В чем измеряется магнитный момент. Магнитный момент витка

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

Магнитный момент витка с током это физическая величина, как и любой другой магнитный момент, характеризует магнитные свойства данной системы. В нашем случае систему представляет круговой виток с током. Этот ток создает магнитное поле, которое взаимодействует с внешним магнитным полем. Это может быть как поле земли, так и поле постоянного или электромагнита.

Рисунок — 1 круговой виток с током

Круговой виток с током можно представить в виде короткого магнита. Причем этот магнит будет направлен перпендикулярно плоскости витка. Расположение полюсов такого магнита определяется с помощью правила буравчика. Согласно которому северный плюс будет находиться за плоскостью витка, если ток в нем будет двигаться по часовой стрелке.

Рисунок — 2 Воображаемый полосовой магнит на оси витка

На этот магнит, то есть на наш круговой виток с током, как и на любой другой магнит, будет воздействовать внешнее магнитное поле. Если это поле будет однородным, то возникнет вращающий момент, который будет стремиться развернуть виток. Поле буде поворачивать виток так чтобы его ось расположилась вдоль поля. При этом силовые линии самого витка, как маленького магнита, должны совпасть по направлению с внешним полем.

Если же внешнее поле будет не однородным, то к вращающему моменту добавится и поступательное движение. Это движение возникнет вследствие того что участки поля с большей индукцией будут притягивать наш магнит в виде витка больше чем участки с меньшей индукцией. И виток начнет двигаться в сторону поля с большей индукцией.

Величину магнитного момента кругового витка с током можно определить по формуле.

Формула — 1 Магнитный момент витка

Где, I ток протекающий по витку

S площадь витка с током

n нормаль к плоскости в которой находится виток

Таким образом, из формулы видно, что магнитный момент витка это векторная величина. То есть кроме величины силы, то есть ее модуля он обладает еще и направлением. Данное свойство магнитный момент получил из-за того что в его состав входит вектор нормали к плоскости витка.

Для закрепления материала можно провести несложный опыт. Для этого нам понадобится круговой виток, из медной проволоки подключённый к батареи питания. При этом подводящие провода должны быть достаточно тонкими и желательно свиты между собой. Это уменьшит их влияние на опыт.

Рисунок —

Теперь подвесим виток на подводящих проводах в однородном магнитном поле, созданном скажем постоянными магнитами. Виток пока обесточен, и его плоскость располагается параллельно силовым линиям поля. При этом его ось и полюса воображаемого магнита будут перпендикулярны линиям внешнего поля.

Рисунок —

При подаче тока на виток его плоскость повернется перпендикулярно силовым линиям постоянного магнита, а ось станет им параллельна. Причем направление поворота витка будет определяться правилом буравчика. А строго говоря, направлением, в котором течет ток по витку.

Кикоин А.К. Магнитный момент тока //Квант. - 1986. - № 3. - С. 22-23.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Из курса физики девятого класса («Физика 9», § 88) известно, что на прямолинейный проводник длиной l с током I , если он помещен в однородное магнитное поле с индукцией \(~\vec B\), действует сила \(~\vec F\), равная по модулю

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

где α - угол между направлением тока и вектором магнитной индукции. Направлена эта сила перпендикулярно и полю, и току (по правилу левой руки).

Прямолинейный проводник - это только часть электрической цепи, поскольку электрический ток всегда замкнут. А как магнитное поле действует на замкнутый ток, точнее - на замкнутый контур с током?

На рисунке 1 в качестве примера показан контур в форме прямоугольной рамки со сторонами a и b , по которой в указанном стрелками направлении течет ток I .

Рамка помещена в однородное магнитное поле с индукцией \(~\vec B\) так, что в начальный момент вектор \(~\vec B\) лежит в плоскости рамки и параллелен двум ее сторонам. Рассматривая каждую из сторон рамки по отдельности, мы найдем, что на боковые стороны (длиной а ) действуют силы, равные по модулю F = BIa и направленные в противоположные стороны. На две другие стороны силы не действуют (для них sin α = 0). Каждая из сил F относительно оси, проходящей через середины верхней и нижней сторон рамки, создает момент силы (вращающий момент), равный \(~\frac{BIab}{2}\) (\(~\frac{b}{2}\) - плечо силы). Знаки моментов одинаковы (обе силы поворачивают рамку в одну сторону), так что общий вращающий момент М равен BIab , или, поскольку произведение ab равно площади S рамки,

\(~M = BIab = BIS\) .

Под действием этого момента рамка начнет поворачиваться (если смотреть сверху, то по часовой стрелке) и будет поворачиваться до тех пор, пока не станет своей плоскостью перпендикулярно вектору индукции \(~\vec B\) (рис. 2).

