Magnetisch moment van een wending. Definitie
- Magnetisch moment - Zie Magnetisme. Encyclopedisch woordenboek van Brockhaus en Efron
- magnetisch moment - MAGNETISCH MOMENT is een vectorgrootheid die het magnetische veld karakteriseert. eigenschappen van materie. Mm. alle elementaire deeltjes en daaruit gevormde systemen (atoomkernen, atomen, moleculen) bezitten. Mm. atomen, moleculen, enz. Chemische encyclopedie
- MAGNETISCH MOMENT - De belangrijkste grootheid die het magnetische moment karakteriseert. eigenschappen van het eiland. De bron van magnetisme (M. m.), volgens de klassieker. theorie van el.-magn. verschijnselen, verschijnselen macro- en micro(atomair) - elektrisch. stromingen. Elem. De bron van magnetisme wordt beschouwd als een gesloten stroom. Uit ervaring en klassiekers. Fysiek encyclopedisch woordenboek
- MAGNETISCH KOPPEL - MAGNETISCH KOPPEL, een meting van de sterkte van een permanente magneet of stroomvoerende spoel. Het is de maximale draaikracht (draaimoment) die wordt uitgeoefend op een magneet, spoel of elektrische lading in een MAGNETISCH VELD gedeeld door de sterkte van het veld. Geladen deeltjes en atoomkernen hebben ook een magnetisch moment. Wetenschappelijk en technisch woordenboek
- MAGNETISCH MOMENT - MAGNETISCH MOMENT is een vectorgrootheid die een stof karakteriseert als bron van een magnetisch veld. Het macroscopische magnetische moment wordt gecreëerd door gesloten elektrische stromen en geordend georiënteerde magnetische momenten van atomaire deeltjes. Groot encyclopedisch woordenboek
Kikoin AK Magnetisch stroommoment // Quantum. - 1986. - Nr. 3. - P. 22-23.
Door speciale overeenkomst met de redactie en redacteuren van het tijdschrift "Kvant"
Uit de natuurkundecursus van het negende leerjaar (“Natuurkunde 9”, § 88) is bekend dat een rechte geleider met lengte l met stroom I, als het in een uniform magnetisch veld wordt geplaatst met inductie \(~\vec B\), werkt een kracht \(~\vec F\) even groot
\(~F = BIl \sin \alpha\) ,
Waar α - de hoek tussen de richting van de stroom en de vector van magnetische inductie. Deze kracht is loodrecht op zowel het veld als de stroom gericht (volgens de linkerhandregel).
Een rechte geleider is slechts een deel van een elektrisch circuit, omdat de elektrische stroom altijd gesloten is. Hoe werkt een magnetisch veld op een gesloten stroom, of beter gezegd, op een gesloten circuit met stroom?
Figuur 1 toont als voorbeeld een contour in de vorm van een rechthoekig frame met zijkanten A En B, waarlangs de stroom vloeit in de richting aangegeven door de pijlen I.
Het frame wordt in een uniform magnetisch veld geplaatst met inductie \(~\vec B\) zodat op het beginmoment de vector \(~\vec B\) in het vlak van het frame ligt en evenwijdig is aan de twee zijden. Als we elke zijde van het frame afzonderlijk bekijken, zien we dat de zijkanten (lengte A) krachten werken even groot F = BIA en in tegengestelde richtingen gericht. De krachten werken niet op de andere twee kanten (voor hen zonde). α = 0). Elk van de krachten F relatief ten opzichte van de as die door de middelpunten van de boven- en onderkant van het frame loopt, creëert een krachtmoment (koppel) gelijk aan \(~\frac(BIab)(2)\) (\(~\frac(b) (2)\) - schoudersterkte). De tekenen van de momenten zijn hetzelfde (beide krachten roteren het frame in dezelfde richting), dus het totale koppel M gelijk aan BIab, of, sinds het product ab gelijk aan oppervlakte S kader,
\(~M = BIab = BIS\) .
Onder invloed van dit moment zal het frame beginnen te roteren (van bovenaf bekeken, dan met de klok mee) en zal het roteren totdat het vlak loodrecht staat op de inductievector \(~\vec B\) (Fig. 2).
In deze positie is de som van de krachten en de som van de krachtenmomenten gelijk aan nul en bevindt het frame zich in een stabiele evenwichtstoestand. (In feite zal het frame niet onmiddellijk stoppen - het zal enige tijd rond zijn evenwichtspositie oscilleren.)
Het is niet moeilijk om aan te tonen (doe het zelf) dat in elke tussenpositie, wanneer de normaal op het contourvlak een willekeurige hoek maakt β bij magnetische veldinductie is het koppel gelijk aan
\(~M = BIS \sin \beta\) .
Uit deze uitdrukking blijkt duidelijk dat voor een bepaalde waarde van veldinductie en voor een bepaalde positie van het circuit met stroom, het koppel alleen afhangt van het product van het oppervlak van het circuit S op huidige sterkte I erin. Maat IS en wordt het magnetische moment van het stroomvoerende circuit genoemd. Meer precies, IS is de grootte van de magnetische momentvector. En deze vector is loodrecht op het vlak van het circuit gericht en op zo'n manier dat als je de boorkop mentaal in de richting van de stroom in het circuit draait, de richting van de translatiebeweging van de boorkop de richting van de boorkop zal aangeven. magnetisch moment. Het magnetische moment van het circuit dat in de figuren 1 en 2 wordt getoond, is bijvoorbeeld van ons af gericht voorbij het vlak van de pagina. Het magnetische moment wordt gemeten in A m 2.
Nu kunnen we zeggen dat een circuit met een stroom in een uniform magnetisch veld zo is geïnstalleerd dat het magnetische moment "kijkt" in de richting van het veld dat de rotatie veroorzaakte.
Het is bekend dat niet alleen stroomvoerende circuits de eigenschap hebben hun eigen magnetische veld te creëren en in een extern veld te roteren. Dezelfde eigenschappen worden waargenomen in een gemagnetiseerde staaf, bijvoorbeeld in een kompasnaald.
