Momen từ của một vòng quay. Sự định nghĩa
- Mômen từ - Xem Từ tính. Từ điển bách khoa của Brockhaus và Efron
- mômen từ - MOMENT TỪ TÍNH là đại lượng vectơ đặc trưng của từ trường. tính của vật chất. Ừm. tất cả các hạt cơ bản và hệ thống được hình thành từ chúng (hạt nhân nguyên tử, nguyên tử, phân tử) đều sở hữu. Ừm. nguyên tử, phân tử, v.v. Bách khoa toàn thư hóa học
- MẪU TỪ - Đại lượng chính đặc trưng cho mô men từ. tài sản của hòn đảo. Nguồn từ tính (M. m.), theo kinh điển. lý thuyết el.-magn. hiện tượng, hiện tượng vĩ mô và vi mô(nguyên tử) - điện. dòng chảy. Elem. Nguồn từ tính được coi là một dòng điện đóng. Từ kinh nghiệm và kinh điển. Từ điển bách khoa vật lý
- MÔ-men xoắn từ tính - MÔ-men xoắn từ tính, phép đo cường độ của nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây mang dòng điện. Đó là lực quay cực đại (mômen xoắn) tác dụng lên nam châm, cuộn dây hoặc điện tích trong TRƯỜNG TỪ CHẶNG chia cho cường độ của từ trường. Các hạt tích điện và hạt nhân nguyên tử cũng có mô men từ. Từ điển khoa học kỹ thuật
- MOMENT TỪ TÍNH - MOMENT TỪ TÍNH là một đại lượng vectơ đặc trưng cho một chất là nguồn của từ trường. Mô men từ vĩ mô được tạo ra bởi dòng điện khép kín và mômen từ định hướng có trật tự của các hạt nguyên tử. Từ điển bách khoa lớn
Kikoin A.K. Momen từ của dòng điện // Lượng tử. - 1986. - Số 3. - Trang 22-23.
Theo thỏa thuận đặc biệt với ban biên tập và biên tập viên tạp chí "Kvant"
Từ môn vật lý lớp 9 (“Vật lý 9”, § 88), người ta đã biết rằng một dây dẫn thẳng có chiều dài tôi với hiện tại TÔI, nếu nó được đặt trong một từ trường đều có cảm ứng \(~\vec B\), thì một lực \(~\vec F\) tác dụng có độ lớn bằng nhau
\(~F = BIl \sin \alpha\) ,
Ở đâu α - góc giữa hướng của dòng điện và vectơ cảm ứng từ. Lực này có phương vuông góc với cả từ trường và dòng điện (theo quy tắc bàn tay trái).
Dây dẫn thẳng chỉ là một phần của mạch điện vì dòng điện luôn đóng. Từ trường tác dụng như thế nào lên một dòng điện kín, hay chính xác hơn là trên một mạch kín có dòng điện?
Ví dụ, Hình 1 cho thấy một đường viền có dạng khung hình chữ nhật có các cạnh Một Và b, dòng điện chạy theo hướng được chỉ bởi các mũi tên TÔI.
Khung được đặt trong một từ trường đều có cảm ứng \(~\vec B\) sao cho tại thời điểm ban đầu vectơ \(~\vec B\) nằm trong mặt phẳng của khung và song song với hai cạnh của khung. Xét riêng từng cạnh của khung, ta thấy rằng các cạnh (chiều dài MỘT) các lực tác dụng có độ lớn bằng nhau F = BIA và hướng về các hướng ngược nhau. Các lực không tác dụng lên hai phía còn lại (vì họ phạm tội α = 0). Mỗi lực lượng Fđối với trục đi qua trung điểm của cạnh trên và cạnh dưới của khung, tạo ra một mô men lực (mô-men xoắn) bằng \(~\frac(BIab)(2)\) (\(~\frac(b) (2)\) - sức mạnh của vai). Dấu của các mômen là như nhau (cả hai lực đều làm khung quay cùng chiều), do đó mô men xoắn tổng cộng M bằng BIab, hoặc, vì sản phẩm bụng bằng diện tích S khuôn khổ,
\(~M = BIab = BIS\) .
Dưới tác động của thời điểm này, khung sẽ bắt đầu quay (nếu nhìn từ trên xuống thì theo chiều kim đồng hồ) và sẽ quay cho đến khi mặt phẳng của nó vuông góc với vectơ cảm ứng \(~\vec B\) (Hình 2).
