Магнитный момент
основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Источником магнетизма, согласно классической теории электромагнитных явлений, являются электрические макро- и микротоки. Элементарным источником магнетизма считают замкнутый ток. Из опыта и классической теории электромагнитного поля следует, что магнитные действия замкнутого тока (контура с током) определены, если известно произведение (М
) силы тока i
на площадь контура σ (М
= i
σ/c
в СГС системе единиц (См. СГС система единиц), с
-
скорость света). Вектор М
и есть, по определению, М. м. Его можно записать и в иной форме: М
= m l
, где m -
эквивалентный Магнитный заряд контура, а l
- расстояние между «зарядами» противоположных знаков (+ и -
). М. м. обладают элементарные частицы, атомные ядра, электронные оболочки атомов и молекул. М. м. элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов и других), как показала квантовая механика, обусловлен существованием у них собственного механического момента - Спин а. М. м. ядер складываются из собственных (спиновых) М. м. образующих эти ядра протонов и нейтронов, а также М. м., связанных с их орбитальным движением внутри ядра. М. м. электронных оболочек атомов и молекул складываются из спиновых и орбитальных М. м. электронов. Спиновый магнитный момент электрона m сп может иметь две равные и противоположно направленные проекции на направление внешнего магнитного поля Н.
Абсолютная величина проекции где μ в = (9,274096 ±0,000065)·10 -21 эрг/гс -
Бора магнетон , h -
Планка постоянная , е
и m
e - заряд и масса электрона, с
- скорость света; S H -
проекция спинового механического момента на направление поляH
.
Абсолютная величина спинового М. м. где s
= 1 / 2 - спиновое квантовое число (См. Квантовые числа). Отношение спинового М. м. к механическому моменту (спину) так как спин Исследования атомных спектров показали, что m Н сп фактически равно не m в, а m в (1 + 0,0116). Это обусловлено действием на электрон так называемых нулевых колебаний электромагнитного поля (см. Квантовая электродинамика , Радиационные поправки).
Орбитальный М. м. электрона m орб связан с механическим орбитальным моментом орб соотношением g
opб = |m орб | / | орб | = |e
|/2m
e c
, то есть Магнитомеханическое отношение g
opб в два раза меньше, чем g
cп. Квантовая механика допускает лишь дискретный ряд возможных проекций m орб на направление внешнего поля (так называемое Квантование пространственное): m Н орб = m l m в ,
где m l -
магнитное квантовое число, принимающее 2l
+ 1 значений (0, ±1, ±2,..., ±l
, где l
-
орбитальное квантовое число). В многоэлектронных атомах орбитальный и спиновый М. м. определяются квантовыми числами L
и S
суммарного орбитального и спинового моментов. Сложение этих моментов проводится по правилам пространственного квантования. В силу неравенства магнитомеханических отношений для спина электрона и его орбитального движения (g
cп ¹ g
opб) результирующий М. м. оболочки атома не будет параллелен или антипараллелен её результирующему механическому моменту J
.
Поэтому часто рассматривают слагающую полного М. м. на направление вектора J
, равную где g
J - магнитомеханическое отношение электронной оболочки, J
- полное угловое квантовое число. М. м. протона, спин которого равен где M p
- масса протона, которая в 1836,5 раз больше m
e , m яд - ядерный магнетон, равный 1/1836,5m в. У нейтрона же М. м. должен был бы отсутствовать, поскольку он лишён заряда. Однако опыт показал, что М. м. протона m p = 2,7927m яд, а нейтрона m n = -1,91315m яд. Это обусловлено наличием мезонных полей около нуклонов, определяющих их специфические ядерные взаимодействия (см. Ядерные силы , Мезоны) и влияющих на их электромагнитные свойства. Суммарные М. м. сложных атомных ядер не являются кратными m яд или m p и m n . Таким образом, М. м. ядра калия Для характеристики магнитного состояния макроскопических тел вычисляется среднее значение результирующего М. м. всех образующих тело микрочастиц. Отнесённый к единице объёма тела М. м. называется намагниченностью. Для макротел, особенно в случае тел с атомным магнитным упорядочением (ферро-, ферри- и антиферромагнетики), вводят понятие средних атомных М. м. как среднего значения М. м., приходящегося на один атом (ион) - носитель М. м. в теле. В веществах с магнитным порядком эти средние атомные М. м. получаются как частное от деления самопроизвольной намагниченности ферромагнитных тел или магнитных подрешёток в ферри- и антиферромагнетиках (при абсолютном нуле температуры) на число атомов - носителей М. м. в единице объёма. Обычно эти средние атомные М. м. отличаются от М. м. изолированных атомов; их значения в магнетонах Бора m в оказываются дробными (например, в переходных d-металлах Fe, Со и Ni соответственно 2,218 m в, 1,715 m в и 0,604 m в) Это различие обусловлено изменением движения d-электронов (носителей М. м.) в кристалле по сравнению с движением в изолированных атомах. В случае редкоземельных металлов (лантанидов), а также неметаллических ферро- или ферримагнитных соединений (например, ферриты) недостроенные d- или f-слои электронной оболочки (основные атомные носители М. м.) соседних ионов в кристалле перекрываются слабо, поэтому заметной коллективизации этих слоев (как в d-металлах) нет и М. м. таких тел изменяются мало по сравнению с изолированными атомами. Непосредственное опытное определение М. м. на атомах в кристалле стало возможным в результате применения методов магнитной нейтронографии, радиоспектроскопии (ЯМР, ЭПР, ФМР и т.п.) и Мёссбауэра эффекта. Для парамагнетиков также можно ввести понятие среднего атомного М. м., который определяется через найденную на опыте постоянную Кюри, входящую в выражение для Кюри закон а или Кюри - Вейса закон а (см. Парамагнетизм). Лит.:
Тамм И. Е., Основы теории электричества, 8 изд., М., 1966; Ландау Л. Д. и Лифшиц Е. М., Электродинамика сплошных сред, М., 1959; Дорфман Я. Г., Магнитные свойства и строение вещества, М., 1955; Вонсовский С. В., Магнетизм микрочастиц, М., 1973. С. В. Вонсовский.
