Что такое магнитный момент контура

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 — Спина. 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 s = 1 /₂ — спиновое квантовое число (См. Квантовые числа). Отношение спинового М. м. к механическому моменту (спину)

,

.

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_ec, 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_lm_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

должен был бы по аналогии с электроном равняться

,

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 закона или Кюри — Вейса закона (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.

Источник

Магнитный момент

Полезное

Смотреть что такое «Магнитный момент» в других словарях:

Магнитный момент — Размерность L2I Единицы измерения СИ А⋅м2 … Википедия

МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ — 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

МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ — 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 … Большой Энциклопедический словарь

МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ — 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

МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ — (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. [http://metaltrade.ru/abc/a.htm] Тематики металлургия в целом EN magnetic moment … Справочник технического переводчика

магнитный момент — 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 — – основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Элементарным источником магнетизма считается электрический ток. Вектор, определяющийся произведением силы тока на площадь контура замкнутого тока, есть магнитный момент. По… … Палеомагнитология, петромагнитология и геология. Словарь-справочник.

магнитный момент — elektromagnetinis momentas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Vektorinis dydis, kurio vektorinė sandauga su vienalyčio magnetinio srauto tankiu yra lygi sukimo momentui: m · B = T; čia m – magnetinio momento vektorius, B… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

Источник

5.7. Контур с током в магнитном поле

Пусть контур с током помещен в магнитное поле, причем он может вращаться вокруг вертикальной оси OO’ (рис. 5.30-1). Силы Ампера, действующие на стороны контура длиной l, перпендикулярны к ним и к магнитному полю и поэтому направлены вертикально: они лишь деформируют контур, стремясь растянуть его. Стороны, имеющие длину a, перпендикулярны B, так что на каждую из них действует сила F = BIa. Эти силы стремятся повернуть контур таким образом, чтобы его плоскость стала ортогональной B.

Рис. 5.30. Силы, действующие на контур с током в магнитном поле:
1 — вид сбоку; 2 — вид сверху (масштаб увеличен)

Видео 5.7. Контур с током в однородном магнитном поле.

Момент пары сил (рис. 5.30-2) равен

где — плечо пары сил, а — угол между вектором B и стороной l.

Величина, численно равная произведению силы тока I, протекающего в контуре, на площадь контура S = al называется магнитным моментом P_m плоского контура стоком

Таким образом, мы можем записать момент пары сил в виде

Магнитный момент контура с током — векторная величина. Направление Р_m совпадает с положительным направлением нормали к плоскости контура, которое определяется правилом винта: если рукоятка вращается по направлению тока в контуре, то поступательное движение винта показывает направление вектора P_m . Введем в формулу (15.36) угол a между векторами P_m и B. Справедливо соотношение

то есть момент сил , действующий на виток с током в однородном магнитном поле, равен векторному произведению магнитного момента витка на вектор индукции магнитного поля (рис. 5.31). При величина момента сил максимальна

Рис. 5.31. Силы, действующие на прямоугольный контур с током в магнитном поле.
Магнитное поле вертикально, а магнитный момент перпендикулярен плоскости контура

Опять-таки прозрачна аналогия с электростатикой: говоря об электрическом диполе, мы получили выражение для момента сил, действующих на него со стороны электрического поля в виде

где — электрический дипольный момент.

В системе СИ единицей измерения магнитного момента контура является ампер на квадратный метр (А · м 2 )

Видео 5.10. «Сознательные катушки»: отталкивание и притяжение параллельных токов и поворот магнитного момента по магнитному полю.

Пример. По тонкому проводу в виде кольца радиусом 30 см течет ток 100 A. Перпендикулярно плоскости кольца возбуждено однородное магнитное поле с магнитной индукцией 20 мТл (рис. 5.32). Найти силу, растягивающую кольцо.

Рис. 5.32. Силы, растягивающие кольцо с током в магнитном поле

Решение. Пусть магнитное поле направлено от нас за плоскость рис. 5.32 (показано крестиками), а ток идет по часовой стрелке. Выделим элемент длины dl, видный из центра под углом На этот элемент действует сила Ампера направленная по радиусу кольца. Кроме того, из-за растяжения кольца на концы элемента действуют силы натяжения F, которые и требуется найти в задаче. Проекция этих сила на радиальное направление равна

Приравнивая эту проекцию силе Ампера, находим

Источник

Магнитное поле магнитного диполя пропорционально его магнитному дипольному моменту. Дипольная составляющая магнитного поля объекта симметрична относительно направления его магнитного дипольного момента и уменьшается как куб, обратный расстоянию от объекта.