Ở vị trí này, tổng lực và tổng mômen của các lực bằng 0 và hệ quy chiếu ở trạng thái cân bằng ổn định. (Trên thực tế, hệ quy chiếu sẽ không dừng lại ngay lập tức - trong một thời gian nào đó, hệ quy chiếu sẽ dao động quanh vị trí cân bằng của nó.)
Thật dễ dàng để chỉ ra (tự làm) rằng ở bất kỳ vị trí trung gian nào, khi pháp tuyến của mặt phẳng đường đồng mức tạo thành một góc tùy ý β với cảm ứng từ trường, mô-men xoắn bằng
\(~M = BIS \sin \beta\) .
Từ biểu thức này, rõ ràng rằng đối với một giá trị cảm ứng trường nhất định và đối với một vị trí nhất định của mạch có dòng điện, mô men xoắn chỉ phụ thuộc vào tích của diện tích mạch S về sức mạnh hiện tại TÔI trong anh ấy. Kích cỡ LÀ và được gọi là mô men từ của mạch mang dòng điện. Chính xác hơn, LÀ là độ lớn của vectơ mô men từ. Và vectơ này được định hướng vuông góc với mặt phẳng của mạch và theo cách mà nếu bạn xoay miếng gimlet theo hướng của dòng điện trong mạch, thì hướng chuyển động tịnh tiến của miếng gimlet sẽ chỉ ra hướng của khoảnh khắc từ tính. Ví dụ, mô men từ của mạch điện trong Hình 1 và 2 hướng ra xa chúng ta bên ngoài mặt phẳng của trang giấy. Momen từ được đo bằng Am2.
Bây giờ chúng ta có thể nói rằng một mạch điện có dòng điện đặt trong từ trường đều được lắp đặt sao cho mômen từ của nó “nhìn” theo hướng của từ trường gây ra chuyển động quay của nó.
Được biết, không chỉ các mạch mang dòng điện mới có đặc tính tạo ra từ trường riêng và quay trong từ trường bên ngoài. Các tính chất tương tự cũng được quan sát thấy ở một thanh từ hóa, chẳng hạn như ở kim la bàn.
Trở lại năm 1820, nhà vật lý nổi tiếng người Pháp Ampere đã bày tỏ ý tưởng rằng sự giống nhau về hành vi của nam châm và mạch điện với dòng điện được giải thích là do dòng điện đóng tồn tại trong các hạt nam châm. Ngày nay người ta biết rằng các nguyên tử và phân tử thực sự chứa những dòng điện cực nhỏ liên quan đến chuyển động của các electron trong quỹ đạo của chúng xung quanh hạt nhân. Bởi vì điều này, các nguyên tử và phân tử của nhiều chất, chẳng hạn như các chất thuận từ, có mô men từ. Sự quay của những khoảnh khắc này trong từ trường bên ngoài dẫn đến sự từ hóa của các chất thuận từ.
Hóa ra là một cái gì đó khác. Tất cả các hạt tạo nên nguyên tử cũng có mômen từ hoàn toàn không liên quan đến bất kỳ chuyển động nào của điện tích, tức là với dòng điện. Đối với họ, mômen từ có tính chất “bẩm sinh” giống như điện tích, khối lượng, v.v. Ngay cả một hạt không mang điện tích - neutron, một phần không thể thiếu của hạt nhân nguyên tử - cũng có mômen từ. Vì vậy hạt nhân nguyên tử cũng có mô men từ.
Như vậy, mô men từ là một trong những khái niệm quan trọng nhất trong vật lý.
Kinh nghiệm cho thấy mọi chất đều có từ tính, tức là có khả năng, dưới tác động của từ trường bên ngoài, tạo ra từ trường bên trong của chính chúng (thu được mômen từ của chính chúng, trở nên bị từ hóa).