In 1820 bracht de opmerkelijke Franse natuurkundige Ampere het idee tot uitdrukking dat de gelijkenis in het gedrag van een magneet en een stroomcircuit wordt verklaard door het feit dat er gesloten stromen bestaan in de magneetdeeltjes. Het is nu bekend dat atomen en moleculen minieme elektrische stromen bevatten die verband houden met de beweging van elektronen in hun banen rond kernen. Hierdoor hebben atomen en moleculen van veel stoffen, zoals paramagnetische stoffen, magnetische momenten. De rotatie van deze momenten in een extern magnetisch veld leidt tot de magnetisatie van paramagnetische stoffen.
Het bleek iets anders. Alle deeltjes waaruit een atoom bestaat, hebben ook magnetische momenten die helemaal niet verband houden met enige beweging van ladingen, dat wil zeggen met stromen. Voor hen is het magnetische moment dezelfde ‘aangeboren’ kwaliteit als lading, massa, enz. Zelfs een deeltje dat geen elektrische lading heeft – een neutron, een integraal onderdeel van atoomkernen – heeft een magnetisch moment. Daarom hebben atoomkernen ook een magnetisch moment.
Magnetisch moment is dus een van de belangrijkste concepten in de natuurkunde.
De ervaring leert dat alle stoffen magnetisch zijn, d.w.z. zijn in staat, onder invloed van een extern magnetisch veld, hun eigen interne magnetische veld te creëren (hun eigen magnetische moment verwerven, gemagnetiseerd worden).
Om de magnetisatie van lichamen te verklaren, suggereerde Ampere dat circulaire moleculaire stromen circuleren in de moleculen van stoffen. Elke dergelijke microstroom I i heeft zijn eigen magnetisch moment en creëert een magnetisch veld in de omringende ruimte (Fig. 1). Bij afwezigheid van een extern veld zijn de moleculaire stromen en de daarmee samenhangende stromen willekeurig georiënteerd, zodat het resulterende veld binnen de substantie en het totale moment van de gehele substantie nul zijn. Wanneer een stof in een extern magnetisch veld wordt geplaatst, verwerven de magnetische momenten van de moleculen een overwegend oriëntatie in één richting, wordt het totale magnetische moment niet-nul en wordt de magneet gemagnetiseerd. De magnetische velden van individuele moleculaire stromen compenseren elkaar niet langer en er verschijnt een eigen intern veld in de magneet.
Laten we de oorzaak van dit fenomeen bekijken vanuit het oogpunt van de structuur van atomen, gebaseerd op het planetaire model van het atoom. Volgens Rutherford bevindt zich in het midden van het atoom een positief geladen kern, waarrond negatief geladen elektronen in stationaire banen roteren. Een elektron dat in een cirkelvormige baan rond een kern beweegt, kan worden beschouwd als een cirkelvormige stroom (microstroom). Omdat gewoonlijk wordt aangenomen dat de richting van de stroom de bewegingsrichting van positieve ladingen is, en de lading van het elektron negatief is, is de richting van de microstroom tegengesteld aan de bewegingsrichting van het elektron (Fig. 2).
De grootte van de microstroom Ie kan als volgt worden bepaald. Als het elektron gedurende de tijd t N omwentelingen rond de kern maakte, dan werd een lading overgebracht via een pad dat zich ergens op het pad van het elektron bevond (de lading van het elektron).
Volgens de definitie van huidige sterkte,
waar is de elektronenrotatiefrequentie.
Als stroom I in een gesloten circuit vloeit, dan heeft zo'n circuit een magnetisch moment waarvan de modulus gelijk is aan
Waar S- gebied begrensd door contour.
Voor microstroom is dit gebied het orbitale gebied S = p r 2
(r is de straal van de baan), en het magnetische moment is gelijk aan
waarbij w = 2pn de cyclische frequentie is, de lineaire snelheid van het elektron.
Het moment wordt veroorzaakt door de beweging van het elektron in zijn baan en wordt daarom het orbitale magnetische moment van het elektron genoemd.
Het magnetische moment pm dat een elektron bezit als gevolg van zijn orbitale beweging, wordt het orbitale magnetische moment van het elektron genoemd.
De richting van de vector vormt een rechtshandig systeem met de richting van de microstroom.
Zoals elk materieel punt dat in een cirkel beweegt, heeft het elektron een impulsmoment:
Het impulsmoment L dat een elektron bezit als gevolg van zijn orbitale beweging, wordt orbitaal mechanisch impulsmoment genoemd. Het vormt een rechtshandig systeem met de richting van de elektronenbeweging. Zoals uit figuur 2 blijkt, zijn de richtingen van de vectoren en tegengesteld.
Het bleek dat het elektron, naast orbitale momenten (dat wil zeggen veroorzaakt door beweging langs de baan), zijn eigen mechanische en magnetische momenten heeft.
Aanvankelijk probeerden ze het bestaan te verklaren door het elektron te beschouwen als een bal die rond zijn eigen as draaide. Daarom werd het eigen mechanische impulsmoment van het elektron spin genoemd (van het Engelse spin - roteren). Later werd ontdekt dat een dergelijk concept tot een aantal tegenstrijdigheden leidt en werd de hypothese van een ‘roterend’ elektron verlaten.
Inmiddels is vastgesteld dat de elektronenspin en het bijbehorende intrinsieke (spin) magnetische moment een integrale eigenschap van het elektron zijn, net als zijn lading en massa.
Het magnetische moment van een elektron in een atoom bestaat uit de orbitale en spinmomenten:
Het magnetische moment van een atoom is samengesteld uit de magnetische momenten van de elektronen die deel uitmaken van de samenstelling ervan (het magnetische moment van de kern wordt verwaarloosd vanwege zijn kleinheid):
.
Magnetisatie van materie.
Atoom in een magnetisch veld. Dia- en paramagnetische effecten.
Laten we eens kijken naar het mechanisme van de werking van een extern magnetisch veld op elektronen die in een atoom bewegen, d.w.z. aan microstromen.
Zoals bekend is, wanneer een stroomvoerend circuit in een magnetisch veld met inductie wordt geplaatst, ontstaat er een koppel
onder invloed waarvan het circuit zo is georiënteerd dat het vlak van het circuit loodrecht staat en het magnetische moment in de richting van de vector ligt (Fig. 3).