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия
.
1969-1978
.
Смотреть что такое "Магнитный момент" в других словарях:
Размерность L2I Единицы измерения СИ А⋅м2 … Википедия
Основная величина, характеризующая магн. свойства в ва. Источником магнетизма (М. м.), согласно классич. теории эл. магн. явлений, явл. макро и микро(атомные) электрич. токи. Элем. источником магнетизма считают замкнутый ток. Из опыта и классич.… … Физическая энциклопедия
Большой Энциклопедический словарь
МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ, измерение силы постоянного магнита или токонесущей катушки. Это максимальная поворотная сила (поворотный момент), приложенная к магниту, катушке или электрическому заряду в МАГНИТНОМ ПОЛЕ, деленная на силу поля. Заряженные… … Научно-технический энциклопедический словарь
МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ - физ. величина, характеризующая магнитные свойства тел и частиц вещества (электронов, нуклонов, атомов и т.д.); чем больше магнитный момент, тем сильнее (см.) тела; магнитным моментом определяются магнитное (см.). Поскольку всякий электрический… … Большая политехническая энциклопедия
- (Magnetic moment) произведение из магнитной массы данного магнита на расстояние между его полюсами. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ Союза ССР, 1941 … Морской словарь
магнитный момент - Хар ка магн. св в тела, усл. выраж. произвед. величины магн. заряда в каждом полюсе на расстояние м ду полюсами. Тематики металлургия в целом EN magnetic moment … Справочник технического переводчика
Векторная величина, характеризующая вещество как источник магнитного поля. Макроскопический магнитный момент создают замкнутые электрические токи и упорядоченно ориентированные магнитные моменты атомных частиц. У микрочастиц различают орбитальные … Энциклопедический словарь
Опыт показывает, что все вещества являются магнетиками, т.е. способны под действием внешнего магнитного поля создавать собственное, внутреннее магнитное поле (приобретать собственный магнитный момент, намагничиваться).
Для объяснения намагничивания тел Ампер предположил, что в молекулах веществ циркулируют круговые молекулярные токи. Каждый такой микроток I i имеет собственный магнитный момент и создает в окружающем пространстве магнитное поле (рис.1). В отсутствии внешнего поля молекулярные токи и связанные с ними ориентированы беспорядочно, поэтому результирующее поле внутри вещества и суммарный момент всего вещества равны нулю. При помещении вещества во внешнее магнитное поле магнитные моменты молекул приобретают преимущественно ориентацию в одном направлении, суммарный магнитный момент становится отличным от нуля, магнетик намагничивается. Магнитные поля отдельных молекулярных токов уже не компенсируют друг друга и внутри магнетика возникает его собственное внутреннее поле.
Рассмотрим причину этого явления с точки зрения строения атомов на основе планетарной модели атома. Согласно Резерфорду, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, вокруг которого по стационарным орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны. Электрон, движущийся по круговой орбите вокруг ядра, можно рассматривать как круговой ток (микроток). Поскольку за направление тока условно принято направление движения положительных зарядов, а заряд электрона отрицательный, направление микротока противоположно направлению движения электрона (рис.2).
Величину микротока I e можно определить следующим образом. Если за время t электрон совершил N оборотов вокруг ядра, то через площадку, расположенную в любом месте на пути электрона, был перенесен заряд - заряд электрона).
Согласно определению силы тока,
где частота вращения электрона.
Если ток I течет по замкнутому контуру, то такой контур обладает магнитным моментом, модуль которого равен
где S - площадь, ограниченная контуром.
Для микротока такой площадью является площадь орбиты S = p r 2
(r - радиус орбиты), а его магнитный момент равен
где w = 2pn - циклическая частота, - линейная скорость электрона.
Момент обусловлен движением электрона по орбите, поэтому называется орбитальным магнитным моментом электрона.
Магнитный момент p m , которым обладает электрон вследствие своего движения по орбите, называется орбитальным магнитным моментом электрона.
Направление вектора образует с направлением микротока правовинтовую систему.
Как всякая материальная точка, движущаяся по окружности, электрон обладает моментом импульса:
Момент импульса L, которым обладает электрон вследствие своего движения по орбите, называется орбитальным механическим моментом. Он образует правовинтовую систему с направлением движения электрона. Как видно из рис.2, направления векторов и противоположны.