Để giải thích hiện tượng từ hóa của các vật thể, Ampere cho rằng các dòng phân tử tròn tuần hoàn trong phân tử các chất. Mỗi dòng điện vi mô I i như vậy có mômen từ riêng và tạo ra một từ trường trong không gian xung quanh (Hình 1). Khi không có trường bên ngoài, các dòng điện phân tử và những dòng điện liên quan đến chúng được định hướng ngẫu nhiên, do đó trường tạo ra bên trong chất và tổng mô men của toàn bộ chất bằng không. Khi một chất được đặt trong từ trường bên ngoài, mômen từ của các phân tử chủ yếu định hướng theo một hướng, tổng mô men từ trở nên khác 0 và nam châm bị từ hóa. Từ trường của từng dòng điện phân tử không còn bù trừ cho nhau nữa và từ trường riêng của nó xuất hiện bên trong nam châm.
Chúng ta hãy xem xét nguyên nhân của hiện tượng này từ quan điểm cấu trúc của các nguyên tử dựa trên mô hình hành tinh của nguyên tử. Theo Rutherford, ở trung tâm nguyên tử có một hạt nhân tích điện dương, xung quanh đó các electron mang điện tích âm quay theo quỹ đạo đứng yên. Một electron chuyển động theo quỹ đạo tròn xung quanh hạt nhân có thể được coi là dòng điện tròn (dòng điện vi mô). Vì hướng của dòng điện thường được coi là hướng chuyển động của điện tích dương và điện tích của electron là âm nên hướng của dòng điện vi mô ngược với hướng chuyển động của electron (Hình 2).
Độ lớn của dòng điện vi mô I e có thể được xác định như sau. Nếu trong thời gian t, electron thực hiện N vòng quay xung quanh hạt nhân, thì một điện tích sẽ được truyền qua một bệ nằm ở bất kỳ vị trí nào dọc theo đường đi của electron - điện tích của electron).
Theo định nghĩa cường độ dòng điện
tần số quay của electron ở đâu.
Nếu dòng điện I chạy trong một mạch kín thì mạch điện đó có mômen từ có mô đun bằng
Ở đâu S- diện tích được giới hạn bởi đường viền.
Đối với dòng điện vi mô, diện tích này là diện tích quỹ đạo S = p r 2
(r là bán kính quỹ đạo) và mô men từ của nó bằng
trong đó w = 2pn là tần số tuần hoàn, là tốc độ tuyến tính của electron.
Mômen này được gây ra bởi chuyển động của electron trên quỹ đạo của nó và do đó được gọi là mô men từ quỹ đạo của electron.
Mô men từ p m mà một electron có được do chuyển động quỹ đạo của nó được gọi là mômen từ quỹ đạo của electron.
Hướng của vectơ tạo thành một hệ thống thuận tay phải với hướng của dòng điện vi mô.
Giống như mọi chất điểm chuyển động tròn, electron có động lượng góc:
Động lượng góc L mà electron có được do chuyển động quỹ đạo của nó được gọi là động lượng góc cơ học quỹ đạo. Nó tạo thành một hệ thống thuận tay phải với hướng chuyển động của electron. Như có thể thấy trong Hình 2, hướng của các vectơ và ngược nhau.
Hóa ra, ngoài các mômen quỹ đạo (tức là do chuyển động dọc theo quỹ đạo gây ra), electron còn có mômen cơ và mômen từ riêng.
Ban đầu, họ cố gắng giải thích sự tồn tại bằng cách coi electron như một quả bóng quay quanh trục của chính nó, do đó xung lượng góc cơ học của chính electron được gọi là spin (từ tiếng Anh spin - nghĩa là quay). Sau đó người ta phát hiện ra rằng khái niệm như vậy dẫn đến một số mâu thuẫn và giả thuyết về một electron “quay” đã bị bác bỏ.
Ngày nay người ta đã chứng minh rằng spin của electron và mô men từ nội tại (spin) liên quan là một tính chất không thể thiếu của electron, giống như điện tích và khối lượng của nó.
Mômen từ của electron trong nguyên tử bao gồm mômen quỹ đạo và mômen quay:
Mômen từ của nguyên tử bao gồm các mômen từ của các electron có trong thành phần của nó (mômen từ của hạt nhân bị bỏ qua do nó nhỏ):
.
Từ hóa của vật chất.
Nguyên tử trong từ trường. Hiệu ứng dia và thuận từ.
Chúng ta hãy xem xét cơ chế tác dụng của từ trường ngoài lên các electron chuyển động trong nguyên tử, tức là đến dòng điện siêu nhỏ.
