Kikoin A.K. Moment magnetic al curentului // Quantum. - 1986. - No. 3. - S. 22-23.

Prin acord special cu consiliul de redacție și editorii revistei "Quantum"

De la cursul de fizică din clasa a noua („Fizică 9”, § 88) se știe că un conductor de lungime drept l  cu curent eudacă este plasat într-un câmp magnetic uniform cu inducție \\ (~ \\ vec B \\), forța \\ (~ \\ vec F \\), egală în valoare absolută, acționează

   \\ (~ F \u003d BIl \\ sin \\ alpha \\),

unde α   - unghiul dintre direcția curentului și vectorul de inducție magnetic. Această forță este direcționată perpendicular atât pe câmp, cât și pe curent (conform regulii mâinii stângi).

Un conductor rectiliniu este doar o parte a circuitului electric, deoarece curentul electric este întotdeauna închis. Și cum acționează un câmp magnetic pe un curent închis, mai precis pe un circuit închis cu curent?

Figura 1 prezintă, de exemplu, un contur sub forma unui cadru dreptunghiular cu laturile a  și bîn care curentul curge în direcția indicată de săgeți eu.

Cadrul este plasat într-un câmp magnetic uniform cu inducție \\ (~ \\ vec B \\), astfel încât la momentul inițial vectorul \\ (~ \\ vec B \\) se află în planul cadrului și să fie paralel cu cele două laturi ale acestuia. Examinând fiecare parte a cadrului individual, descoperim că pe laturi (lungime și) forțe egale ca mărime F = Bia  și direcționat în direcții opuse. Căci alte două părți ale forței nu acționează (pentru ei păcatul α   \u003d 0). Fiecare dintre forțe F  în raport cu axa care trece prin mijlocul părților superioare și inferioare ale cadrului, creează un moment de forță (cuplu) egal cu \\ (~ \\ frac (BIab) (2) \\) (\\ (~ \\ frac (b) (2) \\) - umăr putere). Semnele momentelor sunt aceleași (ambele forțe rotesc cadrul într-o singură direcție), astfel încât cuplul total M  este egal cu BIabsau, de când produsul ab  egală cu suprafața S  cadru,

   \\ (~ M \u003d BIab \u003d BIS \\).

Sub influența acestui moment, cadrul va începe să se rotească (dacă este privit de sus, apoi în sensul acelor de ceasornic) și se va roti până devine planul său perpendicular pe vectorul de inducție \\ (~ \\ vec B \\) (Fig. 2).

În această poziție, suma forțelor și suma momentelor forțelor sunt zero, iar cadrul este într-o stare de echilibru stabil. (De fapt, cadrul nu se oprește imediat - de ceva timp va oscila în jurul poziției sale de echilibru.)

Este ușor să arătați (faceți-vă singuri) că în orice poziție intermediară, când normalul în planul conturului este un unghi arbitrar β   cu inducție de câmp magnetic, cuplul este

   \\ (~ M \u003d BIS \\ sin \\ beta \\).

Din această expresie se poate observa că pentru o valoare dată a inducției câmpului și pentru o anumită poziție a circuitului cu curent, cuplul depinde doar de produsul zonei circuitului S  puterea curentă eu  în el. mărime ESTE  și numit momentul magnetic al circuitului cu curent. Mai precis, ESTE  este modulul vectorului de moment magnetic. Și acest vector este direcționat perpendicular pe planul conturului și, în plus, astfel încât, dacă rotiți mintalul în direcția curentului în circuit, atunci direcția mișcării de translație a pâlpului va indica direcția momentului magnetic. De exemplu, momentul magnetic al conturului prezentat în figurile 1 și 2 este direcționat de la noi dincolo de planul paginii. Se măsoară momentul magnetic în A · m 2.

Acum putem spune că circuitul cu curent într-un câmp magnetic uniform este setat astfel încât momentul său magnetic să „privească” în direcția câmpului care a provocat rotația sa.

Este cunoscut faptul că nu numai circuitele de curent au capacitatea de a-și crea propriul câmp magnetic și de a se roti într-un câmp extern. Aceleași proprietăți sunt observate pentru o tijă magnetizată, de exemplu, pentru un ac al busolei.

În 1820, remarcabilul fizician francez Ampère a sugerat că similitudinea dintre comportamentul unui magnet și circuitul cu curentul se explică prin faptul că există curenți închisi în particulele de magnet. Acum se știe că atomii și moleculele au cu adevărat curenți electrici mici asociați cu mișcarea electronilor în orbitele lor în jurul nucleelor. Din această cauză, atomii și moleculele multor substanțe, cum ar fi paramagnetele, au momente magnetice. Rotirea acestor momente într-un câmp magnetic extern și duce la magnetizarea substanțelor paramagnetice.