В этом положении сумма сил и сумма моментов сил равны нулю, и рамка находится в состоянии устойчивого равновесия. (На самом деле рамка остановится не сразу - в течение некоторого времени она будет совершать колебания около своего положения равновесия.)

Нетрудно показать (сделайте это самостоятельно), что в любом промежуточном положении, когда нормаль к плоскости контура составляет произвольный угол β с индукцией магнитного поля, вращающий момент равен

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

Из этого выражения видно, что при данном значении индукции поля и при определенном положении контура с током вращающий момент зависит только от произведения площади контура S на силу тока I в нем. Величину IS и называют магнитным моментом контура с током. Говоря точнее, IS - это модуль вектора магнитного момента. А направлен этот вектор перпендикулярно плоскости контура и притом так, что если мысленно вращать буравчик в направлении тока в контуре, то направление поступательного движения буравчика укажет направление магнитного момента. Например, магнитный момент контура, показанного на рисунках 1 и 2, направлен от нас за плоскость страницы. Измеряется магнитный момент в А·м 2 .

Теперь мы можем сказать, что контур с током в однородном магнитном поле устанавливается так, чтобы его магнитный момент «смотрел» в сторону того поля, которое вызвало его поворот.

Известно, что не только контуры с током обладают свойством создавать собственное магнитное поле и поворачиваться во внешнем поле. Такие же свойства наблюдаются и у намагниченного стержня, например у стрелки компаса.

Еще в 1820 году замечательный французский физик Ампер высказал идею о том, что сходство поведения магнита и контура с током объясняется тем, что в частицах магнита существуют замкнутые токи. Теперь известно, что в атомах и молекулах действительно есть мельчайшие электрические токи, связанные с движением электронов по своим орбитам вокруг ядер. Из-за этого атомы и молекулы многих веществ, например парамагнетиков, обладают магнитными моментами. Поворот этих моментов во внешнем магнитном поле и приводит к намагничиванию парамагнитных веществ.

Выяснилось и другое. Все частицы, входящие в состав атома, обладают также магнитными моментами, вовсе не связанными с какими-либо движениями зарядов, то есть с токами. Для них магнитный момент является таким же «врожденным» качеством, как заряд, масса и т. п. Магнитным моментом обладает даже частица, не имеющая электрического заряда,- нейтрон, составная часть атомных ядер. Магнитным моментом обладают поэтому и атомные ядра.

Таким образом, магнитный момент - одно из самых важных понятий в физике.

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).

В предыдущем параграфе было выяснено, что действие магнитного поля на плоский контур с током определяется магнитным моментом контура , равным произведению силы тока в контуре на площадь контура (см. формулу (118.1)).

Единицей магнитного момента является ампер-метр в квадрате (). Чтобы дать представление об этой единице, укажем, что при силе тока 1 А магнитным моментом, равным 1 , обладает круговой контур радиуса 0,564 м () либо квадратный контур со стороной квадрата, равной 1 м. При силе тока 10 А магнитным моментом 1 обладает круговой контур радиуса 0,178 м () и т. д.

Электрон, движущийся с большой скоростью по круговой орбите, эквивалентен круговому току, сила которого равна произведению заряда электрона на частоту вращения электрона по орбите: . Если радиус орбиты равен , а скорость электрона – , то и, следовательно, . Магнитный момент, соответствующий этому току,

.

Магнитный момент является векторной величиной, направленной по нормали к контуру. Из двух возможных направлений нормали выбирается то, которое связано с направлением тока в контуре правилом правого винта (рис. 211). Вращение винта с правой нарезкой в направлении, совпадающем с направлением тока в контуре, вызывает продольное перемещение винта в направлении . Выбранная таким образом нормаль называется положительной. Направление вектора принимается совпадающим с направлением положительной нормали .

Рис. 211. Вращение головки винта в направлении тока вызывает перемещение винта в направлении вектора

Теперь мы можем уточнить определение направления магнитной индукции . За направление магнитной индукции принимается направление, в котором устанавливается под действием поля положительная нормаль к контуру с током, т. е. направление, в котором устанавливается вектор .

Единица магнитной индукции в СИ называется тесла (Тл) в честь сербского ученого Николы Теслы (1856-1943). Один тесла равен магнитной индукции однородного магнитного поля, в котором на плоский контур с током, имеющий магнитный момент один ампер-метр в квадрате, действует максимальный вращающий момент, равный одному ньютон-метру.

Из формулы (118.2) следует, что

119.1. Круговой контур радиуса 5 см, по которому течет ток силы 0,01 А, испытывает в однородном магнитном поле максимальный вращающий момент, равный Н×м. Какова магнитная индукция этого поля?

119.2. Какой вращающий момент действует на тот же контур, если нормаль к контуру образует с направлением поля угол 30°?

119.3. Найдите магнитный момент тока, создаваемого электроном, движущимся по круговой орбите радиуса м со скоростью м/с. Заряд электрона равен Кл.