Elektronenmicrostroom gedraagt zich op dezelfde manier. De oriëntatie van de orbitale microstroom in een magnetisch veld gebeurt echter niet op precies dezelfde manier als een circuit met stroom. Feit is dat een elektron dat rond de kern beweegt en een impulsmoment heeft, vergelijkbaar is met een top, daarom heeft het alle kenmerken van het gedrag van gyroscopen onder invloed van externe krachten, in het bijzonder het gyroscopisch effect. Daarom, wanneer, wanneer een atoom in een magnetisch veld wordt geplaatst, een koppel begint in te werken op de orbitale microstroom, waardoor het orbitale magnetische moment van het elektron in de richting van het veld tot stand wordt gebracht, vindt precessie van de vectoren plaats rond de richting van de vector (vanwege het gyroscopische effect). De frequentie van deze precessie
genaamd Larmorova frequentie en is hetzelfde voor alle elektronen van een atoom.
Dus wanneer een stof in een magnetisch veld wordt geplaatst, genereert elk elektron van het atoom, als gevolg van de precessie van zijn baan rond de richting van het externe veld, een extra geïnduceerd magnetisch veld, gericht tegen het externe veld en verzwakt het. Omdat de geïnduceerde magnetische momenten van alle elektronen gelijk gericht zijn (tegengesteld aan de vector), is het totale geïnduceerde moment van het atoom ook gericht tegen het externe veld.
Het fenomeen van het verschijnen in magneten van een geïnduceerd magnetisch veld (veroorzaakt door de precessie van elektronenbanen in een extern magnetisch veld), dat tegengesteld aan het externe veld is gericht en dit verzwakt, wordt het diamagnetische effect genoemd. Diamagnetisme is inherent aan alle natuurlijke stoffen.
Het diamagnetische effect leidt tot een verzwakking van het externe magnetische veld in magnetische materialen.
Er kan echter ook een ander effect optreden dat paramagnetisch wordt genoemd. Bij afwezigheid van een magnetisch veld zijn de magnetische momenten van atomen als gevolg van thermische beweging willekeurig georiënteerd en is het resulterende magnetische moment van de substantie nul (Fig. 4a).
Wanneer een dergelijke stof met inductie in een uniform magnetisch veld wordt geïntroduceerd, heeft het veld de neiging de magnetische momenten van de atomen langs te brengen, daarom precederen de vectoren van de magnetische momenten van de atomen (moleculen) rond de richting van de vector. Thermische beweging en onderlinge botsingen van atomen leiden tot een geleidelijke verzwakking van de precessie en een afname van de hoeken tussen de richtingen van de vectoren van magnetische momenten en de vector. De gecombineerde werking van het magnetische veld en thermische beweging leidt tot de preferentiële oriëntatie van de magnetische momenten van atomen langs het veld
(Fig. 4, b), hoe groter hoe hoger en hoe kleiner hoe hoger de temperatuur. Als gevolg hiervan zal het totale magnetische moment van alle atomen van de substantie anders worden dan nul, de substantie zal worden gemagnetiseerd en er zal zijn eigen interne magnetische veld in ontstaan, mede gericht met het externe veld en het versterken ervan.
Het fenomeen van het verschijnen in magneten van hun eigen magnetische veld, veroorzaakt door de oriëntatie van de magnetische momenten van atomen in de richting van het externe veld en het versterken ervan, wordt het paramagnetische effect genoemd.
Het paramagnetische effect leidt tot een toename van het externe magnetische veld in magneten.
Wanneer een stof in een extern magnetisch veld wordt geplaatst, wordt deze gemagnetiseerd, d.w.z. een magnetisch moment verwerft door het dia- of paramagnetische effect, ontstaat zijn eigen interne magnetische veld (veld van microstromen) met inductie in de substantie zelf.
Om de magnetisatie van een stof kwantitatief te beschrijven, wordt het concept van magnetisatie geïntroduceerd.
De magnetisatie van een magneet is een fysieke vectorgrootheid die gelijk is aan het totale magnetische moment van een eenheidsvolume van de magneet:
Bij SI wordt de magnetisatie gemeten in A/m.
Magnetisatie hangt af van de magnetische eigenschappen van de stof, de grootte van het externe veld en de temperatuur. Het is duidelijk dat de magnetisatie van een magneet verband houdt met inductie.
Zoals de ervaring leert, is de magnetisatie voor de meeste stoffen en niet in zeer sterke velden recht evenredig met de sterkte van het externe veld dat de magnetisatie veroorzaakt:
waarbij c de magnetische gevoeligheid van de stof is, een dimensieloze grootheid.
Hoe groter de waarde van c, hoe meer gemagnetiseerd de substantie is voor een bepaald extern veld.
Dat kan bewezen worden
Het magnetische veld in een stof is de vectorsom van twee velden: een extern magnetisch veld en een intern of intrinsiek magnetisch veld gecreëerd door microstromen. De vector van magnetische inductie van een magnetisch veld in een stof karakteriseert het resulterende magnetische veld en is gelijk aan de geometrische som van de magnetische inducties van de externe en interne magnetische velden:
De relatieve magnetische permeabiliteit van een stof laat zien hoe vaak de magnetische veldinductie in een bepaalde stof verandert.
Wat er precies gebeurt met het magnetische veld in deze specifieke stof - of het nu versterkt of verzwakt wordt - hangt af van de grootte van het magnetische moment van het atoom (of molecuul) van deze stof.
Dia- en paramagneten. Ferromagneten.
Magneten zijn stoffen die magnetische eigenschappen kunnen verwerven in een extern magnetisch veld - magnetisatie, d.w.z. creëer je eigen interne magnetische veld.
Zoals reeds vermeld zijn alle stoffen magnetisch, omdat hun eigen interne magnetische veld wordt bepaald door de vectorsom van microvelden gegenereerd door elk elektron van elk atoom:
De magnetische eigenschappen van een stof worden bepaald door de magnetische eigenschappen van de elektronen en atomen van de stof. Op basis van hun magnetische eigenschappen worden magneten onderverdeeld in diamagnetisch, paramagnetisch, ferromagnetisch, antiferromagnetisch en ferriet. Laten we deze klassen van stoffen achtereenvolgens bekijken.