S-a dovedit un alt lucru. Toate particulele care alcătuiesc atomul au, de asemenea, momente magnetice care nu sunt deloc legate între ele cu nicio mișcare de sarcini, adică cu curenți. Pentru ei, momentul magnetic are aceeași calitate „înnăscută” ca și sarcină, masă etc. Prin urmare, nucleii atomici au și un moment magnetic.

Astfel, momentul magnetic este unul dintre cele mai importante concepte în fizică.

Se numesc diverse medii atunci când se iau în considerare proprietățile lor magnetice magneți .

Toate substanțele într-un fel sau altul interacționează cu câmpul magnetic. Unele materiale păstrează proprietăți magnetice chiar și în absența unui câmp magnetic extern. Magnetizarea materialelor are loc datorită curenților care circulă în interiorul atomilor - rotația electronilor și mișcarea lor în atom. Prin urmare, magnetizarea materiei trebuie descrisă folosind curenți atomici reali, numiți curenți amperi.

În absența unui câmp magnetic extern, momentele magnetice ale atomilor unei substanțe sunt de obicei orientate la întâmplare, astfel încât câmpurile magnetice create de aceștia se anulează reciproc. Când se aplică un câmp magnetic extern, atomii tind să se orienteze cu momentele lor magnetice în direcția câmpului magnetic extern, iar apoi compensarea momentelor magnetice este încălcată, corpul capătă proprietăți magnetice - este magnetizat. Majoritatea corpurilor sunt magnetizate foarte slab și amploarea inducției câmpului magnetic B  în astfel de substanțe diferă puțin de mărimea inducției câmpului magnetic în vid. Dacă câmpul magnetic este slab amplificat într-o substanță, atunci se numește o astfel de substanță substanță paramagnetică :

  (,,,,,, Li, Na);

dacă slăbește, atunci aceasta diamagnet :

  (Bi, Cu, Ag, Au etc.) .

Există însă substanțe cu puternice proprietăți magnetice. Astfel de substanțe sunt numite feromagneți :

  (Fe, Co, Ni etc.).

Aceste substanțe sunt capabile să mențină proprietăți magnetice chiar și în absența unui câmp magnetic extern, reprezentând magneți permanenți.

Toate corpurile atunci când sunt introduse într-un câmp magnetic extern sunt magnetizate  într-o măsură sau alta, adică. își creează propriul câmp magnetic, care este suprapus unui câmp magnetic extern.

Proprietățile magnetice ale substanței   determinate de proprietățile magnetice ale electronilor și atomilor.

Magneții sunt compuși din atomi, care, la rândul lor, sunt compuși din nuclee pozitive și, relativ vorbind, electroni care se rotesc în jurul lor.

Un electron care se deplasează pe o orbită într-un atom este echivalent cu o buclă închisă cu curent orbital :

unde e  Este încărcarea electronilor, ν este frecvența de rotație a acestuia pe orbită:

Curentul orbital corespunde cu moment magnetic orbital electron

,

(6.1.1)

unde S Este zona orbitei, este unitatea vectorului normal la S, Este viteza electronilor. Figura 6.1 prezintă direcția momentului orbital magnetic al electronului.

Un electron care se deplasează pe orbită are moment unghiular orbital   care este direcționat opus și legat de acesta prin raport

unde m Este masa electronului.

În plus, electronul are moment unghiular propriu  Care e numit rotirea electronilor

,

(6.1.4)

unde ,   - constantă Planck

Înapoi electronul corespunde rotire moment magnetic   un electron direcționat în direcția opusă:

,

(6.1.5)

Valoarea se numește raport gyromagnetic al momentelor de spin

Orice substanțe. Sursa formării magnetismului, conform teoriei electromagnetice clasice, este microcurentele care decurg din mișcarea unui electron în orbita sa. Momentul magnetic este o proprietate indispensabilă a tuturor, fără excepție, nuclee, cochilii de electroni atomici și molecule.

Magnetismul, care este inerent tuturor particulelor elementare, în funcție de condiția ca acestea să aibă un moment mecanic numit spin (moment mecanic intrinsec de natură cuantică). Proprietățile magnetice ale unui nucleu atomic sunt compuse din momentele de centrifugare ale părților componente ale nucleului - protoni și neutroni. Cochilii de electroni (orbitele intra-atomice) au și un moment magnetic, care este suma momentelor magnetice ale electronilor de pe acesta.

Cu alte cuvinte, momentele magnetice ale particulelor elementare sunt cauzate de efectul intra-atomic cuantic-mecanic, cunoscut sub numele de impuls de rotire. Acest efect este similar cu momentul unghiular de rotație în jurul propriei axe centrale. Momentul de spin este măsurat în constanta Planck - principala constantă a teoriei cuantice.

Toți neutronii, electronii și protonii, dintre care, de fapt, atomul constă, conform lui Planck, au un spin egal cu ½. În structura unui atom, electronii care se rotesc în jurul unui nucleu, pe lângă un moment de rotire, au și un moment unghiular orbital. Nucleul, deși ocupă o poziție statică, are și un moment unghiular creat de efectul de spin nuclear.