Оказалось, что, кроме орбитальных моментов (т.е. обусловленных движением по орбите), электрон обладает собственными механическим и магнитным моментами.
Первоначально существование и пытались объяснить, рассматривая электрон как шарик, вращающийся вокруг своей собственной оси, поэтому собственный механический момент импульса электрона получил название спин (от англ. spin - вращаться). В дальнейшем обнаружилось, что такое представление приводит к ряду противоречий и от гипотезы о «вращающемся» электроне отказались.
В настоящее время установлено, что спин электрона и связанный с ним собственный (спиновый) магнитный момент являются неотъемлемым свойством электрона, подобно его заряду и массе.
Магнитный момент электрона в атоме складывается из орбитального и спинового моментов:
Магнитный момент атома слагается из магнитных моментов входящих в его состав электронов (магнитным моментом ядра ввиду его малости пренебрегают):
.
Намагничение вещества.
Атом в магнитном поле. Диа- и парамагнитный эффекты.
Рассмотрим механизм действия внешнего магнитного поля на движущиеся в атоме электроны, т.е. на микротоки.
Как известно, при помещении контура с током в магнитное поле с индукцией возникает вращающий момент сил
под действием которого контур ориентируется таким образом, что плоскость контура располагается перпендикулярно, а магнитный момент - вдоль направления вектора (рис.3).
Аналогично ведет себя электронный микроток. Однако ориентация орбитального микротока в магнитном поле происходит не совсем так, как контура с током. Дело в том, что электрон, движущийся вокруг ядра и обладающий моментом импульса, подобен волчку, следовательно, ему присущи все особенности поведения гироскопов под действием внешних сил, в частности, гироскопический эффект. Поэтому, когда при помещении атома в магнитное поле на орбитальный микроток начинает действовать вращающий момент стремящийся установить орбитальный магнитный момент электрона вдоль направления поля, возникает прецессия векторов и вокруг направления вектора (вследствие гироскопического эффекта). Частота этой прецессии
называется ларморовой частотой и одинакова для всех электронов атома.
Таким образом, при помещении любого вещества в магнитное поле каждый электрон атома за счет прецессии своей орбиты вокруг направления внешнего поля порождает дополнительное индуцированное магнитное поле, направленное против внешнего и ослабляющее его. Поскольку индуцированные магнитные моменты всех электронов направлены одинаково (противоположно вектору ), суммарный индуцированный момент атома также направлен против внешнего поля.
Явление возникновения в магнетиках индуцированного магнитного поля (вызванного прецессией электронных орбит во внешнем магнитном поле), направленного противоположно внешнему полю и ослабляющему его, называется диамагнитным эффектом. Диамагнетизм присущ всем веществам природы.
Диамагнитный эффект приводит к ослаблению внешнего магнитного поля в магнетиках.
Однако, возможно возникновение и еще одного эффекта, называемого парамагнитным. В отсутствии магнитного поля магнитные моменты атомов вследствие теплового движения ориентированы беспорядочно и результирующий магнитный момент вещества равен нулю (рис.4,а).
При внесении такого вещества в однородное магнитное поле с индукцией поле стремится установить магнитные моменты атомов вдоль ,поэтому векторы магнитных моментов атомов (молекул) прецессируют вокруг направления вектора . Тепловое движение и взаимные столкновения атомов приводят к постепенному затуханию прецессии и уменьшении углов между направлениями векторов магнитных моментов и вектора .Совместное действие магнитного поля и теплового движения приводит к преимущественной ориентации магнитных моментов атомов вдоль поля
(рис.4, б), тем большей, чем больше и тем меньшей, чем выше температура. В результате суммарный магнитный момент всех атомов вещества станет отличным от нуля, вещество намагнитится, в нем возникает собственное внутреннее магнитное поле, сонаправленное с внешним полем и усиливающее его.
Явление возникновения в магнетиках собственного магнитного поля, вызванного ориентацией магнитных моментов атомов вдоль направления внешнего поля и усиливающего его, называется парамагнитным эффектом.
Парамагнитный эффект приводит к усилению внешнего магнитного поля в магнетиках.
При помещении любого вещества во внешнее магнитное поле оно намагничивается, т.е. приобретает магнитный момент за счет диа- или парамагнитного эффекта, в самом веществе возникает его собственное внутреннее магнитное поле (поле микротоков) с индукцией .
Для количественного описания намагничения вещества вводят понятие намагниченности.
Намагниченность магнетика - это векторная физическая величина, равная суммарному магнитному моменту единицы объема магнетика:
В СИ намагниченность измеряется в A/м.
Намагниченность зависит от магнитных свойств вещества, величины внешнего поля и температуры. Очевидно, что намагниченность магнетика связана с индукцией .
Как показывает опыт, для большинства веществ и не в очень сильных полях намагниченность прямо пропорциональна напряженности внешнего поля, вызывающего намагничение:
где c - магнитная восприимчивость вещества, безразмерная величина.
Чем больше величина c, тем более намагниченным оказывается вещество при заданном внешнем поле.