We ontdekten dat wanneer een stof in een magnetisch veld wordt geplaatst, er twee effecten kunnen optreden:
1. Paramagnetisch, leidend tot een toename van het magnetische veld in een magneet als gevolg van de oriëntatie van de magnetische momenten van atomen in de richting van het externe veld.
2. Diamagnetisch, leidend tot veldverzwakking als gevolg van de precessie van elektronenbanen in een extern veld.
Hoe bepaal je welke van deze effecten zullen optreden (of beide tegelijkertijd), welke van hen sterker blijkt te zijn, wat gebeurt er uiteindelijk met het magnetische veld in een bepaalde stof - wordt het versterkt of verzwakt?
Zoals we al weten, worden de magnetische eigenschappen van een stof bepaald door de magnetische momenten van zijn atomen, en is het magnetische moment van een atoom samengesteld uit de orbitale en intrinsieke spin-magnetische momenten van de elektronen die deel uitmaken van de samenstelling ervan:
.
Voor atomen van sommige stoffen is de vectorsom van de orbitale en spin-magnetische momenten van elektronen nul, d.w.z. het magnetische moment van het hele atoom is nul. Wanneer dergelijke stoffen in een magnetisch veld worden geplaatst, kan het paramagnetische effect natuurlijk niet optreden, omdat het alleen ontstaat door de oriëntatie van de magnetische momenten van de atomen in het magnetische veld, maar hier bestaan ze niet.
Maar de precessie van elektronenbanen in een extern veld, die het diamagnetische effect veroorzaakt, vindt altijd plaats, daarom treedt het diamagnetische effect op in alle stoffen wanneer ze in een magnetisch veld worden geplaatst.
Dus als het magnetische moment van een atoom (molecuul) van een stof nul is (als gevolg van wederzijdse compensatie van de magnetische momenten van elektronen), dan zal wanneer een dergelijke stof in een magnetisch veld wordt geplaatst, er alleen een diamagnetisch effect in optreden. . In dit geval is het eigen magnetische veld van de magneet tegengesteld gericht aan het externe veld en verzwakt dit. Dergelijke stoffen worden diamagnetisch genoemd.
Diamagneten zijn stoffen waarin, bij afwezigheid van een extern magnetisch veld, de magnetische momenten van hun atomen gelijk zijn aan nul.
Diamagneten in een extern magnetisch veld worden tegen de richting van het externe veld gemagnetiseerd en verzwakken dit daarom
B = B 0 - B¢, m< 1.
De veldverzwakking in een diamagnetisch materiaal is erg klein. Voor een van de sterkste diamagnetische materialen, bismuth, bijvoorbeeld, is m »0,99998.
Veel metalen (zilver, goud, koper), de meeste organische verbindingen, harsen, koolstof, enz. zijn diamagnetisch.
Als, bij afwezigheid van een extern magnetisch veld, het magnetische moment van de atomen van een substantie verschillend is van nul, zullen, wanneer een dergelijke substantie in een magnetisch veld wordt geplaatst, daarin zowel diamagnetische als paramagnetische effecten optreden, maar de diamagnetische Het effect is altijd veel zwakker dan het paramagnetische effect en is vrijwel onzichtbaar tegen de achtergrond. Het eigen magnetische veld van de magneet wordt samen met het externe veld gericht en versterkt dit. Dergelijke stoffen worden paramagneten genoemd. Paramagneten zijn stoffen waarin, bij afwezigheid van een extern magnetisch veld, de magnetische momenten van hun atomen niet nul zijn.
Paramagneten in een extern magnetisch veld worden gemagnetiseerd in de richting van het externe veld en versterken dit. Voor hen
B = B 0 +B¢, m > 1.
De magnetische permeabiliteit voor de meeste paramagnetische materialen is iets groter dan één.
Paramagnetische materialen omvatten zeldzame aardelementen, platina, aluminium, enz.
Als het diamagnetische effect, B = B 0 -B¢, m< 1.
Als dia- en paramagnetische effecten, B = B 0 +B¢, m > 1.
Ferromagneten.
Alle dia- en paramagneten zijn stoffen die zeer zwak gemagnetiseerd zijn; hun magnetische permeabiliteit ligt dicht bij de eenheid en is niet afhankelijk van de magnetische veldsterkte H. Naast dia- en paramagneten zijn er stoffen die sterk gemagnetiseerd kunnen worden. Ze worden ferromagneten genoemd.
Ferromagneten of ferromagnetische materialen ontlenen hun naam aan de Latijnse naam van de belangrijkste vertegenwoordiger van deze stoffen: ijzer (ferrum). Ferromagneten omvatten, naast ijzer, kobalt, nikkel-gadolinium, vele legeringen en chemische verbindingen. Ferromagneten zijn stoffen die zeer sterk gemagnetiseerd kunnen worden, waarbij het interne (intrinsieke) magnetische veld honderden en duizenden keren hoger kan zijn dan het externe magnetische veld dat dit veroorzaakte.
Eigenschappen van ferromagneten
1. Het vermogen om sterk gemagnetiseerd te worden.
De waarde van de relatieve magnetische permeabiliteit m bereikt in sommige ferromagneten een waarde van 10 6.
2. Magnetische verzadiging.
In afb. Figuur 5 toont de experimentele afhankelijkheid van magnetisatie van de sterkte van het externe magnetische veld. Zoals uit de figuur blijkt, blijft vanaf een bepaalde waarde H de numerieke waarde van de magnetisatie van ferromagneten vrijwel constant en gelijk aan J us. Dit fenomeen werd ontdekt door de Russische wetenschapper A.G. Stoletov en magnetische verzadiging genoemd.
 |
3. Niet-lineaire afhankelijkheden van B(H) en m(H).
Naarmate de spanning toeneemt, neemt de inductie aanvankelijk toe, maar naarmate de magneet wordt gemagnetiseerd, vertraagt de toename ervan, en in sterke velden neemt deze toe met een toename volgens een lineaire wet (Fig. 6).