Câmpul magnetic care generează un moment magnetic atomic este determinat de diverse forme ale acestui moment unghiular. Cea mai vizibilă contribuție la creație este tocmai efectul de spin. Conform principiului Pauli, conform căruia doi electroni identici nu pot fi simultan în aceeași stare cuantică, electronii cuplati se contopesc, în timp ce momentul lor de spin dobândește proiecții diametral opuse. În acest caz, momentul magnetic al electronului este redus, ceea ce reduce proprietățile magnetice ale întregii structuri. În unele elemente care au un număr egal de electroni, acest moment scade la zero, iar substanțele încetează să aibă proprietăți magnetice. Astfel, momentul magnetic al particulelor elementare individuale afectează direct proprietățile magnetice ale întregului sistem nucleo-atomic.

Elementele ferromagnetice cu un număr impar de electroni vor avea întotdeauna magnetismul zero datorită unui electron nepereche. În astfel de elemente, orbitalele adiacente se suprapun și toate momentele de rotire ale electronilor neperecheți adoptă aceeași orientare în spațiu, ceea ce duce la atingerea celei mai scăzute stări energetice. Acest proces se numește interacțiune de schimb.

Cu această aliniere a momentelor magnetice ale atomilor ferromagnetici apare un câmp magnetic. Iar elementele paramagnetice constând din atomi cu momente magnetice dezorientate nu au propriul câmp magnetic. Dar dacă acționați asupra lor cu o sursă externă de magnetism, atunci momentele magnetice ale atomilor se vor egaliza, iar aceste elemente vor dobândi și proprietăți magnetice.

Câmpul magnetic se caracterizează prin două cantități vectoriale. Inducția câmpului magnetic (inducție magnetică)

unde este valoarea maximă a momentului forțelor care acționează pe un conductor închis cu o zonă Sprin care curge curentul eu. Direcția vectorului coincide cu direcția mușchiului drept în raport cu direcția curentului cu o orientare liberă a conturului într-un câmp magnetic.

Inducția este determinată în principal de curenții de conducere, adică. curenți macroscopici care curg prin conductoare. În plus, curenții microscopici datorită mișcării electronilor în orbitele din jurul nucleelor \u200b\u200bși, de asemenea, momentelor magnetice intrinseci (spin) ale electronilor contribuie la inducție. Curenții și momentele magnetice sunt orientate într-un câmp magnetic extern. Prin urmare, inducerea unui câmp magnetic într-o substanță este determinată atât de curenții macroscopici externi, cât și de magnetizarea substanței.

Rezistența câmpului magnetic este determinată numai de curenții de conducere și curenții de polarizare. Tensiunea nu depinde de magnetizarea substanței și este asociată cu inducerea raportului:

unde este permeabilitatea magnetică relativă a substanței (cantitate fără dimensiuni), constanța magnetică este egală cu 4. Dimensiunea câmpului magnetic este.

Momentul magnetic este o cantitate fizică vectorială care caracterizează proprietățile magnetice ale unei particule sau ale unui sistem de particule și determină interacțiunea unei particule sau a unui sistem de particule cu câmpuri electromagnetice externe.

Un rol similar cu o încărcare a punctului în electricitate îl joacă un conductor închis cu curent, al cărui modul magnetic este în vid

unde este puterea curentă, este zona circuitului. Direcția vectorului este determinată de regula paletei drepte. În acest caz, momentul magnetic și câmpul magnetic sunt create de un curent macroscopic (curent de conducere), adică. ca urmare a mișcării ordonate a particulelor încărcate - electroni - în interiorul conductorului. Dimensiunea momentului magnetic este egală.

Momentul magnetic poate fi generat și de microcurenti. Un atom sau moleculă este un nucleu încărcat pozitiv și electroni în mișcare continuă. Pentru a explica o serie de proprietăți magnetice cu o aproximare suficientă, putem presupune că electronii se mișcă în jurul nucleului în anumite orbite circulare. Prin urmare, mișcarea fiecărui electron poate fi considerată ca o mișcare ordonată a purtătorilor de încărcare, adică. ca un curent electric închis (așa-numitul curent microcurent sau molecular). Amperaj eu  în acest caz, va fi egală cu, unde încărcarea este transferată prin secțiunea transversală perpendiculară pe traiectoria electronilor în timp, e  - modul de încărcare; este frecvența revoluției electronilor.

Momentul magnetic datorat mișcării unui electron în orbita sa - microcurentul - este denumit moment magnetic orbital al electronului. El este egal cu locul unde S  - zona conturului;

, (3)

unde S  - zona orbitei,   r  - raza sa. Ca urmare a mișcării unui electron în atomi și molecule de-a lungul căilor închise în jurul unui nucleu sau nucleu, electronul are și un moment unghiular orbital

Iată viteza liniară a electronului în orbită; - viteza sa unghiulară. Direcția vectorului este conectată de regula pânzei drepte cu direcția de rotație a electronului, adică. vectori și se opun reciproc (Fig. 1). Raportul momentului orbital magnetic al particulei la mecanic se numește raport gyromagnetic. După împărțirea expresiilor (3) și (4) între ele, obținem: zero.

