet. Po ochladení pod Curieovu teplotu znovu získa svoje feromagnetické vlastnosti. Pre rôzne látky je táto teplota odlišná (pre Fe - 770 0 C, pre Ni - 260 0 C).
6. Magnetostrikcia- jav deformácie feromagnetík pri magnetizácii. Veľkosť a znak magnetostrikcie závisí od intenzity magnetizačného poľa a povahy feromagnetika. Tento jav je široko používaný na konštrukciu výkonných ultrazvukových žiaričov používaných v sonaroch, podvodnej komunikácii, navigácii atď.
U feromagnetík sa pozoruje aj opačný jav – zmena magnetizácie pri deformácii. Zliatiny s výraznou magnetostrikciou sa používajú v prístrojoch používaných na meranie tlaku a deformácie.
Povaha feromagnetizmu
Deskriptívnu teóriu feromagnetizmu navrhol francúzsky fyzik P. Weiss v roku 1907 a konzistentnú kvantitatívnu teóriu založenú na kvantovej mechanike vypracovali sovietsky fyzik J. Frenkel a nemecký fyzik W. Heisenberg (1928).
Podľa moderných koncepcií sú magnetické vlastnosti feromagnetík určené spinovými magnetickými momentmi (spiny) elektrónov; feromagnetikami môžu byť len kryštalické látky, v atómoch ktorých sú neúplné vnútorné elektrónové obaly s nekompenzovanými spinmi. V tomto prípade vznikajú sily, ktoré nútia spinové magnetické momenty elektrónov orientovať sa navzájom paralelne. Tieto sily sa nazývajú sily výmennej interakcie, sú kvantovej povahy a sú spôsobené vlnovými vlastnosťami elektrónov.
Pod vplyvom týchto síl v neprítomnosti vonkajšieho poľa sa feromagnetik rozpadá na veľké množstvo mikroskopických oblastí - domén, ktorých rozmery sú rádovo 10 -2 - 10 -4 cm. Vo vnútri každej domény sú spiny elektrónov orientované navzájom paralelne, takže celá doména je zmagnetizovaná do nasýtenia, ale smery magnetizácie v jednotlivých doménach sú rôzne, takže celkový (celkový) magnetický moment celého feromagnetika je nulový. Ako viete, každý systém má tendenciu byť v stave, v ktorom je jeho energia minimálna. K rozdeleniu feromagnetika na domény dochádza preto, lebo energia feromagnetika pri tvorbe doménovej štruktúry klesá. Ukazuje sa, že Curieov bod je teplota, pri ktorej dochádza k deštrukcii domén a feromagnetizmus stráca svoje feromagnetické vlastnosti.
Existencia doménovej štruktúry feromagnetík bola dokázaná experimentálne. Priamou experimentálnou metódou na ich pozorovanie je metóda práškových figúrok. Ak sa na starostlivo vyleštený povrch feromagnetika nanesie vodná suspenzia jemného feromagnetického prášku (napríklad magnet), potom sa častice usádzajú najmä v miestach maximálnej nehomogenity magnetického poľa, t.j. na hraniciach medzi doménami. Preto usadený prášok načrtáva hranice domén a podobný obrázok je možné odfotografovať pod mikroskopom.
| |
| |
|
- magnetizácia celého magnetu v stave nasýtenia
|
Keďže, ako je známe, každý systém má tendenciu k minimu energie, dochádza k procesu posúvania hraníc domén, pri ktorom sa objem domén s nižšou energiou zvyšuje a s vyššou energiou klesá (obr. 9, b). V prípade veľmi slabých polí sú tieto posuny hraníc reverzibilné a tesne sledujú zmeny v poli (ak je pole vypnuté, magnetizácia bude opäť nulová). Tento proces zodpovedá časti krivky B(H) (obr. 10). Ako sa pole zväčšuje, posuny hraníc domény sa stávajú nezvratnými.
Pri dostatočnej veľkosti magnetizačného poľa zanikajú energeticky nepriaznivé domény (obr. 9, c, rez obr. 7). Ak sa pole ešte viac zväčší, magnetické momenty domén sa otočia nad poľom, takže celá vzorka sa zmení na jednu veľkú doménu (obr. 9d, rez obr. 10).
Početné zaujímavé a cenné vlastnosti feromagnetík umožňujú ich široké využitie v rôznych oblastiach vedy a techniky: na výrobu jadier transformátorov a elektromechanických ultrazvukových žiaričov, ako permanentné magnety atď. Feromagnetické materiály sa používajú vo vojenských záležitostiach: v rôznych elektrických a rádiových zariadeniach; ako zdroje ultrazvuku - v sonare, navigácii, podvodnej komunikácii; ako permanentné magnety - pri vytváraní magnetických mín a na magnetometrický prieskum. Magnetometrický prieskum umožňuje odhaliť a identifikovať predmety obsahujúce feromagnetické materiály; používané v systéme protiponorkových a námorných mín.
Po umiestnení do vonkajšieho poľa môže látka reagovať na toto pole a sama sa stať zdrojom magnetického poľa (byť zmagnetizovaná). Takéto látky sú tzv magnety(porovnaj so správaním sa dielektrika v elektrickom poli). Podľa magnetických vlastností sú magnety rozdelené do troch hlavných skupín: diamagnety, paramagnety a feromagnety.
Rôzne látky sa magnetizujú rôznymi spôsobmi. Magnetické vlastnosti hmoty sú určené magnetickými vlastnosťami elektrónov a atómov. Väčšina látok je slabo zmagnetizovaná – ide o diamagnety a paramagnety. Niektoré látky sú za normálnych podmienok (pri miernych teplotách) schopné veľmi silno magnetizovať – ide o feromagnety.