Можно доказать, что
Магнитное поле в веществе является векторной суммой двух полей: внешнего магнитного поля и внутреннего, или собственного магнитного поля, создаваемого микротоками. Вектор магнитной индукции магнитного поля в веществе характеризует результирующее магнитное поле и равен геометрической сумме магнитных индукций внешнего и внутреннего магнитных полей:
Относительная магнитная проницаемость вещества показывает, во сколько раз индукция магнитного поля изменяется в данном веществе.
Что именно происходит с магнитным полем в данном конкретном веществе - усиливается оно или ослабляется - зависит от величины магнитного момента атома (или молекулы) данного вещества.
Диа- и парамагнетики. Ферромагнетики.
Магнетиками называются вещества, способные во внешнем магнитном поле приобретать магнитные свойства, - намагничиваться, т.е. создавать собственное внутреннее магнитное поле.
Как уже говорилось, все вещества являются магнетиками, так как их собственное внутреннее магнитное поле определяется векторным суммированием микрополей , порождаемых каждым электроном каждого атома:
Магнитные свойства вещества определяются магнитными свойствами электронов и атомов данного вещества. По своим магнитным свойствам магнетики подразделяются на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферриты. Рассмотрим последовательно эти классы веществ.
Мы выяснили, что при помещении вещества в магнитное поле могут возникнуть два эффекта:
1. Парамагнитный, приводящий к усилению магнитного поля в магнетике вследствие ориентации магнитных моментов атомов вдоль направления внешнего поля.
2. Диамагнитный, приводящий к ослаблению поля вследствие прецессии электронных орбит во внешнем поле.
Как определить, какой из этих эффектов возникнет (или оба одновременно), какой из них оказывается сильнее, что происходит в конечном итоге с магнитным полем в данном веществе - усиливается оно или ослабляется?
Как нам уже известно, магнитные свойства вещества определяются магнитными моментами его атомов, а магнитный момент атома слагается из орбитальных и собственных спиновых магнитных моментов, входящих в его состав электронов:
.
У атомов некоторых веществ векторная сумма орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов равна нулю, т.е. магнитный момент всего атома равен нулю, При помещении таких веществ в магнитное поле парамагнитный эффект, естественно, возникнуть не может, так как он возникает только за счет ориентации магнитных моментов атомов в магнитном поле, здесь же их нет.
А вот прецессия электронных орбит во внешнем поле, обуславливающая диамагнитный эффект, возникает всегда, поэтому диамагнитный эффект возникает у всех веществ при помещении их в магнитное поле.
Таким образом, если магнитный момент атома (молекулы) вещества равен нулю (за счет взаимной компенсации магнитных моментов электронов), то при помещении такого вещества в магнитное поле в нем будет возникать только диамагнитный эффект. При этом собственное магнитное поле магнетика направлено противоположно внешнему полю и ослабляет его. Такие вещества называют диамагнетиками.
Диамагнетиками называются вещества, у которых в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов равны нулю.
Диамагнетики во внешнем магнитном поле намагничиваются против направления внешнего поля и ослабляют его, поэтому
B = B 0 - B¢, m < 1.
Ослабление поля в диамагнетике очень незначительно. Например, для одного из наиболее сильных диамагнетиков, висмута, m » 0,99998.
Диамагнетиками являются многие металлы (серебро, золото, медь), большинство органических соединений, смолы, углерод и т.д.
Если в отсутствии внешнего магнитного поля магнитный момент атомов вещества отличен от нуля, при помещении такого вещества в магнитное поле в нем будут возникать и диамагнитный, и парамагнитный эффекты, однако диамагнитный эффект всегда значительно слабее парамагнитного и на его фоне практически незаметен. Собственное магнитное поле магнетика будет сонаправлено с внешним полем и усиливает его. Такие вещества называются парамагнетиками. Парамагнетики - это вещества, у которых в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов отличны от нуля.
Парамагнетики во внешнем магнитном поле намагничиваются по направлению внешнего поля и усиливают его. Для них
B = B 0 +B¢, m > 1.
Магнитная проницаемость для большинства парамагнетиков немного больше единицы.
К парамагнетикам относятся редкоземельные элементы, платина, алюминий и т.д.
Если диамагнитный эффект, B = B 0 -B¢, m < 1.
Если диа- и парамагнитный эффекты, B = B 0 +B¢, m > 1.
Ферромагнетики.
Все диа- и парамегнетики - это вещества, намагничивающиеся весьма слабо, их магнитная проницаемость близка к единице и не зависит от напряженности магнитного поля Н. Наряду с диа- и парамагнетиками имеются вещества, способные сильно намагничиваться. Они называются ферромагнетиками.
Ферромагнетики или ферромагнитные материалы получили свое название от латинского наименования основного представителя этих веществ - железа (ferrum). К ферромагнетикам, кроме железа, относятся кобальт, никель гадолиний, многие сплавы и химические соединения. Ферромагнетики - это вещества, способные очень сильно намагничиваться, в которых внутреннее (собственное) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превышать вызвавшее его внешнее магнитное поле.
Свойства ферромагнетиков
1. Способность сильно намагничиваться.
Значение относительной магнитной проницаемости m в некоторых ферромагнетиках достигает величины 10 6 .
2. Магнитное насыщение.
