Магнитният момент е основно свойство на елементарните частици. Количество Магнитен момент на тока Магнитен момент в si

Когато се постави във външно поле, веществото може да реагира на това поле и самото да стане източник магнитно поле(магнетизирам). Такива вещества се наричат магнити(сравнете с поведението на диелектриците в електрическо поле). Въз основа на техните магнитни свойства, магнитите се разделят на три основни групи: диамагнитни, парамагнитни и феромагнитни.

Различните вещества се магнетизират по различни начини. Определят се магнитните свойства на дадено вещество магнитни свойстваелектрони и атоми. Повечето вещества са слабо магнетизирани - това са диамагнитни и парамагнитни материали. Някои вещества при нормални условия (при умерени температури) могат да се магнетизират много силно - това са феромагнетици.

За много атоми полученият магнитен момент е нула. Веществата, състоящи се от такива атоми, са диамагетика.Те включват например азот, вода, мед, сребро, готварска сол NaCl, силициев диоксид Si0 2. Веществата, при които полученият магнитен момент на атома е различен от нула, се класифицират като парамагнитниПримери за парамагнитни материали са: кислород, алуминий, платина.

В бъдеще, когато говорим за магнитни свойства, ще имаме предвид главно диамагнитни и парамагнитни материали, а понякога ще обсъждаме специално свойствата на малка група феромагнитни материали.

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

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

електрон пресича произволна точка от своята орбита за единица време -

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

съответно електронен орбитален магнитен моментсъгласно формула (22.3) е равно на

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

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

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

Намагнитването се измерва в A/m.

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

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

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

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

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

Тук се взема магнитната проницаемост равно на едно, тъй като ролята на средата се взема предвид чрез въвеждане на повърхностен ток; Плътността на намотките на навивките на соленоида съответства на единица за цялата дължина на соленоида /: n = 1 //. В този случай магнитният момент на повърхностния ток се определя от намагнитването на целия магнит:

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

или във векторна форма

Тогава от формула (23.5) имаме

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

където безразмерният коефициент на пропорционалност x е магнитна чувствителноствещества. Като вземем предвид това, имаме

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

Имайте предвид, че стойностите на магнитната чувствителност за диамагнитни и парамагнитни материали са малки и обикновено възлизат на 10 "-10 4 (за диамагнитни материали) и 10 -8 - 10 3 (за парамагнитни материали). Освен това, за диамагнитни материали х x > 0 и p > 1.

МАГНИТЕН МОМЕНТ- физически стойност, характеризираща магнет свойства на системата за зареждане частици (или отделни частици) и определяне, заедно с други мултиполни моменти (електричен диполен момент, квадруполен момент и т.н., вж. Мултиполи) взаимодействие на системата с външни ел-магн. полета и други подобни системи.

Според идеите на класическата електродинамика, магнитна полето се създава от движещи се електрически вълни. обвинения. Макар и модерен теорията не отхвърля (и дори предсказва) съществуването на частици с магнитни полета. зареждане (магнитни монополи)

, такива частици все още не са наблюдавани експериментално и отсъстват от обикновената материя. Следователно, елементарната характеристика на магнитната свойства се оказва именно магнитната маса. Система, която има магнитна маса (аксиален вектор), създава магнитно поле на големи разстояния от системата. поле (- радиус вектор на точката на наблюдение). Electric има подобен външен вид. поле на дипол, състоящ се от две близко разположени ел заряди с противоположен знак. Въпреки това, за разлика от електрическия диполен момент. M. m. се създава не от система от точкови „магнитни заряди“, а от електрически. токове, протичащи в системата. Ако затворена електрическа плътност ток протича в ограничен обем V

, то създадената от него М. м. се определя от ф-лой В най-простия случай на затворен кръгов токаз

, протичаща по плоска намотка с площ s, , а векторът на MM е насочен по дясната нормала към намотката.