Experiența arată că toate substanțele sunt magneți, adică. capabili să-și creeze propriul câmp magnetic intern sub acțiunea unui câmp magnetic extern (să-și dobândească propriul moment magnetic, să magnetizeze).

Pentru a explica magnetizarea corpurilor, Ampere a sugerat că în moleculele substanțelor circulă curenți moleculari circulari. Fiecare astfel de microcurent I are propriul său moment magnetic și creează un câmp magnetic în spațiul înconjurător (Fig. 1). În absența unui câmp extern, curenții moleculari și curenții asociați sunt orientați aleatoriu, prin urmare, câmpul rezultat din interiorul substanței și momentul total al întregii substanțe sunt egale cu zero. Când o substanță este plasată într-un câmp magnetic extern, momentele magnetice ale moleculelor dobândesc în principal orientarea într-o direcție, momentul magnetic total devine zero și magnetul este magnetizat. Câmpurile magnetice ale curenților moleculari individuali nu se mai anulează reciproc și în interiorul magnetului, apare propriul său câmp intern.

Să luăm în considerare motivul acestui fenomen în ceea ce privește structura atomilor bazată pe modelul planetar al atomului. Potrivit lui Rutherford, un nucleu încărcat pozitiv este situat în centrul unui atom în jurul căruia se rotește electroni încărcați negativ pe orbitele staționare. Un electron care se deplasează pe o orbită circulară în jurul nucleului poate fi considerat ca un curent circular (microcurent). Deoarece direcția de mișcare a sarcinilor pozitive este luată în mod arbitrar ca direcție a curentului, iar sarcina electronilor este negativă, direcția microcurentului este opusă direcției de mișcare a electronului (Fig. 2).

Mărimea microcurentului I e poate fi determinată după cum urmează. Dacă în timpul t electronul a făcut revoluții N în jurul nucleului, atunci o sarcină - o sarcină electronică) a fost transferată printr-o platformă situată oriunde pe calea electronului).

Conform definiției curentului,

unde este frecvența de rotație a electronilor.

Dacă curentul I curge într-un circuit închis, atunci un astfel de circuit are un moment magnetic al cărui modul este

unde S  - zona delimitată de contur.

Pentru micro-curent, o astfel de zonă este aria orbitei S \u003d p r 2

(r este raza orbitei), iar momentul ei magnetic este

unde w \u003d 2pn este frecvența ciclică, este viteza liniară a electronului.

Momentul se datorează mișcării electronului în orbita sa, de aceea se numește moment magnetic orbital al electronului.

Momentul magnetic p m pe care îl posedă un electron datorită mișcării sale pe orbită se numește moment magnetic orbital al electronului.

Direcția vectorului formează un sistem cu dreapta cu direcția microcurentului.

Ca orice punct material care se mișcă într-un cerc, un electron are un moment unghiular:

Momentul unghiular L, pe care îl posedă un electron datorită mișcării sale în orbită, se numește moment mecanic orbital. Formează un sistem cu mâna dreaptă cu direcția mișcării electronilor. După cum se poate observa din Fig. 2, direcțiile vectorilor și sunt opuse.

S-a dovedit că, pe lângă momentele orbitale (adică, datorită mișcării pe orbită), electronul are propriile momente mecanice și magnetice.

Inițial, au încercat să explice existența considerând electronul ca o bilă care se rotește în jurul propriei axe, prin urmare, momentul unghiular mecanic corespunzător al electronului a fost numit spin (din engleza spin - to spin). Ulterior s-a descoperit că o astfel de reprezentare duce la o serie de contradicții și ipoteza unui electron „rotativ” a fost abandonată.

S-a stabilit acum că spinul electronului și momentul magnetic intrinsec (spin) aferent sunt o proprietate integrală a electronului, la fel ca sarcina și masa sa.

Momentul magnetic al unui electron dintr-un atom este compus din momentele orbitale și de rotire:

Momentul magnetic al unui atom este compus din momentele magnetice ale electronilor constituenți ai acestuia (momentul magnetic al nucleului este neglijat datorită mărimii sale):

Magnetizarea materiei.

Atom într-un câmp magnetic. Dia și efecte paramagnetice.

Să luăm în considerare mecanismul de acțiune al unui câmp magnetic extern asupra electronilor care se mișcă într-un atom, adică. la microcurenti.

După cum se știe, când un circuit cu curent este plasat într-un câmp magnetic cu inducție, un cuplu de forțe

sub acțiunea căruia conturul este orientat astfel încât planul conturului să fie perpendicular și momentul magnetic să fie de-a lungul direcției vectorului (Fig. 3).