На рис. 5 приведена экспериментальная зависимость намагниченности от напряженности внешнего магнитного поля . Как видно из рисунка, с некоторого значения Н численное значение намагниченности ферромагнетиков практически остается постоянным и равным J нас. Это явление было открыто русским ученым А.Г. Столетовым и названо магнитным насыщением.
 |
3.Нелинейные зависимости B(H) и m(H).
С ростом напряженности индукция сначала увеличивается, но по мере намагничения магнетика ее нарастание замедляется, и в сильных полях растет с увеличением по линейному закону (рис.6).
Вследствие нелинейной зависимости B(H),
т.е. магнитная проницаемость m сложным образом зависит от напряженности магнитного поля (рис.7). Вначале, с увеличением напряженности поля m возрастает от начального значения до некоторой максимальной величины, а затем уменьшается и асимптотически стремится у единице.
4. Магнитный гистерезис.
Другой отличительной особенностью ферромагнетиков является их
способность сохранять намагничение после снятия намагничивающего поля. При изменении напряженности внешнего магнитного поля от нуля в сторону положительных значений индукция возрастает (рис.8, участок
При уменьшении до нуля магнитная индукция запаздывает в уменьшении и при значении , равным нулю, оказывается равной (остаточная индукция), т.е. при снятии внешнего поля ферромагнетик остается намагниченным и представляет собой постоянный магнит. Для полного размагничивания образца необходимо приложить магнитное поле обратного направления - . Величина напряженности магнитного поля ,
которую надо приложить к ферромагнетику для его полного размагничивания, называется коэрцитивной силой
.
Явление отставания изменения магнитной индукции в ферромагнетике от изменения напряженности переменного по величине и направлению внешнего намагничивающего поля называется магнитным гистерезисом.
При этом зависимость от будет изображаться петлеобразной кривой, носящей название петли гистерезиса, изображенной на рис.8.
В зависимости от формы петли гистерезиса различают магнитожесткие и магнитомягкие ферромагнетики. Жесткими ферромагнетиками называют вещества с большим остаточным намагничением и большой коэрцитивной силой, т.е. с широкой петлей гистерезиса. Они применяются для изготовления постоянных магнитов (углеродистые, вольфрамовые, хромовые, аллюминиево-никелевые и другие стали).
Мягкими ферромагнетиками называются вещества с малой коэрцитивной силой, которые очень легко перемагничиваются, с узкой петлей гистерезиса. (Чтобы получить эти свойства, специально создано так называемое трансформаторное железо, сплав железа с небольшой примесью кремния). Область их применения - изготовление сердечников трансформаторов; к ним относятся мягкое железо, сплавы железа с никелем (пермаллой, супермаллой).
5. Наличие температуры (точки) Кюри.
Точка Кюри - это характерная для данного ферромагнетика температура, при которой полностью исчезают ферромагнитные свойства.
При нагревании образца выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик. При охлаждении ниже точки Кюри он восстанавливает свои ферромагнитные свойства. Для различных веществ эта температура различна (для Fe - 770 0 C, для Ni - 260 0 C).
6. Магнитострикция - явление деформации ферромагнетиков при намагничивании. Величина и знак магнитострикции зависят от напряженности намагничивающего поля и природы ферромагнетика. Это явление широко используют для устройства мощных излучателей ультразвука, применяемых в гидролокации, звукоподводной связи, навигации и т.д.
У ферромагнетиков наблюдается и обратное явление - изменение намагниченности при деформации. Сплавы со значительной магнитострикцией применяются в приборах, служащих для измерения давления и деформаций.
Природа ферромагнетизма
Описательная теория ферромагнетизма была предложена французским физиком П. Вейссом в 1907 году, а последовательная количественная теория на основе квантовой механики разработана советским физиком Я. Френкелем и немецким физиком В. Гейзенбергом (1928 год).
Согласно современным представлениям, магнитные свойства ферромагнетиков определяются спиновыми магнитными моментами (спинами) электронов; ферромагнетиками могут быть только кристаллические вещества, в атомах которых имеются недостроенные внутренние электронные оболочки с некомпенсированными спинами. При этом возникают силы, вынуждающие спиновые магнитные моменты электронов ориентироваться параллельно друг другу. Эти силы называются силами обменного взаимодействия, они имеют квантовую природу и обусловлены волновыми свойствами электронов.
Под действием этих сил в отсутствии внешнего поля ферромагнетик разбивается на большое число микроскопических областей - доменов, размеры которых порядка 10 -2 - 10 -4 cм. Внутри каждого домена спины электронов сориентированы параллельно друг другу, так что весь домен намагничен до насыщения, но направления намагничивания в отдельных доменах различны, так что полный (суммарный) магнитный момент всего ферромагнетика равен нулю. Как известно, любая система стремится находиться в состоянии, при котором ее энергия минимальна. Разбиение ферромагнетика на домены происходит потому, что при образовании доменной структуры энергия ферромагнетика уменьшается. Точка Кюри оказывается той температурой, при которой происходит разрушение доменов, и ферромагнетик утрачивает свои ферромагнитные свойства.