Ако токът се създава от стационарното движение на точка електрическа заряди с маси със скорости, тогава получената магнитна маса, както следва от формула (1), има формата (предполага се, че скоростите), след това вноските на отдела. частици в M. m и в момента броят на движенията се оказва пропорционален:

Фактор на пропорционалност e/2tsНаречен жиромагнитно отношение; тази стойност характеризира универсалната връзка между магнитите. и механични свойства на зарядното устройство частици в класическия електродинамика. Но движението на елементарните носители на заряд в материята (електроните) се подчинява на законите квантова механика, правейки корекции на класиката. снимка. В допълнение към орбиталната механична момент на движение Лелектронът има вътрешна механична момент - завъртане. Общият магнетизъм на електрона е равен на сумата от орбиталния магнетизъм (2) и спиновия магнетизъм.

Както може да се види от тази f-ly (следваща от релативистичната Уравнения на Диракза електрон), гиромагн. съотношението за въртене се оказва точно два пъти по-голямо от това за орбиталния момент. Характеристика на квантовата концепция за магнетизма. и механични точки е също, че векторите не могат да имат определена посока в пространството поради некомутативността на проекционните оператори на тези вектори върху координатните оси.

Завъртете M. m. частици, определени от f-loy (3), нар. нормално, за електрон е равно магнетонБора. Опитът показва обаче, че молекулната маса на електрон се различава от (3) със стойност от порядъка на ( - константа фина структура). Подобна добавка нар аномален магнитен момент, възниква поради взаимодействието на електрон с фотони, той се описва в рамките на квантовата електродинамика. Други елементарни частици също имат аномален магнетизъм; Те са особено страхотни за адрони, които според съвременните идеи, имат вътрешни структура. Така аномалната молекулна маса на протона е 2,79 пъти по-голяма от „нормалната“ магнитна маса на ядрения магнетон, ( Ме масата на протона), а молекулната маса на неутрона е равна на -1,91, т.е. тя е значително различна от нула, въпреки че неутронът няма електрическа мощност. зареждане.

Такива големи аномални М. М. на адроните се дължат на вътрешни. движение на включените в тях заряди. кварки. Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теория на полето, 7 изд., М., 1988; Huang K., Кварки, лептони и калибровъчни полета, прев. от английски, М., 1985..

Д. В. Гилцов Магнитният момент на завой с ток ефизическо количество

, като всеки друг магнитен момент, характеризира магнитните свойства на дадена система. В нашия случай системата е представена от кръгла намотка с ток. Този ток създава магнитно поле, което взаимодейства с външното магнитно поле. Това може да бъде полето на земята или полето на постоянен или електромагнит.— 1 кръгово завъртане с ток

Кръгла намотка с ток може да бъде представена като къс магнит. Освен това този магнит ще бъде насочен перпендикулярно на равнината на намотката. Местоположението на полюсите на такъв магнит се определя с помощта на правилото на гимлета. Според който северният плюс ще се намира зад равнината на намотката, ако токът в нея се движи по посока на часовниковата стрелка.

, като всеки друг магнитен момент, характеризира магнитните свойства на дадена система. В нашия случай системата е представена от кръгла намотка с ток. Този ток създава магнитно поле, което взаимодейства с външното магнитно поле. Това може да бъде полето на земята или полето на постоянен или електромагнит.— 2 Въображаема магнитна лента върху оста на бобината

Този магнит, тоест нашата кръгла намотка с ток, като всеки друг магнит, ще бъде засегнат от външно магнитно поле. Ако това поле е равномерно, тогава ще възникне въртящ момент, който ще се стреми да завърти намотката. Полето ще завърти намотката така, че нейната ос да е разположена по протежение на полето. В този случай силовите линии на самата бобина, като малък магнит, трябва да съвпадат по посока с външното поле.

Ако външното поле не е равномерно, тогава транслационното движение ще бъде добавено към въртящия момент. Това движение ще възникне поради факта, че участъци от полето с по-висока индукция ще привличат нашия магнит под формата на намотка повече от области с по-ниска индукция. И намотката ще започне да се движи към полето с по-голяма индукция.