Vanwege de niet-lineaire afhankelijkheid B(H),
die. magnetische permeabiliteit m hangt op complexe wijze af van de magnetische veldsterkte (Fig. 7). Aanvankelijk neemt m bij toenemende veldsterkte toe van de initiële waarde tot een bepaalde maximale waarde, en neemt vervolgens af en neigt asymptotisch naar eenheid.
4. Magnetische hysterese.
Een ander onderscheidend kenmerk van ferromagneten is hun
het vermogen om de magnetisatie te behouden na verwijdering van het magnetiserende veld. Wanneer de externe magnetische veldsterkte verandert van nul naar positieve waarden, neemt de inductie toe (Fig. 8, sectie
Bij afname naar nul blijft de magnetische inductie achter bij de afname en wanneer de waarde gelijk is aan nul blijkt deze gelijk te zijn (restinductie), d.w.z. Wanneer het externe veld wordt verwijderd, blijft de ferromagneet gemagnetiseerd en is een permanente magneet. Om het monster volledig te demagnetiseren, is het noodzakelijk een magnetisch veld in de tegenovergestelde richting aan te leggen. De grootte van de magnetische veldsterkte, 
die op een ferromagneet moet worden aangebracht om deze volledig te demagnetiseren, wordt genoemd dwingende kracht.
Het fenomeen van een vertraging tussen veranderingen in magnetische inductie in een ferromagneet en veranderingen in de intensiteit van een extern magnetiserend veld dat variabel is in grootte en richting, wordt magnetische hysteresis genoemd.
In dit geval wordt de afhankelijkheid weergegeven door een lusvormige curve genaamd hysteresislussen, getoond in figuur 8.
Afhankelijk van de vorm van de hysteresislus worden magnetisch harde en zachtmagnetische ferromagneten onderscheiden. Harde ferromagneten zijn stoffen met een hoge restmagnetisatie en een hoge coërcitiefkracht, d.w.z. met een brede hysteresislus. Ze worden gebruikt voor de vervaardiging van permanente magneten (koolstof, wolfraam, chroom, aluminium-nikkel en andere staalsoorten).
Zachte ferromagneten zijn stoffen met een lage coërcitiefkracht, die zeer gemakkelijk opnieuw kunnen worden gemagnetiseerd, met een smalle hysteresislus. (Om deze eigenschappen te verkrijgen werd speciaal zogenaamd transformatorijzer gecreëerd, een legering van ijzer met een kleine toevoeging van silicium). Hun toepassingsgebied is de vervaardiging van transformatorkernen; Deze omvatten zacht ijzer, legeringen van ijzer en nikkel (permalloy, supermalloy).
5. Aanwezigheid van Curietemperatuur (punt).
Curie-punt- dit is de temperatuurkarakteristiek van een gegeven ferromagneet waarbij de ferromagnetische eigenschappen volledig verdwijnen.
Wanneer een monster boven het Curiepunt wordt verwarmd, verandert de ferromagneet in een gewone paramagneet. Wanneer het wordt afgekoeld tot onder het Curiepunt, krijgt het zijn ferromagnetische eigenschappen terug. Deze temperatuur is verschillend voor verschillende stoffen (voor Fe - 770 0 C, voor Ni - 260 0 C).
6. Magnetostrictie- het fenomeen van vervorming van ferromagneten tijdens magnetisatie. De grootte en het teken van magnetostrictie zijn afhankelijk van de sterkte van het magnetiserende veld en de aard van de ferromagneet. Dit fenomeen wordt veel gebruikt om krachtige ultrasone zenders te ontwerpen die worden gebruikt in sonar, onderwatercommunicatie, navigatie, enz.
Bij ferromagneten wordt ook het tegenovergestelde fenomeen waargenomen: een verandering in magnetisatie tijdens vervorming. Legeringen met aanzienlijke magnetostrictie worden gebruikt in instrumenten die worden gebruikt om druk en vervorming te meten.
De aard van ferromagnetisme
Een beschrijvende theorie van ferromagnetisme werd in 1907 voorgesteld door de Franse natuurkundige P. Weiss, en een consistente kwantitatieve theorie gebaseerd op de kwantummechanica werd ontwikkeld door de Sovjet-natuurkundige J. Frenkel en de Duitse natuurkundige W. Heisenberg (1928).
Volgens moderne concepten worden de magnetische eigenschappen van ferromagneten bepaald door de spin-magnetische momenten (spins) van elektronen; Alleen kristallijne stoffen waarvan de atomen onafgewerkte interne elektronenschillen met niet-gecompenseerde spins hebben, kunnen ferromagneten zijn. In dit geval ontstaan er krachten die de magnetische spinmomenten van de elektronen dwingen zich evenwijdig aan elkaar te oriënteren. Deze krachten worden uitwisselingsinteractiekrachten genoemd; ze zijn van kwantumaard en worden veroorzaakt door de golfeigenschappen van elektronen.
Onder invloed van deze krachten, bij afwezigheid van een extern veld, wordt de ferromagneet verdeeld in een groot aantal microscopische gebieden - domeinen waarvan de afmetingen in de orde van 10 -2 - 10 -4 cm liggen. Binnen elk domein zijn de elektronenspins parallel aan elkaar georiënteerd, waardoor het hele domein tot verzadiging wordt gemagnetiseerd, maar de magnetisatierichtingen in individuele domeinen verschillend zijn, zodat het totale (totale) magnetische moment van de gehele ferromagneet nul is. . Zoals bekend is, heeft elk systeem de neiging zich in een toestand te bevinden waarin de energie minimaal is. De verdeling van een ferromagneet in domeinen vindt plaats omdat wanneer een domeinstructuur wordt gevormd, de energie van de ferromagneet afneemt. Het Curiepunt blijkt de temperatuur te zijn waarbij domeinvernietiging plaatsvindt, en de ferromagneet zijn ferromagnetische eigenschappen verliest.