Microcurentul electronic se comportă similar. Cu toate acestea, orientarea microcurentului orbital într-un câmp magnetic nu este tocmai aceeași cu circuitul cu curentul. Cert este că un electron care se mișcă în jurul nucleului și are un moment unghiular este ca un vârf, prin urmare, el prezintă toate caracteristicile comportamentului giroscopilor sub acțiunea forțelor externe, în special, efectul giroscopic. Prin urmare, atunci când un cuplu începe să acționeze asupra unui microcurent orbital atunci când un atom este plasat într-un câmp magnetic, acesta are tendința de a stabili momentul magnetic orbital al electronului de-a lungul direcției câmpului, precesiunea vectorilor apare și în jurul direcției vectorului (datorită efectului giroscopic). Frecvența acestei precesii

denumit larmorova frecvență și aceeași pentru toți electronii atomului.

Astfel, atunci când orice substanță este plasată într-un câmp magnetic, fiecare electron al atomului, datorită precesiunii orbitei sale în jurul direcției câmpului extern, generează un câmp magnetic suplimentar indus îndreptat împotriva câmpului extern și îl slăbește. Deoarece momentele magnetice induse ale tuturor electronilor sunt direcționate în același mod (opus vectorului), momentul total indus al atomului este, de asemenea, îndreptat împotriva câmpului extern.

Fenomenul apariției unui câmp magnetic indus în magneți (cauzat de precesiunea orbitelor electronice într-un câmp magnetic extern) direcționat opus câmpului exterior și slăbirea acestuia se numește efect diamagnetic. Diamagnetismul este inerent în toate substanțele naturii.

Efectul diamagnetic duce la o slăbire a câmpului magnetic extern în magneți.

Cu toate acestea, poate apărea un alt efect, numit paramagnetic. În absența unui câmp magnetic, momentele magnetice ale atomilor datorate mișcării termice sunt orientate aleatoriu, iar momentul magnetic rezultat al unei substanțe este zero (Fig. 4, a).

Atunci când o astfel de substanță este introdusă într-un câmp magnetic uniform cu inducție, câmpul tinde să stabilească momentele magnetice ale atomilor de-a lungul, de aceea, vectorii momentelor magnetice ale atomilor (moleculelor) precesează în jurul direcției vectorului. Mișcarea termică și coliziunile reciproce ale atomilor conduc la o atenuare treptată a precesiunii și la o scădere a unghiurilor între direcțiile vectorilor momentului magnetic și ale vectorului.Acțiunea combinată a câmpului magnetic și mișcarea termică conduce la orientarea predominantă a momentelor magnetice ale atomilor de-a lungul câmpului

(Fig. 4, b), cu cât temperatura este mai mare, mai mare și mai scăzută. Drept urmare, momentul magnetic total al tuturor atomilor substanței va deveni zero, substanța va fi magnetizată și apare propriul câmp magnetic intern, care este aliniat cu câmpul extern și îl amplifică.

Fenomenul apariției unui câmp magnetic intrinsec în magneți, cauzat de orientarea momentelor magnetice ale atomilor de-a lungul direcției câmpului extern și îmbunătățirea acestuia, este denumit efect paramagnetic.

Efectul paramagnetic duce la o creștere a câmpului magnetic extern în magneți.

Când orice substanță este plasată într-un câmp magnetic extern, aceasta este magnetizată, adică capătă un moment magnetic datorită efectului dia- sau paramagnetic, în substanța însăși apare propriul câmp magnetic intern (câmp microcurent) cu inducție.

Pentru o descriere cantitativă a magnetizării unei substanțe, este introdus conceptul de magnetizare.

Magnetizarea unui magnet este o cantitate fizică vectorială egală cu momentul magnetic total pe unitatea de volum a unui magnet:

În SI, magnetizarea se măsoară în A / m.

Magnetizarea depinde de proprietățile magnetice ale substanței, de mărimea câmpului extern și de temperatură. Evident, magnetizarea unui magnet este asociată cu inducția.

După cum arată experiența, pentru majoritatea substanțelor și nu în câmpuri foarte puternice, magnetizarea este direct proporțională cu rezistența câmpului extern care provoacă magnetizarea:

unde c este sensibilitatea magnetică a unei substanțe, o cantitate fără dimensiuni.

Cu cât valoarea c este mai mare, cu atât substanța este mai magnetizată la un câmp extern dat.

Se poate dovedi că

Câmpul magnetic dintr-o substanță este suma vectorială a două câmpuri: un câmp magnetic extern și un câmp magnetic intern sau intrinsec creat de microcurenti. Vectorul inducției magnetice a unui câmp magnetic într-o substanță caracterizează câmpul magnetic rezultat și este egal cu suma geometrică a inducțiilor magnetice ale câmpurilor magnetice externe și interne:

Permeabilitatea relativă a unei substanțe arată de câte ori se schimbă inducerea unui câmp magnetic într-o anumită substanță.