Големината на магнитния момент на кръгла намотка с ток може да се определи по формулата.

Формула - 1 Магнитен момент на завой

Където I е токът, протичащ през завоя

S зона на завой с ток

n нормално на равнината, в която е разположена бобината

Така от формулата става ясно, че магнитният момент на завоя е векторно количество. Тоест, освен големината на силата, тоест нейния модул, тя има и посока. Този имотполучи магнитен момент поради факта, че включва нормалния вектор към равнината на завоя.

За да консолидирате материала, можете да проведете прост експеримент. За да направим това, имаме нужда от кръгла намотка от медна жица, свързана към батерията. В този случай захранващите проводници трябва да са достатъчно тънки и за предпочитане да са усукани заедно. Това ще намали влиянието им върху преживяването.

, като всеки друг магнитен момент, характеризира магнитните свойства на дадена система. В нашия случай системата е представена от кръгла намотка с ток. Този ток създава магнитно поле, което взаимодейства с външното магнитно поле. Това може да бъде полето на земята или полето на постоянен или електромагнит.—

Сега нека окачи намотката на захранващите проводници в еднообразно магнитно поле, създадено, да речем, от постоянни магнити. Бобината все още е без ток и нейната равнина е успоредна на силовите линии. В този случай неговата ос и полюсите на въображаемия магнит ще бъдат перпендикулярни на линиите на външното поле.

, като всеки друг магнитен момент, характеризира магнитните свойства на дадена система. В нашия случай системата е представена от кръгла намотка с ток. Този ток създава магнитно поле, което взаимодейства с външното магнитно поле. Това може да бъде полето на земята или полето на постоянен или електромагнит.—

Когато се приложи ток към бобината, нейната равнина ще се завърти перпендикулярно на силовите линии на постоянния магнит и оста ще стане успоредна на тях. Освен това посоката на въртене на бобината ще се определя от правилото на гимлета. И строго погледнато, посоката, в която тече токът по завоя.

Всякакви вещества. Източникът на формирането на магнетизма, както е посочено от класическия електромагнитна теория, са микротокове, възникващи поради движението на електрон в орбита. Магнитният момент е незаменимо свойство на всички ядра, атомни електронни обвивки и молекули без изключение.

Магнетизмът, който е присъщ на всички елементарни частици, съответно се дължи на наличието на механичен момент в тях, наречен спин (техният собствен механичен импулс с квантово естество). Магнитните свойства на атомното ядро ​​се формират от спиновите импулси на съставните части на ядрото - протони и неутрони. Електронни черупки(вътреатомни орбити) също имат магнитен момент, който е сумата от магнитните моменти на разположените върху него електрони.

С други думи, магнитните моменти на елементарните частици се причиняват от вътрешноатомен квантов механичен ефект, известен като спинов момент. Този ефект е подобен на ъгловия момент на въртене около собствената му централна ос. Инерцията на въртене се измерва в Константа на Планк- основната константа на квантовата теория.

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

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

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

При такова подреждане на магнитните моменти на феромагнитните атоми възниква магнитно поле. А парамагнитните елементи, състоящи се от атоми с дезориентирани магнитни моменти, нямат собствено магнитно поле. Но ако им повлияеш външен източникмагнетизъм, тогава магнитните моменти на атомите ще се изравнят и тези елементи също ще придобият магнитни свойства.

Кикоин А.К. Магнитен момент на тока // Quantum. - 1986. - № 3. - С. 22-23.

По специално споразумение с редакционната колегия и редакторите на сп. "Квант"

От курса по физика за девети клас („Физика 9“, § 88) е известно, че за прав проводник с дължина лс ток В най-простия случай на затворен кръгов ток, ако се постави в еднообразно магнитно поле с индукция \(~\vec B\), сила \(~\vec F\) действа еднаква по големина

\(~F = BIl \sin \alpha\) ,

Където α - ъгълът между посоката на тока и вектора на магнитната индукция. Тази сила е насочена перпендикулярно както на полето, така и на тока (според правилото на лявата ръка).