Существование доменной структуры ферромагнетиков доказано экспериментально. Прямым экспериментальным методом их наблюдения является метод порошковых фигур. Если на тщательно отполированную поверхность ферромагнетика нанести водную суспензию мелкого ферромагнитного порошка (например, магнетика), то частицы оседают преимущественно в местах максимальной неоднородности магнитного поля, т.е. на границах между доменами. Поэтому осевший порошок очерчивает границы доменов, и подобную картину можно сфотографировать под микроскопом.
| |
| |
|
 |
- намагничен-ность всего магне-тика в состоянии насыщения
|
Поскольку, как известно, всякая система стремится к минимуму энергии, возникает процесс смещения границ доменов, при котором объем доменов с меньшей энергией возрастает, а с большей энергией уменьшается (рис.9, б). В случае очень слабых полей эти смещения границ обратимы и точно следуют за изменениями поля (если поле выключить, намагниченность снова будет равна нулю). Этот процесс соответствует участку кривой В(Н) (рис.10). При увеличении поля смещения границ доменов делаются необратимыми.
При достаточной величине намагничивающего поля энергетически невыгодные домены исчезают (рис.9, в, участок рис.7). Если поле увеличивается еще больше, происходит доворачивание магнитных моментов доменов по полю, так что весь образец превращается в один большой домен (рис.9, г, участок рис.10).
Многочисленные интересные и ценные свойства ферромагнетиков позволяют широко использовать их в различных областях науки и техники: для изготовления сердечников трансформаторов и электро-механических излучателей ультразвука, в качестве постоянных магнитов и т.п. Ферромагнитные материалы находят применения в военном деле: в различных электро- и радиоустройствах; как источники ультразвука - в гидролокации, навигации, звукоподводной связи; как постоянные магниты - при создании магнитных мин и для магнитометрической разведки. Магнитометрическая разведка позволяет обнаруживать и опознавать объекты, содержащие ферромагнитные материалы; используется в системе борьбы с подводными лодками и морскими минами.
Опыты Штерна и Герлаха
В $1921$ г. О. Штерн выдвинул идею опыта измерения магнитного момента атома. Данный эксперимент он выполнил в соавторстве с В. Герлахом в $1922$ г. Метод Штерна и Герлаха использует то, что пучок атомов (молекул) способен отклоняться в неоднородном магнитном поле. Атом, который имеет магнитный момент можно представить как элементарный магнит, имеющий малые, но конечные размеры. Если подобный магнит разместить в однородном магнитном поле, то он не испытывает силы. Поле будет действовать на северный и южный полюса такого магнита с силами, которые равны по модулю и противоположны по направлению. В результате, центр инерции атома будет покоиться или двигаться по прямой. (При этом ось магнита может совершать колебания или прецессировать). То есть, в однородном магнитном поле не возникает сил, которые действуют на атом и сообщают ему ускорение. Однородное магнитное поле не изменяет угол между направлениями индукции магнитного поля и магнитного момента атома.
Ситуация складывается иначе, если внешнее поле является неоднородным. В таком случае силы, которые действуют на северный и южный полюса магнита не равны. Результирующая сила, действующая на магнит отлична от нуля, и она сообщает атому ускорение, по полю или против него. Как результат, при перемещении в неоднородном поле рассматриваемый нами магнит отклонится от первоначального направления движения. При этом размер отклонения зависит от степени неоднородности поля. Для того, чтобы получить существенные отклонения поле должно резко изменяться уже в пределах длины магнита (линейные размеры атома $\approx {10}^{-8}см$). Такой неоднородности экспериментаторы добились с помощью конструкции магнита, который создавал поле. Один магнит в опыте имел вид лезвия, другой был плоским или обладал выемкой. Магнитные линии сгущались у «лезвия», так что напряженность в этой области была существенно больше, чем у плоского полюса. Тонкий пучок атомов пролетал между данными магнитами. Отдельные атомы отклонялись в созданном поле. Следы отдельных частиц наблюдались на экране.
Согласно представлениям классической физики в атомном пучке магнитные моменты имеют различные направления по отношению к некоторой оси $Z$. Что означает: проекция магнитного момента ($p_{mz}$) на данную ось принимает все значения интервала от $\left|p_m\right|$ до -$\left|p_m\right|$ (где $\left|p_{mz}\right|-$ модуль магнитного момента). На экране пучок должен получиться расширившимся. Однако, в квантовой физике, если учесть квантование, то возможными становятся не все ориентации магнитного момента, а только конечное их количество. Так, на экране след пучка атомов получался расщепленным на некоторое число отдельных следов.
Поставленные эксперименты показали, что например, пучок атомов лития расщепился на $24$ пучка. Это является обоснованным, так как основной термом $Li - 2S$ -- терм (один валентный электрон, имеющий спин $\frac{1}{2}\ $ на s --орбите, $l=0).$ По размерам расщепления можно сделать вывод о величине магнитного момента. Так Герлах получил доказательство того, что спиновый магнитный момент равен магнетону Бора. Исследования разных элементов показали полное согласование с теорией.
Штерн и Раби измерили магнитные моменты ядер, применяя данный подход.