Như đã biết, khi đặt đoạn mạch mang dòng điện trong từ trường có cảm ứng thì xuất hiện một mô men quay
dưới tác dụng của nó, mạch được định hướng sao cho mặt phẳng của mạch vuông góc và mô men từ dọc theo hướng của vectơ (Hình 3).
Dòng điện tử vi mô hoạt động tương tự. Tuy nhiên, sự định hướng của dòng điện vi mô quỹ đạo trong từ trường không xảy ra theo cách giống hệt như một mạch điện có dòng điện. Thực tế là một electron chuyển động xung quanh hạt nhân và có mômen động lượng tương tự như một đỉnh, do đó, nó có đầy đủ đặc điểm hoạt động của con quay hồi chuyển dưới tác dụng của ngoại lực, đặc biệt là hiệu ứng con quay hồi chuyển. Do đó, khi một nguyên tử được đặt trong từ trường, một mô-men xoắn bắt đầu tác dụng lên dòng điện vi mô quỹ đạo, có xu hướng thiết lập mômen từ quỹ đạo của electron dọc theo hướng của từ trường, thì tuế sai của vectơ xảy ra xung quanh hướng của từ trường. vectơ (do hiệu ứng hồi chuyển). Tần số của tuế sai này
gọi điện Larmorova tần số và bằng nhau đối với mọi electron của nguyên tử.
Do đó, khi bất kỳ chất nào được đặt trong từ trường, mỗi electron của nguyên tử, do sự tiến động của quỹ đạo của nó xung quanh hướng của từ trường bên ngoài, sẽ tạo ra một từ trường cảm ứng bổ sung, hướng vào từ trường bên ngoài và làm nó yếu đi. Vì mô men từ cảm ứng của tất cả các electron có hướng bằng nhau (ngược với vectơ), nên tổng mô men cảm ứng của nguyên tử cũng hướng vào từ trường ngoài.
Hiện tượng xuất hiện trong nam châm một từ trường cảm ứng (gây ra bởi sự tiến động của quỹ đạo electron trong từ trường bên ngoài), hướng ngược lại với từ trường bên ngoài và làm nó yếu đi, được gọi là hiệu ứng nghịch từ. Tính nghịch từ vốn có trong tất cả các chất tự nhiên.
Hiệu ứng nghịch từ dẫn đến sự suy yếu của từ trường bên ngoài trong vật liệu từ tính.
Tuy nhiên, một hiệu ứng khác gọi là thuận từ cũng có thể xảy ra. Trong trường hợp không có từ trường, mô men từ của các nguyên tử do chuyển động nhiệt được định hướng ngẫu nhiên và mômen từ thu được của chất bằng 0 (Hình 4a).
Khi một chất như vậy được đưa vào một từ trường đều có cảm ứng, trường đó có xu hướng hình thành mômen từ của các nguyên tử dọc theo, do đó vectơ mômen từ của nguyên tử (phân tử) tiến động xung quanh hướng của vectơ. Chuyển động nhiệt và sự va chạm lẫn nhau của các nguyên tử dẫn đến sự suy giảm dần dần của tiến động và giảm góc giữa hướng của vectơ mô men từ và vectơ. Tác dụng kết hợp của từ trường và chuyển động nhiệt dẫn đến sự định hướng ưu tiên của vectơ. momen từ của các nguyên tử dọc theo từ trường
(Hình 4, b), càng lớn thì nhiệt độ càng cao và càng nhỏ thì nhiệt độ càng cao. Kết quả là tổng mô men từ của tất cả các nguyên tử của chất đó sẽ khác 0, chất đó sẽ bị từ hóa và từ trường bên trong của chính nó sẽ xuất hiện trong nó, cùng hướng với từ trường bên ngoài và tăng cường nó.
Hiện tượng xuất hiện trong nam châm từ trường của chính chúng, gây ra bởi sự định hướng của các mô men từ của các nguyên tử dọc theo hướng của từ trường bên ngoài và tăng cường nó, được gọi là hiệu ứng thuận từ.
Hiệu ứng thuận từ dẫn đến sự gia tăng từ trường bên ngoài trong nam châm.
Khi bất kỳ chất nào được đặt trong từ trường bên ngoài, nó sẽ bị từ hóa, tức là thu được một mô men từ do hiệu ứng dia hoặc thuận từ, từ trường bên trong của chính nó (trường của dòng điện vi mô) với cảm ứng phát sinh trong chính chất đó.