СОДЕРЖАНИЕ

Определение, единицы и измерение

Определение

Магнитный момент можно определить как вектор, связывающий выравнивающий момент на объекте от внешнего магнитного поля с самим вектором поля. Отношения задаются:

Это определение основано на том, как в принципе можно измерить магнитный момент неизвестного образца. Для токовой петли это определение приводит к тому, что величина магнитного дипольного момента равна произведению тока на площадь петли. Кроме того, это определение позволяет рассчитать ожидаемый магнитный момент для любого известного макроскопического распределения тока.

Альтернативное определение полезно для термодинамических расчетов магнитного момента. В этом определении магнитный дипольный момент системы представляет собой отрицательный градиент ее внутренней энергии U _{int по} отношению к внешнему магнитному полю:

Как правило, внутренняя энергия включает в себя энергию собственного поля системы плюс энергию внутренней работы системы. Например, для атома водорода в состоянии 2p во внешнем поле энергия собственного поля пренебрежимо мала, поэтому внутренняя энергия по существу является собственной энергией состояния 2p, которая включает кулоновскую потенциальную энергию и кинетическую энергию электрона. Энергия поля взаимодействия между внутренними диполями и внешними полями не является частью этой внутренней энергии.

Единицы

Измерение

Отношение к намагничиванию

Модели

Модель магнитного полюса

Модель петли амперова

После того, как Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрические токи создают магнитное поле, а Андре-Мари Ампер обнаружил, что электрические токи притягивают и отталкивают друг друга, как магниты, было естественным предположить, что все магнитные поля возникают из-за контуров электрического тока. В этой модели, разработанной Ампером, элементарный магнитный диполь, из которого состоят все магниты, представляет собой достаточно малую амперовую петлю тока I. Дипольный момент этой петли равен

Локализованные текущие распределения

таким образом определяется магнитный дипольный момент для амперовской петли.

Магнитный момент соленоида

Квантовая механическая модель

Воздействие внешнего магнитного поля

Крутящий момент

Крутящий момент τ на объекте, имеющем магнитный дипольный момент m в однородном магнитном поле B, равен:

Это справедливо на данный момент из-за любого локализованного распределения тока при условии, что магнитное поле однородно. Для неоднородного B уравнение также справедливо для крутящего момента относительно центра магнитного диполя при условии, что магнитный диполь достаточно мал.

Сила на мгновение

Магнитный момент во внешнем магнитном поле имеет потенциальную энергию U :

В случае использования пары монополей (т.е. модели электрического диполя) сила равна

И одно можно выразить через отношение

Магнетизм

Воздействие на окружающую среду

Магнитное поле магнитного момента

Магнитное поле магнитного диполя зависит от силы и направления магнитного момента магнита, но уменьшается в виде куба расстояния, так что: м <\ displaystyle \ mathbf >

Силы между двумя магнитными диполями

Как обсуждалось ранее, сила, прилагаемая дипольной петлей с моментом m ₁ к другой с моментом m _2, равна

Сила, действующая на m _1, находится в противоположном направлении.

Крутящий момент одного магнитного диполя на другом

Крутящий момент магнита 1 на магните 2 равен

Теория, лежащая в основе магнитных диполей

Магнитное поле любого магнита можно смоделировать с помощью ряда членов, для которых каждый член более сложен (имеет более мелкие угловые детали), чем предыдущий. Первые три члена этой серии называются монополем (представлен изолированным северным или южным магнитным полюсом), диполем (представлен двумя равными и противоположными магнитными полюсами) и квадруполем (представлен четырьмя полюсами, которые вместе образуют два равных и противоположных полюса). диполи). Величина магнитного поля для каждого члена уменьшается с расстоянием прогрессивно быстрее, чем предыдущий член, так что на достаточно больших расстояниях первый ненулевой член будет доминировать.

Магнитные потенциалы

Традиционно уравнения для магнитного дипольного момента (и члены более высокого порядка) выводятся из теоретических величин, называемых магнитными потенциалами, с которыми проще иметь дело с математической точки зрения, чем с магнитными полями.