Het bestaan van een domeinstructuur van ferromagneten is experimenteel bewezen. Een directe experimentele methode om ze te observeren is de methode van kruitfiguren. Als een waterige suspensie van fijn ferromagnetisch poeder (bijvoorbeeld een magneet) wordt aangebracht op een zorgvuldig gepolijst oppervlak van een ferromagnetisch materiaal, dan bezinken de deeltjes voornamelijk op plaatsen met maximale inhomogeniteit van het magnetische veld, d.w.z. op de grenzen tussen domeinen. Daarom schetst het bezonken poeder de grenzen van de domeinen, en een soortgelijk beeld kan onder een microscoop worden gefotografeerd.
| |
| |
|
 |
- magnetisatie van de gehele magneet in een verzadigingstoestand
|
Omdat, zoals bekend, elk systeem streeft naar een minimum aan energie, vindt er een proces van verplaatsing van domeingrenzen plaats, waarbij het volume van domeinen met lagere energie toeneemt en met hogere energie afneemt (Fig. 9, b). Bij zeer zwakke velden zijn deze grensverplaatsingen omkeerbaar en volgen ze precies de veranderingen in het veld (als het veld wordt uitgeschakeld zal de magnetisatie weer nul zijn). Dit proces komt overeen met het gedeelte van de B(H)-curve (Fig. 10). Naarmate het veld groter wordt, worden de verplaatsingen van domeingrenzen onomkeerbaar.
Wanneer het magnetiserende veld voldoende sterk is, verdwijnen energetisch ongunstige domeinen (figuur 9, c, sectie van figuur 7). Als het veld nog verder toeneemt, roteren de magnetische momenten van de domeinen langs het veld, zodat het hele monster verandert in één groot domein (Fig. 9, d, sectie van Fig. 10).
Dankzij de talrijke interessante en waardevolle eigenschappen van ferromagneten kunnen ze op grote schaal worden gebruikt op verschillende gebieden van wetenschap en technologie: voor de vervaardiging van transformatorkernen en elektromechanische ultrasoonzenders, als permanente magneten, enz. Ferromagnetische materialen worden gebruikt in militaire aangelegenheden: in verschillende elektrische en radioapparatuur; als bronnen van echografie - in sonar, navigatie, onderwatercommunicatie; als permanente magneten - bij het maken van magnetische mijnen en voor magnetometrische verkenning. Met magnetometrische verkenning kunt u objecten detecteren en identificeren die ferromagnetische materialen bevatten; gebruikt in het anti-onderzeeër- en antimijnsysteem.
Experimenten door Stern en Gerlach
In $ 1921 bracht O. Stern het idee naar voren om te experimenteren met het meten van het magnetische moment van een atoom. Hij voerde dit experiment uit in samenwerking met W. Gerlach in $1922. De Stern en Gerlach-methode maakt gebruik van het feit dat een bundel atomen (moleculen) kan worden afgebogen in een niet-uniform magnetisch veld. Een atoom met een magnetisch moment kan worden weergegeven als een elementaire magneet met kleine maar eindige afmetingen. Als zo’n magneet in een uniform magnetisch veld wordt geplaatst, ondervindt hij geen kracht. Het veld zal op de noord- en zuidpool van zo'n magneet inwerken met krachten die even groot zijn en tegengesteld in richting. Als gevolg hiervan zal het traagheidscentrum van het atoom in rust zijn of in een rechte lijn bewegen. (In dit geval kan de as van de magneet oscilleren of precesseren.) Dat wil zeggen, in een uniform magnetisch veld zijn er geen krachten die op het atoom inwerken en er versnelling aan geven. Een uniform magnetisch veld verandert de hoek tussen de richtingen van de magnetische veldinductie en het magnetische moment van het atoom niet.
De situatie is anders als het externe veld inhomogeen is. In dit geval zijn de krachten die op de noord- en zuidpool van de magneet inwerken niet gelijk. De resulterende kracht die op de magneet inwerkt, is niet nul, en geeft versnelling aan het atoom, met of tegen het veld in. Als gevolg hiervan zal de magneet die we overwegen, bij beweging in een niet-uniform veld afwijken van de oorspronkelijke bewegingsrichting. In dit geval hangt de grootte van de afwijking af van de mate van veldinhomogeniteit. Om significante afwijkingen te verkrijgen, moet het veld al binnen de lengte van de magneet scherp veranderen (de lineaire afmetingen van het atoom zijn $\circa (10)^(-8)cm$). De onderzoekers bereikten een dergelijke inhomogeniteit door het ontwerp van een magneet te gebruiken die een veld creëerde. Eén magneet in het experiment had de vorm van een mes, de andere was plat of had een inkeping. De magnetische lijnen condenseerden nabij het ‘blad’, waardoor de spanning in dit gebied aanzienlijk groter was dan die van de platte pool. Een dunne straal atomen vloog tussen deze magneten. Individuele atomen werden afgebogen in het gecreëerde veld. Sporen van individuele deeltjes werden op het scherm waargenomen.
Volgens de concepten van de klassieke natuurkunde hebben magnetische momenten in een atomaire bundel verschillende richtingen ten opzichte van een bepaalde $Z$-as. Wat betekent het: de projectie van het magnetische moment ($p_(mz)$) op een gegeven as neemt alle waarden aan van het interval van $\left|p_m\right|$ tot -$\left|p_m\right |$ (waar $\left|p_( mz)\right|-$ magnetische momentmodule). Op het scherm zou de straal uitgevouwen moeten lijken. Als we in de kwantumfysica echter rekening houden met kwantisering, worden niet alle oriëntaties van het magnetische moment mogelijk, maar slechts een eindig aantal ervan. Zo werd op het scherm het spoor van een atoombundel opgesplitst in een aantal afzonderlijke sporen.
Uit de uitgevoerde experimenten bleek bijvoorbeeld dat een bundel lithiumatomen zich splitste in een straal van $24$. Dit is gerechtvaardigd, aangezien de hoofdterm $Li - 2S$ de term is (één valentie-elektron met spin $\frac(1)(2)\ $ in de s-baan, $l=0).$ Door maten te splitsen kunnen we trek een conclusie over de grootte van het magnetische moment. Zo verkreeg Gerlach het bewijs dat het magnetische spinmoment gelijk is aan het Bohr-magneton. Studies van verschillende elementen hebben volledige overeenstemming met de theorie aangetoond.
Stern en Rabi maten met deze aanpak de magnetische momenten van kernen.