Để mô tả một cách định lượng độ từ hóa của một chất, khái niệm từ hóa được đưa ra.
Từ hóa của nam châm là một đại lượng vật lý vectơ bằng tổng mô men từ của một đơn vị thể tích của nam châm:
Trong SI, độ từ hóa được đo bằng A/m.
Từ hóa phụ thuộc vào tính chất từ của chất, độ lớn của từ trường bên ngoài và nhiệt độ. Rõ ràng, độ từ hóa của nam châm có liên quan đến hiện tượng cảm ứng.
Kinh nghiệm cho thấy, đối với hầu hết các chất và không ở trong trường quá mạnh, độ từ hóa tỷ lệ thuận với cường độ của trường bên ngoài gây ra từ trường:
trong đó c là độ nhạy từ của chất đó, một đại lượng không thứ nguyên.
Giá trị của c càng lớn thì chất đó càng có từ tính cao hơn đối với một trường bên ngoài nhất định.
Có thể chứng minh rằng
Từ trường trong một chất là tổng vectơ của hai trường: từ trường bên ngoài và từ trường bên trong hoặc từ trường bên trong được tạo ra bởi dòng điện vi mô. Vectơ cảm ứng từ của từ trường trong một chất đặc trưng cho từ trường tạo thành và bằng tổng hình học của cảm ứng từ của từ trường bên ngoài và bên trong:
Độ thấm từ tương đối của một chất cho biết cảm ứng từ trường thay đổi bao nhiêu lần trong một chất nhất định.
Chính xác thì điều gì xảy ra với từ trường trong chất cụ thể này - dù nó mạnh hơn hay yếu đi - phụ thuộc vào độ lớn mô men từ của nguyên tử (hoặc phân tử) của chất này.
Dia- và paramagnets. Sắt từ.
Nam châm là những chất có khả năng thu được đặc tính từ trong từ trường bên ngoài - từ hóa, tức là tạo ra từ trường bên trong của riêng bạn.
Như đã đề cập, tất cả các chất đều có từ tính, vì từ trường bên trong của chúng được xác định bằng tổng vectơ của các vi trường được tạo ra bởi mỗi electron của mỗi nguyên tử:
Tính chất từ của một chất được xác định bởi tính chất từ của các electron và nguyên tử của chất đó. Dựa trên tính chất từ của chúng, nam châm được chia thành nghịch từ, thuận từ, sắt từ, phản sắt từ và ferrite. Chúng ta hãy xem xét các loại chất này một cách tuần tự.
Chúng tôi thấy rằng khi một chất được đặt trong từ trường, hai hiệu ứng có thể xảy ra:
1. Thuận từ, dẫn đến sự tăng từ trường trong nam châm do sự định hướng của mômen từ của các nguyên tử dọc theo hướng của từ trường ngoài.
2. Nghịch từ, dẫn đến trường suy yếu do sự tiến động của quỹ đạo electron trong từ trường bên ngoài.
Làm thế nào để xác định những tác động nào trong số này sẽ xảy ra (hoặc cả hai cùng một lúc), tác động nào trong số chúng trở nên mạnh hơn, điều gì cuối cùng xảy ra với từ trường trong một chất nhất định - nó mạnh lên hay yếu đi?
Như chúng ta đã biết, tính chất từ của một chất được xác định bởi mô men từ của các nguyên tử của nó và mô men từ của nguyên tử bao gồm các mô men từ quỹ đạo và nội tại của các electron có trong thành phần của nó:
.
Đối với các nguyên tử của một số chất, tổng vectơ của mô men từ quỹ đạo và spin của electron bằng 0, tức là mômen từ của toàn bộ nguyên tử bằng 0. Khi các chất đó được đặt trong từ trường, hiệu ứng thuận từ tất nhiên không thể phát sinh vì nó chỉ phát sinh do sự định hướng của mô men từ của các nguyên tử trong từ trường, nhưng ở đây chúng không tồn tại.
Nhưng sự tiến động của quỹ đạo electron trong từ trường ngoài luôn xảy ra gây ra hiệu ứng nghịch từ, do đó hiệu ứng nghịch từ xảy ra ở mọi chất khi chúng được đặt trong từ trường.