Ceea ce se întâmplă exact cu un câmp magnetic într-o anumită substanță specifică - indiferent dacă crește sau scade - depinde de mărimea momentului magnetic al atomului (sau moleculei) acelei substanțe.

Dia și paramagnete. Ferromagnets.

magneți  numite substanțe capabile să dobândească proprietăți magnetice într-un câmp magnetic extern, - să fie magnetizate, adică creați-vă propriul câmp magnetic intern.

După cum am menționat deja, toate substanțele sunt magneți, deoarece propriul câmp magnetic intern este determinat prin însumarea vectorială a microfieldurilor generate de fiecare electron al fiecărui atom:

Proprietățile magnetice ale unei substanțe sunt determinate de proprietățile magnetice ale electronilor și atomilor unei substanțe date. Prin proprietățile lor magnetice, magneții sunt împărțiți în diamagnete, paramagneti, ferromagneti, antiferromagneti și ferit. Considerăm succesiv aceste clase de substanțe.

Am constatat că atunci când o substanță este plasată într-un câmp magnetic, pot apărea două efecte:

1. Paramagnetic, ceea ce duce la o creștere a câmpului magnetic într-un magnet, datorită orientării momentelor magnetice ale atomilor de-a lungul direcției câmpului extern.

2. Diamagnetic, ceea ce duce la o slăbire a câmpului datorită precesiunii orbitelor electronice într-un câmp extern.

Cum să stabilim care dintre aceste efecte vor avea loc (sau ambele în același timp), care dintre ele se dovedește a fi mai puternic, ce se întâmplă la final cu câmpul magnetic dintr-o anumită substanță - se amplifică sau slăbește?

După cum știm deja, proprietățile magnetice ale materiei sunt determinate de momentele magnetice ale atomilor săi, iar momentul magnetic al unui atom este compus din momentele magnetice de spin orbitale și intrinseci care fac parte din electronii săi:

Pentru atomii unor substanțe, suma vectorială a momentelor magnetice orbitale și rotative ale electronilor este zero, adică. momentul magnetic al întregului atom este zero, Când astfel de substanțe sunt plasate într-un câmp magnetic, desigur, efectul paramagnetic nu poate avea loc, deoarece el apare numai datorită orientării momentelor magnetice ale atomilor în câmpul magnetic, dar nu sunt aici.

Dar precesiunea orbitelor electronice într-un câmp extern, care determină efectul diamagnetic, apare întotdeauna, prin urmare, efectul diamagnetic apare în toate substanțele atunci când sunt plasate într-un câmp magnetic.

Astfel, dacă momentul magnetic al unui atom (moleculă) al unei substanțe este zero (datorită compensării reciproce a momentelor magnetice ale electronilor), atunci când o astfel de substanță este plasată într-un câmp magnetic, în ea va apărea doar efectul diamagnetic. În acest caz, câmpul magnetic intrinsec al magnetului este direcționat opus câmpului extern și îl slăbește. Astfel de substanțe sunt numite diamagnetice.

Diamagnetele sunt substanțe în care momentele magnetice ale atomilor în absența unui câmp magnetic extern sunt zero.

Diamagnetele într-un câmp magnetic extern sunt magnetizate împotriva direcției câmpului extern și, prin urmare, îl slăbesc

B \u003d B 0 - B ¢, m< 1.

Atenuarea câmpului în diamagnet este foarte ușoară. De exemplu, pentru unul dintre cele mai puternice diamagnete, bismutul, m ≈ 0.99998.

Diamagnetele sunt multe metale (argint, aur, cupru), majoritatea compușilor organici, rășini, carbon etc.

Dacă în absența unui câmp magnetic extern momentul magnetic al atomilor unei substanțe este zero, atunci când o astfel de substanță este plasată într-un câmp magnetic, atât efecte diamagnetice cât și paramagnetice vor apărea în el, cu toate acestea, efectul diamagnetic este întotdeauna mult mai slab decât cel paramagnetic și aproape invizibil împotriva acesteia. Câmpul magnetic intrinsec al magnetului va fi aliniat cu câmpul extern și îl amplifică. Astfel de substanțe sunt numite paramagnete. Paramagnetele sunt substanțe în care, în absența unui câmp magnetic extern, momentele magnetice ale atomilor sunt zero.

Paramagnetele într-un câmp magnetic extern sunt magnetizate în direcția câmpului extern și îl amplifică. Pentru ei

B \u003d B 0 + B ¢, m\u003e 1.

Permeabilitatea magnetică pentru majoritatea paramagnetelor este puțin mai mult decât unitatea.

Paramagnetele includ elemente de pământuri rare, platină, aluminiu etc.

Dacă efectul diamagnetic, B \u003d B 0 -B ¢, m< 1.

Dacă efectele dia- și paramagnetice, B \u003d B 0 + B ¢, m\u003e 1.

Ferromagnets.