Mnoho atómov má čistý magnetický moment rovný nule. Látky zložené z takýchto atómov sú diamagetika. Patria sem napríklad dusík, voda, meď, striebro, kuchynská soľ NaCl, oxid kremičitý Si0 2 . Patria sem látky, pri ktorých je výsledný magnetický moment atómu odlišný od nuly paramagnety. Príklady paramagnetov sú: kyslík, hliník, platina.
V nasledujúcom texte, keď hovoríme o magnetických vlastnostiach, budeme mať na mysli hlavne diamagnety a paramagnety a niekedy budeme špeciálne diskutovať o vlastnostiach malej skupiny feromagnetík.
Uvažujme najskôr o správaní elektrónov hmoty v magnetickom poli. Pre jednoduchosť predpokladajme, že elektrón rotuje v atóme okolo jadra rýchlosťou v po dráhe s polomerom r. Takýto pohyb, ktorý je charakterizovaný orbitálnym momentom hybnosti, je v podstate kruhový prúd, ktorý je charakterizovaný orbitálnym magnetickým momentom.
objem r orb. Na základe obdobia revolúcie po obvode T= - máme to
ľubovoľný bod obežnej dráhy, ktorý elektrón prejde za jednotku času -
raz. Preto je kruhový prúd, ktorý sa rovná náboju prechádzajúcemu bodom za jednotku času, daný výrazom
resp. orbitálny magnetický moment elektrónu podľa vzorca (22.3) sa rovná
Elektrón má okrem orbitálneho momentu hybnosti aj vlastný moment hybnosti, tzv späť. Spin je opísaný zákonmi kvantovej fyziky a je inherentnou vlastnosťou elektrónu ako hmotnosť a náboj (viac podrobností v sekcii kvantová fyzika). Vlastný moment hybnosti zodpovedá vlastnému (spinovému) magnetickému momentu elektrónu r sp.
Magnetické momenty majú aj jadrá atómov, no tieto momenty sú tisíckrát menšie ako momenty elektrónov a väčšinou sa dajú zanedbať. Výsledkom je celkový magnetický moment magnetu Rt sa rovná vektorovému súčtu orbitálnych a spinových magnetických momentov elektrónov magnetu:
Vonkajšie magnetické pole pôsobí na orientáciu častíc látky, ktoré majú magnetické momenty (a mikroprúdy), v dôsledku čoho sa látka zmagnetizuje. Charakteristickým znakom tohto procesu je magnetizačný vektor J, ktorý sa rovná pomeru celkového magnetického momentu častíc magnetu k objemu magnetu AV:
Magnetizácia sa meria v A/m.
Ak je magnet umiestnený vo vonkajšom magnetickom poli В 0, potom ako výsledok
magnetizáciou vznikne vnútorné pole mikroprúdov B, takže výsledné pole bude rovné
Uvažujme magnet vo forme valca so základnou plochou S a výška/, umiestnené v rovnomernom vonkajšom magnetickom poli s indukciou O 0 . Takéto pole je možné vytvoriť napríklad pomocou solenoidu. Orientácia mikroprúdov vo vonkajšom poli je usporiadaná. V tomto prípade je pole mikroprúdov diamagnetov nasmerované opačne k vonkajšiemu poľu a pole mikroprúdov paramagnetov sa zhoduje v smere s vonkajším poľom.
V ktorejkoľvek sekcii valca vedie usporiadanosť mikroprúdov k nasledujúcemu efektu (obr. 23.1). Usporiadané mikroprúdy vo vnútri magnetu sú kompenzované susednými mikroprúdmi a nekompenzované povrchové mikroprúdy prúdia pozdĺž bočného povrchu.
Smer týchto nekompenzovaných mikroprúdov je rovnobežný (alebo antiparalelný) s prúdom tečúcim v solenoide vytvárajúcom vonkajšiu nulu. Vo všeobecnosti, oni Ryža. 23.1 uveďte celkový vnútorný prúd This povrchový prúd vytvára vnútorné mikroprúdové pole B v navyše spojenie medzi prúdom a poľom možno opísať vzorcom (22.21) pre nulu solenoidu:
Tu sa magnetická permeabilita rovná jednote, pretože úloha média sa berie do úvahy zavedením povrchového prúdu; hustota závitov vinutia solenoidu zodpovedá jednej na celú dĺžku solenoidu /: n = jeden //. V tomto prípade je magnetický moment povrchového prúdu určený magnetizáciou celého magnetu:
Z posledných dvoch vzorcov, berúc do úvahy definíciu magnetizácie (23.4), to vyplýva
alebo vo vektorovej forme
Potom zo vzorca (23.5) máme
Skúsenosti zo štúdia závislosti magnetizácie na sile vonkajšieho poľa ukazujú, že pole možno zvyčajne považovať za slabé a pri expanzii v Taylorovom rade sa stačí obmedziť na lineárny člen:
kde bezrozmerný koeficient úmernosti x - magnetická susceptibilita látok. S týmto vedomím máme
Porovnaním posledného vzorca pre magnetickú indukciu so známym vzorcom (22.1) získame vzťah medzi magnetickou permeabilitou a magnetickou susceptibilitou:
Upozorňujeme, že hodnoty magnetickej susceptibility pre diamagnety a paramagnety sú malé a sú zvyčajne modulo 10 "-10 4 (pre diamagnety) a 10 -8 - 10 3 (pre paramagnety). V tomto prípade pre diamagnety X x > 0 a p > 1.