Do đó, nếu mô men từ của nguyên tử (phân tử) của một chất bằng 0 (do sự bù trừ lẫn nhau của mô men từ của các electron), thì khi một chất đó được đặt trong từ trường, sẽ chỉ xảy ra hiệu ứng nghịch từ trong đó. . Trong trường hợp này, từ trường của chính nam châm hướng ngược lại với từ trường bên ngoài và làm nó yếu đi. Những chất như vậy được gọi là nghịch từ.
Diamagnets là những chất mà khi không có từ trường bên ngoài thì mô men từ của nguyên tử của chúng bằng 0.
Diamagnets trong từ trường bên ngoài bị từ hóa ngược với hướng của từ trường bên ngoài và làm nó yếu đi, do đó
B = B 0 - B¢, m< 1.
Trường suy yếu trong vật liệu nghịch từ là rất nhỏ. Ví dụ, đối với một trong những vật liệu nghịch từ mạnh nhất, bismuth, m »0,99998.
Nhiều kim loại (bạc, vàng, đồng), hầu hết các hợp chất hữu cơ, nhựa, cacbon, v.v. đều có tính nghịch từ.
Nếu trong trường hợp không có từ trường bên ngoài, mômen từ của các nguyên tử của một chất khác 0 thì khi chất đó được đặt trong từ trường thì cả tác dụng nghịch từ và thuận từ sẽ xuất hiện trong đó, tuy nhiên, nghịch từ sẽ xuất hiện. Hiệu ứng luôn yếu hơn nhiều so với hiệu ứng thuận từ và thực tế là vô hình so với nền của nó. Từ trường riêng của nam châm sẽ cùng hướng với từ trường bên ngoài và tăng cường sức mạnh cho nó. Những chất như vậy được gọi là thuận từ. Paramagnets là những chất mà khi không có từ trường bên ngoài thì mô men từ của các nguyên tử của chúng khác không.
Các thuận từ trong từ trường bên ngoài bị từ hóa theo hướng của từ trường bên ngoài và tăng cường nó. Cho họ
B = B 0 +B¢, m > 1.
Độ thấm từ của hầu hết các vật liệu thuận từ lớn hơn đơn vị một chút.
Vật liệu thuận từ bao gồm các nguyên tố đất hiếm, bạch kim, nhôm, v.v..
Nếu có tác dụng nghịch từ, B = B 0 -B¢, m< 1.
Nếu có hiệu ứng đường kính và thuận từ, B = B 0 +B¢, m > 1.
Sắt từ.
Tất cả các chất từ trường và chất thuận từ đều là những chất có từ hóa rất yếu, độ thấm từ của chúng gần bằng 1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường H. Cùng với chất từ hóa và chất thuận từ, còn có những chất có khả năng bị từ hóa mạnh. Chúng được gọi là sắt từ.
Sắt từ hoặc vật liệu sắt từ lấy tên từ tên Latin của đại diện chính của các chất này - sắt (ferrum). Sắt từ, ngoài sắt, còn có coban, niken gadolinium, nhiều hợp kim và hợp chất hóa học. Nam châm sắt là những chất có khả năng từ hóa rất mạnh, trong đó từ trường (nội tại) bên trong có thể cao gấp hàng trăm, hàng nghìn lần so với từ trường bên ngoài gây ra nó.
Tính chất của sắt từ
1. Khả năng từ hóa mạnh.
Giá trị độ thấm từ tương đối m ở một số chất sắt từ đạt giá trị 106.
2. Độ bão hòa từ tính.
Trong bộ lễ phục. Hình 5 cho thấy sự phụ thuộc thực nghiệm của từ hóa vào cường độ của từ trường bên ngoài. Như có thể thấy trên hình, từ một giá trị H nhất định, giá trị số của độ từ hóa của sắt từ thực tế không đổi và bằng J us. Hiện tượng này được phát hiện bởi nhà khoa học người Nga A.G. Stoletov và gọi là bão hòa từ tính.
 |
3. Sự phụ thuộc phi tuyến của B(H) và m(H).
Khi điện áp tăng, cảm ứng ban đầu tăng, nhưng khi nam châm bị từ hóa, tốc độ tăng của nó chậm lại và trong trường mạnh, nó tăng theo quy luật tuyến tính (Hình 6).
Do sự phụ thuộc phi tuyến B(H),
những thứ kia. độ thấm từ m phụ thuộc một cách phức tạp vào cường độ từ trường (Hình 7). Ban đầu, khi cường độ trường tăng dần, m tăng từ giá trị ban đầu đến một giá trị cực đại nhất định, sau đó giảm dần và có xu hướng tiệm cận về đơn vị.