Toate dia- și paramagnetice sunt substanțe care sunt magnetizate foarte slab, permeabilitatea lor magnetică este aproape de unitate și nu depinde de câmpul magnetic N. Alături de dia- și paramagnetele există substanțe care pot fi puternic magnetizate. Se numesc feromagneti.

Ferromagnetii sau materialele feromagnetice și-au primit numele din denumirea latină pentru principalul reprezentant al acestor substanțe - fierul (ferrum). Ferromagnetii, pe lângă fier, includ cobalt, gadoliniu nichel, multe aliaje și compuși chimici. Ferromagnetele sunt substanțe care pot fi foarte magnetizate, în care câmpul magnetic intern (intrinsec) poate fi de sute sau mii de ori mai mare decât câmpul magnetic extern care l-a provocat.

Proprietățile ferromagnetilor

  1. Capacitatea de a magnetiza puternic.

Valoarea permeabilității magnetice relative m la unii ferromagneti atinge 10 6.

2. Saturație magnetică.

În fig. Figura 5 arată dependența experimentală a magnetizării de forța unui câmp magnetic extern. După cum se poate observa din figură, de la o anumită valoare a lui H, valoarea numerică a magnetizării ferromagnetilor rămâne practic constantă și egală cu J noi. Acest fenomen a fost descoperit de savantul rus A.G. Centenar și numit saturație magnetică.

3. Dependențe neliniare B (H) și m (H).

Odată cu creșterea tensiunii, inducția crește inițial, dar pe măsură ce magnetizarea magnetizează creșterea sa încetinește, iar pe câmpuri puternice crește odată cu creșterea liniară (Fig. 6).

Datorită dependenței neliniare a B (H),

acestea. permeabilitatea magnetică m într-un mod complex depinde de puterea câmpului magnetic (Fig. 7). Inițial, odată cu creșterea rezistenței câmpului, m crește de la valoarea inițială la o anumită valoare maximă, apoi scade și tinde asimptotic către unitate.

4. Isterieză magnetică.

O altă caracteristică distinctivă a ferromagnetilor este a lor

capacitatea de a menține magnetizarea după îndepărtarea câmpului de magnetizare. Când intensitatea câmpului magnetic extern se schimbă de la zero la o parte a valorilor pozitive, inducția crește (Fig. 8, secțiunea

Când scade la zero, inducția magnetică întârzie să scadă și când este egală cu zero, se dovedește a fi egală (inducție reziduală), adică. când câmpul extern este îndepărtat, ferromagnetul rămâne magnetizat și este un magnet permanent. Pentru demagnetizarea completă a eșantionului, este necesar să se aplice un câmp magnetic în sens invers -. Mărimea câmpului magnetic, care trebuie aplicat pe un feromagnet pentru demagnetizarea sa completă, este denumită forța coercitivă.

Fenomenul unui decalaj în schimbarea inducției magnetice într-un ferromagnet dintr-o modificare a intensității variabilei în mărime și direcție a câmpului de magnetizare extern se numește histereză magnetică.

În acest caz, dependența de va fi reprezentată de o curbă asemănătoare cu bucla, numită bucle de histereză  prezentat în Fig. 8.

În funcție de forma buclei de histereză, se disting feromagnetele magnetice dure și moi. Ferromagnetele rigide sunt numite substanțe cu o magnetizare reziduală mare și o forță coercitivă mare, adică. cu o buclă de histereză largă. Sunt utilizate pentru fabricarea magneților permanenți (carbon, tungsten, crom, aluminiu-nichel și alte oțeluri).

Ferromagnetii moi sunt substanțe cu o forță de constrângere scăzută, care se magnetizează foarte ușor, cu o buclă de histereză îngustă. (Pentru a obține aceste proprietăți, a fost creat special așa-numitul fier de transformare, un aliaj de fier cu un amestec mic de siliciu). Domeniul de aplicare al acestora este fabricarea miezurilor de transformatoare; acestea includ fierul moale, aliajele de fier cu nichel (permalloy, superalloy).

5. Prezența temperaturii (punct) Curie.

Curie Point  este temperatura caracteristică unui ferromagnet dat, la care proprietățile ferromagnetice dispar complet.

Când proba este încălzită deasupra punctului Curie, ferromagnetul se transformă într-un paramagnet obișnuit. Când este răcit sub punctul Curie, își restabilește proprietățile ferromagnetice. Pentru diferite substanțe, această temperatură este diferită (pentru Fe - 770 0 C, pentru Ni - 260 0 C).

6. magnetostricțiunea  - fenomenul de deformare a ferromagnetilor în timpul magnetizării. Mărimea și semnul magnetostricției depind de puterea câmpului de magnetizare și de natura ferromagnetului. Acest fenomen este utilizat pe scară largă pentru dispozitivul emițătorilor de ultrasunete puternici folosiți în sonar, comunicare sunetă, navigare etc.

În ferromagneti, se observă și fenomenul opus - o schimbare a magnetizării în timpul deformării. Aliajele cu magnetostricție semnificativă sunt utilizate la dispozitivele utilizate pentru măsurarea presiunii și a deformărilor.