Оба этих потенциала могут быть рассчитаны для любого произвольного распределения тока (для модели амперной петли) или распределения магнитного заряда (для модели магнитного заряда) при условии, что они ограничены достаточно малой областью, чтобы дать:

С точки зрения магнитного полюса, первый ненулевой член скалярного потенциала равен

Его можно представить в терминах плотности напряженности магнитного полюса, но более полезно выразить в терминах поля намагничивания как: м <\ displaystyle \ mathbf >

В обоих уравнениях используется один и тот же символ, поскольку они дают эквивалентные результаты вне магнита. м <\ displaystyle \ mathbf >

Внешнее магнитное поле, создаваемое магнитным дипольным моментом

Следовательно, плотность магнитного потока для магнитного диполя в модели амперной петли равна

Кроме того, напряженность магнитного поля равна ЧАС <\ displaystyle \ mathbf >

Внутреннее магнитное поле диполя

Две модели диполя (токовая петля и магнитные полюса) дают одинаковые предсказания для магнитного поля вдали от источника. Однако внутри области источника они дают разные прогнозы. Магнитное поле между полюсами (см. Определение магнитного полюса на рисунке ) находится в направлении, противоположном магнитному моменту (который указывает от отрицательного заряда к положительному), в то время как внутри токовой петли оно находится в том же направлении (см. Рисунок Направо). Пределы этих полей также должны быть разными, поскольку источники сжимаются до нулевого размера. Это различие имеет значение только в том случае, если дипольный предел используется для расчета полей внутри магнитного материала.

Если магнитный диполь создается путем уменьшения и уменьшения токовой петли, но при сохранении постоянного произведения тока и площади, ограничивающее поле равно

В отличие от выражений в предыдущем разделе, этот предел верен для внутреннего поля диполя.

Если магнитный диполь сформирован путем взятия «северного полюса» и «южного полюса», приведения их все ближе и ближе друг к другу, но при сохранении постоянного произведения заряда магнитного полюса и расстояния, ограничивающее поле равно

Связь с угловым моментом

Это похоже на магнитный момент, создаваемый очень большим количеством заряженных частиц, составляющих этот ток:

Сравнение двух уравнений приводит к:

Несмотря на то, что атомные частицы нельзя точно описать как орбитальные (и вращающиеся) зарядовые распределения с однородным отношением заряда к массе, эту общую тенденцию можно наблюдать в атомном мире, так что:

где g- фактор зависит от частицы и конфигурации. Например, g- фактор для магнитного момента электрона, вращающегося вокруг ядра, равен единице, в то время как g- фактор для магнитного момента электрона, обусловленного его собственным угловым моментом ( спином ), немного больше 2. g- фактор атомов и молекул должны учитывать орбитальный и собственный моменты его электронов, а также, возможно, собственный момент его ядер.

Атомы, молекулы и элементарные частицы

Точно так же магнитный момент стержневого магнита представляет собой сумму вносящих вклад магнитных моментов, которые включают собственный и орбитальный магнитные моменты неспаренных электронов материала магнита и ядерные магнитные моменты.

Магнитный момент атома

Для атома отдельные электронные спины складываются, чтобы получить общий спин, и отдельные орбитальные угловые моменты складываются, чтобы получить общий орбитальный угловой момент. Затем эти два суммируются с использованием связи по угловому моменту, чтобы получить общий угловой момент. Для атома без ядерного магнитного момента величина дипольного момента атома тогда равна м атом <\ displaystyle <\ mathfrak > _ <\ text >>

м атом знак равно грамм J μ B j ( j + 1 ) <\ displaystyle <\ mathfrak > _ <\ text > = g _ <\ rm > \, \ mu _ <\ rm > \, <\ sqrt >>

Отрицательный знак возникает из-за того, что электроны имеют отрицательный заряд.

Целое число м (не следует путать с моментом, ) называется магнитным квантовым числом или экваториальное квантовое число, которое может принимать любой из 2 J + 1 значений: м <\ displaystyle <\ mathfrak >>

Из-за углового момента динамика магнитного диполя в магнитном поле отличается от динамики электрического диполя в электрическом поле. Поле действительно оказывает крутящий момент на магнитный диполь, стремясь выровнять его с полем. Однако крутящий момент пропорционален скорости изменения углового момента, поэтому происходит прецессия : изменяется направление вращения. Такое поведение описывается уравнением Ландау – Лифшица – Гильберта :

Магнитный момент электрона

Магнитный момент электрона равен

Магнитный момент ядра

Магнитный момент молекулы

Примеры молекулярного магнетизма

Элементарные частицы

Источник