4. Độ trễ từ tính.
Một tính năng đặc biệt khác của sắt từ là chúng
khả năng duy trì từ hóa sau khi loại bỏ trường từ hóa. Khi cường độ từ trường bên ngoài thay đổi từ 0 sang giá trị dương thì cảm ứng tăng (Hình 8, phần
Khi giảm về 0, cảm ứng từ chậm lại trong quá trình giảm và khi giá trị bằng 0 thì nó bằng (cảm ứng dư), tức là. Khi loại bỏ từ trường bên ngoài, nam châm sắt vẫn bị nhiễm từ và là nam châm vĩnh cửu. Để khử từ hoàn toàn mẫu, cần đặt một từ trường theo hướng ngược lại - . Độ lớn của cường độ từ trường, 
phải được áp dụng cho một chất sắt từ để khử từ hoàn toàn nó được gọi là lực lượng cưỡng chế.
Hiện tượng trễ giữa những thay đổi về cảm ứng từ trong nam châm sắt và những thay đổi về cường độ của từ trường bên ngoài có độ lớn và hướng thay đổi được gọi là hiện tượng trễ từ.
Trong trường hợp này, sự phụ thuộc vào sẽ được mô tả bằng một đường cong hình vòng gọi là vòng trễ, thể hiện trong hình 8.
Tùy thuộc vào hình dạng của vòng trễ, người ta phân biệt nam châm sắt từ cứng và nam châm từ mềm. Sắt từ cứng là những chất có độ từ dư cao và lực cưỡng bức cao, tức là với một vòng trễ rộng. Chúng được sử dụng để sản xuất nam châm vĩnh cửu (cacbon, vonfram, crom, nhôm-niken và các loại thép khác).
Sắt từ mềm là những chất có lực cưỡng bức thấp, rất dễ bị từ hóa lại, có vòng trễ hẹp. (Để có được những đặc tính này, người ta đã đặc biệt tạo ra cái gọi là sắt biến áp, một hợp kim của sắt với một lượng nhỏ silicon). Lĩnh vực ứng dụng của họ là sản xuất lõi máy biến áp; Chúng bao gồm sắt mềm, hợp kim của sắt và niken (permalloy, supermalloy).
5. Sự hiện diện của nhiệt độ Curie (điểm).
điểm Curie- đây là đặc tính nhiệt độ của một chất sắt từ nhất định mà tại đó đặc tính sắt từ biến mất hoàn toàn.
Khi một mẫu được nung nóng trên điểm Curie, chất sắt từ sẽ biến thành một chất thuận từ thông thường. Khi được làm lạnh dưới điểm Curie, nó lấy lại được đặc tính sắt từ. Nhiệt độ này khác nhau đối với các chất khác nhau (đối với Fe - 770 0 C, đối với Ni - 260 0 C).
6. Từ giảo- hiện tượng biến dạng của sắt từ trong quá trình từ hóa. Độ lớn và dấu của từ giảo phụ thuộc vào cường độ của từ trường và bản chất của chất sắt từ. Hiện tượng này được sử dụng rộng rãi để thiết kế các máy phát siêu âm mạnh dùng trong sonar, thông tin liên lạc dưới nước, dẫn đường, v.v.
Trong sắt từ, hiện tượng ngược lại cũng được quan sát thấy - sự thay đổi từ hóa trong quá trình biến dạng. Hợp kim có độ từ giảo đáng kể được sử dụng trong các dụng cụ dùng để đo áp suất và biến dạng.
Bản chất của sắt từ
Một lý thuyết mô tả về sắt từ được đề xuất bởi nhà vật lý người Pháp P. Weiss vào năm 1907, và một lý thuyết định lượng nhất quán dựa trên cơ học lượng tử được phát triển bởi nhà vật lý Liên Xô J. Frenkel và nhà vật lý người Đức W. Heisenberg (1928).
Theo các khái niệm hiện đại, tính chất từ của sắt từ được xác định bởi mômen từ spin (spin) của electron; Chỉ những chất kết tinh có nguyên tử có lớp vỏ electron bên trong chưa hoàn chỉnh với spin không bù mới có thể là chất sắt từ. Trong trường hợp này, xuất hiện các lực buộc các mô men từ quay của các electron định hướng song song với nhau. Các lực này được gọi là lực tương tác trao đổi; chúng có bản chất lượng tử và được gây ra bởi tính chất sóng của electron.