Итак, если проекция $p_{mz}$ квантована, вместе с ней квантована средняя сила, которая действует на атом со стороны магнитного поля. Опыты Штерна и Герлаха доказали квантование проекции магнитного квантового числа на ось $Z$. Получилось, что магнитные моменты атомов направлены параллельно оси $Z$, под углом к данной оси они направлены быть не могут, так пришлось принять то, что ориентация магнитных моментов относительно магнитного поля изменяется дискретно. Данное явление было названо пространственным квантованием. Дискретность не только состояния атомов, но и ориентировок магнитных моментов атома во внешнем поле -- принципиально новое свойство перемещения атомов.
Полностью опыты были объяснены после открытия спина электрона , когда получили то, что магнитный момент атома вызван не орбитальным моментом электрона, а внутренним магнитным моментом частицы, который связан с его внутренним механическим моментом (спином).
Расчет движения магнитного момента в неоднородном поле
Пусть атом движется в неоднородном магнитном поле, его магнитный момент равен ${\overrightarrow{p}}_m$. На него действует сила:
Вцелом, атом является электрически нейтральной частицей, поэтому другие силы на него в магнитном поле не действуют. Исследуя движение атома в неоднородном поле можно измерить его магнитный момент. Допустим, что атом перемещается по оси $X$, неоднородность поля создана в направлении оси $Z$ (рис.1):
Рисунок 1.
\frac{}{}\frac{}{}
Используя условия (2) выражение (1) преобразуем к виду:
Магнитное поле симметрично относительно плоскости y=0. Можно предположить, что атом перемещается в данной плоскости, значит $B_x=0.$ Равенство $B_y=0$ нарушается только в небольших областях у краев магнита (этим нарушением пренебрегаем). Из выше сказанного следует, что:
В таком случае выражения (3) имеют вид:
Прецессия атомов в магнитном поле не влияет на $p_{mz}$. Уравнение движения атома в пространстве между магнитами запишем в виде:
где $m$ -- масса атома. Если атом проходит путь $a$ между магнитами, то он отклоняется от оси X на расстояние, равное:
где $v$ -- скорость атома по оси $X$. Уходя из пространства между магнитами атом продолжает перемещаться под неизменным по отношению к оси $X$ углом по прямой. В формуле (7) величины $\frac{\partial B_z}{\partial z}$, $a$, $v\ и\ m$ известны, измерив z можно сосчитать $p_{mz}$.
Пример 1
Задание: На сколько компонент, при проведении опыта аналогичного опыту Штерна и Герлаха, произойдёт расщепление пучка атомов, если они находятся в состоянии ${}^3{D_1}$?
Решение:
Терм расщепляется на $N=2J+1$ подуровней, если множитель Ланде $g\ne 0$, где
Для нахождения числа компонент, на которое расщепится пучок атомов, нам следует определить полное внутреннее квантовое число $(J)$, мультиплетность $(S)$, орбитальное квантовое число, сравнить множитель Ланде с нулем и если он отличен от нуля, то вычислить число подуровней.
1) Для этого рассмотрим структуру символической записи состояния атома ($3D_1$). Наш терм расшифруется следующим образом: символу $D$ соответствует орбитальное квантовое число $l=2$, $J=1$, мультиплетность $(S)$ равна $2S+1=3\to S=1$.
Вычислим $g,$ применив формулу (1.1):
Количество компонент, на которые расщепится пучок атомов, равен:
Ответ: $N=3.$
Пример 2
Задание: Почему в опыте Штерна и Герлаха по обнаружению спина электрона применяли пучок атомов водорода, которые находились в $1s$ состоянии?
Решение:
В $s-$ состоянии момент импульса электрона $(L)$ равен нулю, так как $l=0$:
Магнитный момент атома, который связан с движением электрона по орбите, пропорционален механическому моменту:
\[{\overrightarrow{p}}_m=-\frac{q_e}{2m}\overrightarrow{L}(2.2)\]
следовательно, равен нулю. Это означает, что магнитное поле не должно влиять на перемещение атомов водорода в основном состоянии, то есть расщеплять поток частиц. Но при использовании спектральных приборов было показано, что линии спектра водорода проявляют наличие тонкую структуру (дублеты) даже если магнитного поля нет. Для того, чтобы объяснить наличие тонко структуры и была выдвинута идея собственного механического момента импульса электрона в пространстве (спина).
Можно доказать, что вращающий момент М, действующий на контур с током I в однородном поле, прямо пропорционален площади обтекаемой током, силе тока и индукции магнитного поля В. Кроме того, вращающий момент М зависит от положения контура относительно поля. Максимальный вращающий момент Миакс получается, когда плоскость контура параллельна линиям магнитной индукции (рис. 22.17), и выражается формулой
(Докажите это, используя формулу (22.6а) и рис. 22.17.) Если обозначить то получим
Величину , характеризующую магнитные свойства контура с током, которые определяют его поведение во внешнем магнитном поле, называют магнитным моментом этого контура. Магнитный момент контура измеряется произведением силы тока в нем на площадь, обтекаемую током:
Магнитный момент есть вектор, направление которого определяется правилом правого винта: если винт поворачивать по направлению тока в контуре, то поступательное движение винта покажет направление вектора (рис. 22.18, а). Зависимость вращающего момента М от ориентации контура выражается формулой
где а - угол между векторами и В. Из рис. 22.18, б видно, Что равновесие контура в магнитном поле возможно тогда, когда векторы В и Рмаг направлены по одной прямой. (Подумайте, в каком случае это равновесие будет устойчивым.)