Dus als de projectie $p_(mz)$ wordt gekwantiseerd, wordt daarmee ook de gemiddelde kracht die vanuit het magnetische veld op het atoom inwerkt, gekwantiseerd. De experimenten van Stern en Gerlach bewezen de kwantisering van de projectie van het magnetische kwantumgetal op de $Z$-as. Het bleek dat de magnetische momenten van de atomen evenwijdig aan de $Z$-as gericht zijn; ze kunnen niet onder een hoek ten opzichte van deze as gericht zijn, dus moesten we accepteren dat de oriëntatie van de magnetische momenten ten opzichte van het magnetische veld discreet verandert. . Dit fenomeen werd ruimtelijke kwantisering genoemd. De discretie van niet alleen de toestand van atomen, maar ook van de oriëntaties van de magnetische momenten van een atoom in een extern veld is een fundamenteel nieuwe eigenschap van de beweging van atomen.
De experimenten werden volledig verklaard na de ontdekking van elektronenspin, toen werd ontdekt dat het magnetische moment van een atoom niet wordt veroorzaakt door het orbitale moment van het elektron, maar door het interne magnetische moment van het deeltje, dat verband houdt met zijn interne kracht. mechanisch moment (spin).
Berekening van de beweging van een magnetisch moment in een niet-uniform veld
Laat een atoom bewegen in een niet-uniform magnetisch veld; zijn magnetische moment is gelijk aan $(\overrightarrow(p))_m$. De kracht die erop inwerkt is:
Over het algemeen is een atoom een elektrisch neutraal deeltje, dus er werken geen andere krachten op in een magnetisch veld. Door de beweging van een atoom in een niet-uniform veld te bestuderen, kan men het magnetische moment ervan meten. Laten we aannemen dat het atoom langs de $X$-as beweegt, de veldinhomogeniteit ontstaat in de richting van de $Z$-as (Fig. 1):
Figuur 1.
\frac()()\frac()()
Met behulp van voorwaarden (2) transformeren we uitdrukking (1) naar de vorm:
Het magnetische veld is symmetrisch ten opzichte van het y=0-vlak. We kunnen aannemen dat het atoom in een bepaald vlak beweegt, wat betekent dat $B_x=0.$ De gelijkheid $B_y=0$ wordt alleen geschonden in kleine gebieden nabij de randen van de magneet (we negeren deze overtreding). Uit het bovenstaande volgt dat:
In dit geval zien uitdrukkingen (3) er als volgt uit:
Precessie van atomen in een magnetisch veld heeft geen invloed op $p_(mz)$. We schrijven de bewegingsvergelijking van een atoom in de ruimte tussen magneten in de vorm:
waarbij $m$ de massa van het atoom is. Als een atoom een pad $a$ tussen magneten passeert, wijkt het af van de X-as met een afstand gelijk aan:
waarbij $v$ de snelheid is van het atoom langs de $X$-as. Terwijl de ruimte tussen de magneten wordt verlaten, blijft het atoom onder een constante hoek bewegen ten opzichte van de $X$-as in een rechte lijn. In formule (7) zijn de grootheden $\frac(\partial B_z)(\partial z)$, $a$, $v\ en\ m$ bekend bij het meten van z, $p_(mz)$ .
Voorbeeld 1
Oefening: In hoeveel componenten zal een bundel atomen zich splitsen als ze zich in de $()^3(D_1)$ toestand bevinden bij het uitvoeren van een experiment vergelijkbaar met het experiment van Stern en Gerlach?
Oplossing:
De term wordt opgesplitst in $N=2J+1$ subniveaus als de Lande-vermenigvuldiger $g\ne 0$ is, waarbij
Om het aantal componenten te vinden waarin een bundel atomen zich zal splitsen, moeten we het totale interne kwantumgetal $(J)$, de multipliciteit $(S)$, het orbitale kwantumgetal bepalen, de Lande-vermenigvuldiger vergelijken met nul en als dat zo is niet nul, bereken vervolgens het aantal subniveaus.
1) Bekijk hiervoor de structuur van een symbolisch record van de toestand van een atoom ($3D_1$). Onze term zal als volgt worden ontcijferd: het symbool $D$ komt overeen met het orbitale kwantumgetal $l=2$, $J=1$, de veelheid $(S)$ is gelijk aan $2S+1=3\to S =1$.
Laten we $g,$ berekenen met formule (1.1):
Het aantal componenten waarin een bundel atomen zich zal splitsen is gelijk aan:
Antwoord:$N=3.$
Voorbeeld 2
Oefening: Waarom werd bij het experiment van Stern en Gerlach om elektronenspin te detecteren gebruik gemaakt van een bundel waterstofatomen die zich in de $1s$-toestand bevonden?
Oplossing:
In de $s-$ toestand is het impulsmoment van het elektron $(L)$ gelijk aan nul, aangezien $l=0$:
Het magnetische moment van een atoom, dat verband houdt met de beweging van een elektron in een baan, is evenredig met het mechanische moment:
\[(\pijl rechts(p))_m=-\frac(q_e)(2m)\pijl rechts(L)(2.2)\]
dus gelijk aan nul. Dit betekent dat het magnetische veld de beweging van waterstofatomen in de grondtoestand niet mag beïnvloeden, dat wil zeggen de deeltjesstroom mag splitsen. Maar bij gebruik van spectrale instrumenten werd aangetoond dat de lijnen van het waterstofspectrum de aanwezigheid van een fijne structuur (doubletten) vertonen, zelfs als er geen magnetisch veld is. Om de aanwezigheid van een fijne structuur te verklaren, werd het idee van het eigen mechanische impulsmoment van het elektron in de ruimte (spin) naar voren gebracht.
Wanneer een stof in een extern veld wordt geplaatst, kan hij op dit veld reageren en zelf een bron van een magnetisch veld worden (magnetiseren). Dergelijke stoffen worden genoemd magneten(vergelijk met het gedrag van diëlektrica in een elektrisch veld). Op basis van hun magnetische eigenschappen worden magneten onderverdeeld in drie hoofdgroepen: diamagnetisch, paramagnetisch en ferromagnetisch.