Natura ferromagnetismului

O teorie descriptivă a ferromagnetismului a fost propusă de fizicianul francez P. Weiss în 1907, iar o fizică cantitativă consistentă bazată pe mecanica cuantică a fost dezvoltată de fizicianul sovietic J. Frenkel și fizicianul german W. Heisenberg (1928).

Conform conceptelor moderne, proprietățile magnetice ale feromagnetilor sunt determinate de momentele magnetice de centrifugare (rotiri) ale electronilor; feromagnetele pot fi doar substanțe cristaline, în atomii cărora există cochilii interne de electroni neterminate cu rotiri necompensate. În acest caz, apar forțe care forțează momentele magnetice de rotire ale electronilor să se orienteze paralel unul cu celălalt. Aceste forțe sunt numite forțele de interacțiune de schimb, sunt de natură cuantică și se datorează proprietăților de undă ale electronilor.

Sub influența acestor forțe în absența unui câmp extern, un feromagnet se desparte într-un număr mare de regiuni microscopice - domenii, ale căror dimensiuni sunt de ordinul 10 -2-10-10 cm. În interiorul fiecărui domeniu, rotirile electronilor sunt orientate paralel între ele, astfel încât întregul domeniu este magnetizat până la saturație, dar direcțiile de magnetizare în domenii diferite sunt diferite, astfel încât momentul magnetic total (total) al întregului feromagnet este zero. După cum știți, orice sistem tinde să fie într-o stare în care energia sa este minimă. Împărțirea unui ferromagnet în domenii are loc deoarece energia unui feromagnet scade odată cu formarea unei structuri de domeniu. Punctul Curie este temperatura la care are loc distrugerea domeniilor, iar ferromagnetul își pierde proprietățile ferromagnetice.

Existența structurii domeniului ferromagnetilor este dovedită experimental. O metodă experimentală directă pentru observarea lor este metoda figurilor de pulbere. Dacă o suspensie apoasă a unei pulberi ferromagnetice fine (de exemplu, un magnet) este aplicată pe o suprafață lustruită cu atenție a unui feromagnet, atunci particulele se așează în principal în locurile de neomogenitate maximă a câmpului magnetic, adică. la granițele dintre domenii. Prin urmare, pulberea decontată conturează limitele domeniilor și o imagine similară poate fi fotografiată la un microscop.

  Una dintre principalele sarcini ale teoriei ferromagnetismului este de a explica dependența Han) (Fig. 6). Să încercăm să o facem. Știm că, în absența unui câmp extern, un ferromagnet se descompune în domenii, astfel încât momentul său magnetic total este zero. Acest lucru este arătat schematic în Fig. 9, a, unde sunt prezentate patru domenii ale aceluiași volum, magnetizate până la saturație. Când câmpul extern este activat, energiile domeniilor individuale devin diferite: energia este mai mică pentru acele domenii în care vectorul de magnetizare formează un unghi acut cu direcția câmpului și mai mult dacă acest unghi este obtuz.

Fig. 9

- magnetizarea tuturor magneticelor în stare de saturație

Fig. 9

Întrucât, după cum se știe, fiecare sistem tinde la un minim de energie, are loc un proces de deplasare a limitelor domeniului, în care volumul domeniilor cu energie mai mică crește și scade cu o energie mai mare (Fig. 9, b). În cazul câmpurilor foarte slabe, aceste deplasări ale limitelor sunt reversibile și urmează cu exactitate modificările câmpului (dacă câmpul este oprit, magnetizarea va fi din nou zero). Acest procedeu corespunde porțiunii curbei B (H) (Fig. 10). Odată cu creșterea câmpului, deplasările granițelor domeniului devin ireversibile.

Cu o magnitudine suficientă a câmpului de magnetizare, domeniile nefavorabile energetic dispar (Fig. 9, c, secțiunea din Fig. 7). Dacă câmpul crește și mai mult, momentele magnetice ale domeniilor sunt întoarse pe câmp, astfel încât întregul eșantion se transformă într-un singur domeniu mare (Fig. 9, d, secțiunea din Fig. 10).

Numeroase proprietăți interesante și valoroase ale feromagnetelor le permit să fie utilizate pe scară largă în diverse domenii ale științei și tehnologiei: pentru fabricarea miezurilor de transformare și a emițătorilor de ultrasunete electromecanice, ca magneți permanenți etc. Materialele ferromagnetice sunt utilizate în afacerile militare: în diverse dispozitive electrice și radio; ca surse de ultrasunete - în sonar, navigare, comunicare sonoră; ca magneții permanenți - atunci când se creează mine magnetice și pentru recunoaștere magnetometrică. Recunoașterea magnetometrică permite detectarea și identificarea obiectelor care conțin materiale feromagnetice; utilizat în sistemul de combatere a submarinelor și a minelor marine.