При помещении во внешнее поле вещество может реагировать на это поле и само становиться источником магнитного поля (намагничиваться). Такие вещества называют магнетиками (сравните с поведением диэлектриков в электрическом поле). По магнитным свойствам магнетики разделяются на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.
Разные вещества намагничиваются по-разному. Магнитные свойства вещества определяются магнитными свойствами электронов и атомов. Большая часть веществ намагничивается слабо - это диамагнетики и парамагнетики. Некоторые вещества в обычных условиях (при умеренных температурах) способны намагничиваться очень сильно - это ферромагнетики.
У многих атомов результирующий магнитный момент равен нулю. Вещества, состоящие из таких атомов, и являются диамагиетиками. К ним, например, относятся азот, вода, медь, серебро, поваренная соль NaCl, диоксид кремния Si0 2 . Вещества же, у которых результирующий магнитный момент атома отличен от нуля, относятся к парамагнетикам. Примерами парамагнетиков являются: кислород, алюминий, платина.
В дальнейшем, говоря о магнитных свойствах, будем иметь в виду в основном диамагнетики и парамагнетики, а свойства небольшой группы ферромагнетиков иногда будем оговаривать особо.
Рассмотрим сначала поведение электронов вещества в магнитном поле. Будем считать для простоты, что электрон вращается в атоме вокруг ядра со скоростью v по орбите радиуса г. Такое движение, которое характеризуется орбитальным моментом импульса, по сути является круговым током, который характеризуется соответственно орбитальным магнитным момен-
том р орб. Исходя из периода обращения по окружности Т = - имеем, что
произвольную точку орбиты электрон в единицу времени пересекает -
раз. Поэтому круговой ток, равный прошедшему через точку в единицу времени заряду, дается выражением
Соответственно, орбитальный магнитный момент электрона по формуле (22.3) равен
Помимо орбитального момента импульса электрон имеет также собственный момент импульса, называемый спином . Спин описывается законами квантовой физики и является неотъемлемым свойством электрона - как масса и заряд (см. подробнее в разделе квантовой физики). Собственному моменту импульса соответствует собственный (спиновый) магнитный момент электрона р сп.
Магнитным моментом обладают и ядра атомов, однако эти моменты в тысячи раз меньше моментов электронов, и ими можно обычно пренебречь. В результате суммарный магнитный момент магнетика Р т равен векторной сумме орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов магнетика:
Внешнее магнитное поле действует на ориентацию частиц вещества, имеющих магнитные моменты (и микротоков), в результате чего вещество намагничивается. Характеристикой этого процесса является вектор намагниченности J , равный отношению суммарного магнитного момента частиц магнетика к объему магнетика AV :
Намагниченность измеряется в А/м.
Если магнетик поместить во внешнее магнитное полеВ 0 , то в результате
намагничивания возникнет внутреннее поле микротоков В, так что результирующее поле будет равным
Рассмотрим магнетик в виде цилиндра с основанием площадью S и высотой /, помещенный в однородное внешнее магнитное ноле с индукцией В 0 . Такое поле может быть создано, например, с помощью соленоида. Ориентация микротоков во внешнем ноле становится упорядоченной. При этом поле микротоков диамагнетиков направлено противоположно внешнему нолю, а иоле микротоков парамагнетиков совпадает по направлению с внешним
В любом сечении цилиндра упорядоченность микротоков приводит к следующему эффекту (рис. 23.1). Упорядоченные микротоки внутри магнетика компенсируются соседними микротоками, а вдоль боковой поверхности текут нескомпенсированные поверхностные микротоки.
Направление этих нескомпенсированных микротоков параллельно (или антипараллельно) току, текущему в соленоиде, создающем внешнее ноле. В целом же они Рис. 23.1 дают суммарный внутренний ток Этот поверхностный ток создает внутреннее иоле микротоков B v причем связь тока и поля может быть описана формулой (22.21) для ноля соленоида:
Здесь магнитная проницаемость принята равной единице, поскольку роль среды учтена введением поверхностного тока; плотность намотки витков соленоида соответствует одному на всю длину соленоида /: п = 1 //. При этом магнитный момент поверхностного тока определяется намагниченностью всего магнетика:
Из двух последних формул с учетом определения намагниченности (23.4) следует
или в векторном виде
Тогда из формулы (23.5) имеем
Опыт исследования зависимости намагниченности от напряженности внешнего поля показывает, что обычно поле можно считать несильным и в разложении в ряд Тейлора достаточно ограничиться линейным членом:
где безразмерный коэффициент пропорциональности х - магнитная восприимчивость вещества. С учетом этого имеем
Сравнивая последнюю формулу для магнитной индукции с известной формулой (22.1), получим связь магнитной проницаемости и магнитной восприимчивости:
Отметим, что значения магнитной восприимчивости для диамагнетиков и парамагнетиков малы и составляют обычно по модулю 10 "-10 4 (для диамагнетиков) и 10 -8 - 10 3 (для парамагнетиков). При этом для диамагнетиков х х > 0 и р > 1.