Правият проводник е само част електрическа верига, тъй като електрическият ток винаги е затворен. Как действа магнитното поле върху затворен ток или по-точно върху затворена верига с ток?

Фигура 1 показва като пример контур във формата на правоъгълна рамка със страни аИ b, по който тече ток в посоката, указана със стрелките В най-простия случай на затворен кръгов ток.

Рамката е поставена в еднородно магнитно поле с индукция \(~\vec B\), така че в началния момент векторът \(~\vec B\) лежи в равнината на рамката и е успореден на двете й страни. Разглеждайки всяка страна на рамката поотделно, откриваме, че страните (дълж А) силите действат еднакви по големина Е = БСКи насочени в противоположни посоки. Силите не действат на другите две страни (за тях грях α = 0). Всяка от силите Епо отношение на оста, минаваща през средните точки на горната и долната страна на рамката, създава момент на сила (въртящ момент), равен на \(~\frac(BIab)(2)\) (\(~\frac(b) (2)\) - сила на рамото). Знаците на моментите са еднакви (и двете сили въртят рамката в една и съща посока), така че общият въртящ момент Мравно на BIab, или, тъй като продуктът абравна на площ Срамка,

\(~M = BIab = BIS\) .

Под въздействието на този момент рамката ще започне да се върти (ако се гледа отгоре, след това по часовниковата стрелка) и ще се върти, докато равнината й стане перпендикулярна на индукционния вектор \(~\vec B\) (фиг. 2).

В това положение сумата от силите и сумата от моментите на силите са равни на нула и рамката е в състояние на стабилно равновесие. (Всъщност рамката няма да спре веднага - за известно време тя ще осцилира около равновесното си положение.)

Не е трудно да се покаже (направи го сам), че във всяко междинно положение, когато нормалата към контурната равнина сключва произволен ъгъл β с индукция на магнитно поле въртящият момент е равен на

\(~M = BIS \sin \beta\) .

От този израз е ясно, че за дадена стойност на индукцията на полето и за определено положение на веригата с ток, въртящият момент зависи само от произведението на площта на веригата Сна силата на тока В най-простия случай на затворен кръгов токв него. Размер Еи се нарича магнитен момент на тоководещата верига. По-точно, Ее големината на вектора на магнитния момент. И този вектор е насочен перпендикулярно на равнината на веригата и по такъв начин, че ако мислено завъртите гимлета по посока на тока във веригата, тогава посоката на транслационното движение на гимлета ще покаже посоката на магнитен момент. Например, магнитният момент на веригата, показана на фигури 1 и 2, е насочен от нас извън равнината на страницата. Магнитният момент се измерва в A m 2.

Сега можем да кажем, че верига с ток в еднородно магнитно поле е инсталирана така, че нейният магнитен момент „гледа“ в посоката на полето, което е причинило нейното въртене.

Известно е, че не само тоководещите вериги имат свойството да създават собствено магнитно поле и да се въртят във външно поле. Същите свойства се наблюдават в магнетизирана пръчка, например в игла на компас.

Още през 1820 г. забележителният френски физик Ампер изрази идеята, че сходството в поведението на магнит и верига с ток се обяснява с факта, че в частиците на магнита съществуват затворени токове. Вече е известно, че атомите и молекулите всъщност съдържат малки електрически токовесвързани с движението на електроните по техните орбити около ядрата. Поради това атомите и молекулите на много вещества, като парамагнитните вещества, имат магнитни моменти. Въртенето на тези моменти във външно магнитно поле води до намагнитване на парамагнитни вещества.

Оказа се друго. Всички частици, които изграждат атом, също имат магнитни моменти, които изобщо не са свързани с никакви движения на заряди, тоест с токове. За тях магнитният момент е същото „вродено“ качество като заряд, маса и т.н. Дори частица, която няма електрически заряд, неутрон, има магнитен момент. компонентатомни ядра. Следователно атомните ядра също имат магнитен момент.

Следователно магнитният момент е едно от най-важните понятия във физиката.