Verschillende stoffen worden op verschillende manieren gemagnetiseerd. De magnetische eigenschappen van een stof worden bepaald door de magnetische eigenschappen van elektronen en atomen. De meeste stoffen zijn zwak gemagnetiseerd - dit zijn diamagnetische en paramagnetische materialen. Sommige stoffen kunnen onder normale omstandigheden (bij gematigde temperaturen) zeer sterk worden gemagnetiseerd; dit zijn ferromagneten.
Voor veel atomen is het resulterende magnetische moment nul. Stoffen die uit dergelijke atomen bestaan, zijn dat wel diamagese. Deze omvatten bijvoorbeeld stikstof, water, koper, zilver, keukenzout NaCl, siliciumdioxide Si0 2. Stoffen waarin het resulterende magnetische moment van het atoom verschilt van nul, worden geclassificeerd als paramagnetisch Voorbeelden van paramagnetische materialen zijn: zuurstof, aluminium, platina.
Als we het in de toekomst over magnetische eigenschappen hebben, bedoelen we vooral diamagnetische en paramagnetische materialen, en soms zullen we specifiek de eigenschappen van een kleine groep ferromagnetische materialen bespreken.
Laten we eerst eens kijken naar het gedrag van elektronen van een stof in een magnetisch veld. Voor de eenvoud gaan we ervan uit dat een elektron in een atoom met een snelheid rond de kern roteert v langs een baan met straal r. Een dergelijke beweging, die wordt gekenmerkt door een orbitaal impulsmoment, is in wezen een cirkelvormige stroom, die dienovereenkomstig wordt gekenmerkt door een orbitaal magnetisch moment.
volume r bol. Gebaseerd op de periode van revolutie rond de cirkel T= - dat hebben we
een elektron passeert per tijdseenheid een willekeurig punt in zijn baan -
eenmaal. Daarom wordt de cirkelvormige stroom, gelijk aan de lading die per tijdseenheid door een punt gaat, gegeven door de uitdrukking
Respectievelijk, elektron orbitaal magnetisch moment volgens formule (22.3) gelijk is aan
Naast het orbitale impulsmoment heeft het elektron ook zijn eigen impulsmoment, genaamd draaien. Spin wordt beschreven door de wetten van de kwantumfysica en is een integrale eigenschap van het elektron, net als massa en lading (zie het gedeelte over kwantumfysica voor meer details). Het intrinsieke impulsmoment komt overeen met het intrinsieke (spin) magnetische moment van het elektron r sp.
De kernen van atomen hebben ook een magnetisch moment, maar deze momenten zijn duizenden keren kleiner dan de momenten van elektronen, en kunnen meestal worden verwaarloosd. Als resultaat het totale magnetische moment van de magneet R t is gelijk aan de vectorsom van de orbitale en spin-magnetische momenten van de elektronen van de magneet:
Een extern magnetisch veld werkt in op de oriëntatie van deeltjes van een stof met magnetische momenten (en microstromen), waardoor de stof wordt gemagnetiseerd. Het kenmerk van dit proces is magnetisatievector J, gelijk aan de verhouding van het totale magnetische moment van de deeltjes van de magneet tot het volume van de magneet AV:
Magnetisatie wordt gemeten in A/m.
Als een magneet in een extern magnetisch veld B 0 wordt geplaatst, dan is dat het gevolg
magnetisatie zal er een intern veld van microstromen B ontstaan, zodat het resulterende veld gelijk zal zijn
Laten we een magneet beschouwen in de vorm van een cilinder met een basisoppervlak S en hoogte /, geplaatst in een uniform extern magnetisch veld met inductie Op 0. Een dergelijk veld kan bijvoorbeeld met behulp van een solenoïde worden gecreëerd. De oriëntatie van microstromen in het externe veld wordt geordend. In dit geval is het veld van diamagnetische microstromen tegengesteld gericht aan de externe nul, en valt het veld van paramagnetische microstromen samen in de richting van de externe nul.
In elk deel van de cilinder leidt de ordening van microstromen tot het volgende effect (Fig. 23.1). Geordende microstromen in de magneet worden gecompenseerd door naburige microstromen, en niet-gecompenseerde microstromen aan het oppervlak stromen langs het zijoppervlak.
De richting van deze niet-gecompenseerde microstromen is parallel (of antiparallel) aan de stroom die in de solenoïde vloeit, waardoor een externe nul ontstaat. Over het geheel genomen zij Rijst. 23.1 geef de totale interne stroom This oppervlaktestroom creëert een intern veld van microstromen Bv Bovendien kan de relatie tussen stroom en veld worden beschreven met formule (22.21) voor de solenoïde nul:
Hier wordt aangenomen dat de magnetische permeabiliteit gelijk is aan één, aangezien rekening wordt gehouden met de rol van het medium door een oppervlaktestroom te introduceren; De wikkeldichtheid van de magneetwikkelingen komt overeen met één voor de gehele lengte van de magneet /: n = 1 //. In dit geval wordt het magnetische moment van de oppervlaktestroom bepaald door de magnetisatie van de gehele magneet:
Uit de laatste twee formules volgt, rekening houdend met de definitie van magnetisatie (23.4).
of in vectorvorm
Dan hebben we uit formule (23.5).
Ervaring met het bestuderen van de afhankelijkheid van magnetisatie van de externe veldsterkte leert dat het veld meestal als zwak kan worden beschouwd en dat het bij de uitbreiding van de Taylorreeks voldoende is om ons te beperken tot de lineaire term:
waarbij de dimensieloze evenredigheidscoëfficiënt x is magnetische gevoeligheid stoffen. Hiermee rekening houdend hebben we dat gedaan
Door de laatste formule voor magnetische inductie te vergelijken met de bekende formule (22.1), verkrijgen we de relatie tussen magnetische permeabiliteit en magnetische susceptibiliteit:
Merk op dat de waarden van magnetische gevoeligheid voor diamagnetische en paramagnetische materialen klein zijn en gewoonlijk 10 "-10 4 (voor diamagnetische materialen) en 10 -8 - 10 3 (voor paramagnetische materialen) bedragen. Bovendien voor diamagnetische materialen X x > 0 en p > 1.