Dưới tác dụng của các lực này khi không có từ trường bên ngoài, sắt từ được chia thành một số lượng lớn các vùng - miền cực nhỏ, có kích thước trong khoảng 10 -2 - 10 -4 cm. Trong mỗi miền, các spin của electron được định hướng song song với nhau, do đó toàn bộ miền bị từ hóa đến bão hòa, nhưng hướng từ hóa trong các miền riêng lẻ là khác nhau, do đó tổng mô men từ của toàn bộ miền sắt từ bằng không . Như đã biết, bất kỳ hệ thống nào cũng có xu hướng ở trạng thái trong đó năng lượng của nó là tối thiểu. Sự phân chia sắt từ thành các miền xảy ra do khi cấu trúc miền được hình thành, năng lượng của sắt từ giảm. Điểm Curie hóa ra là nhiệt độ tại đó sự phá hủy miền xảy ra và chất sắt từ mất đi tính chất sắt từ.
Sự tồn tại của cấu trúc miền sắt từ đã được chứng minh bằng thực nghiệm. Một phương pháp thí nghiệm trực tiếp để quan sát chúng là phương pháp dùng bột. Nếu huyền phù nước của bột sắt từ mịn (ví dụ, nam châm) được áp dụng cho bề mặt được đánh bóng cẩn thận của vật liệu sắt từ, thì các hạt chủ yếu lắng đọng ở những nơi có độ không đồng nhất tối đa của từ trường, tức là. tại ranh giới giữa các miền. Do đó, bột lắng đọng phác thảo ranh giới của các miền và có thể chụp được một bức ảnh tương tự dưới kính hiển vi.
| |
| |
|
 |
- Từ hóa toàn bộ nam châm ở trạng thái bão hòa
|
Vì như đã biết, mọi hệ thống đều cố gắng đạt được mức năng lượng tối thiểu, nên một quá trình dịch chuyển ranh giới miền xảy ra, trong đó thể tích của các miền có năng lượng thấp hơn sẽ tăng lên và với năng lượng cao hơn sẽ giảm (Hình 9, b). Trong trường hợp trường rất yếu, các chuyển vị biên này có thể đảo ngược và tuân theo chính xác những thay đổi trong trường (nếu tắt trường, độ từ hóa sẽ lại bằng 0). Quá trình này tương ứng với phần của đường cong B(H) (Hình 10). Khi trường tăng lên, sự dịch chuyển của ranh giới miền trở nên không thể đảo ngược.
Khi trường từ hóa đủ mạnh, các miền không thuận lợi về mặt năng lượng sẽ biến mất (Hình 9, c, phần của Hình 7). Nếu trường tăng hơn nữa, mômen từ của các miền sẽ quay dọc theo trường, sao cho toàn bộ mẫu biến thành một miền lớn (Hình 9, d, phần của Hình 10).
Vô số đặc tính thú vị và có giá trị của sắt từ cho phép chúng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau: để sản xuất lõi biến áp và bộ phát siêu âm cơ điện, làm nam châm vĩnh cửu, v.v. Vật liệu sắt từ được sử dụng trong quân sự: trong các thiết bị điện và vô tuyến khác nhau; làm nguồn siêu âm - trong sonar, điều hướng, liên lạc dưới nước; như nam châm vĩnh cửu - khi tạo ra các mỏ từ tính và để trinh sát từ trường. Trinh sát từ trường cho phép bạn phát hiện và xác định các vật thể có chứa vật liệu sắt từ; được sử dụng trong hệ thống chống tàu ngầm và chống mìn.
Thí nghiệm của Stern và Gerlach
Vào năm 1921, O. Stern đưa ra ý tưởng thử nghiệm đo mômen từ của một nguyên tử. Ông đã thực hiện thí nghiệm này với sự cộng tác của W. Gerlach vào năm 1922. Phương pháp Stern và Gerlach sử dụng thực tế là một chùm nguyên tử (phân tử) có khả năng bị lệch trong một từ trường không đồng nhất. Một nguyên tử có mô men từ có thể được biểu diễn dưới dạng nam châm cơ bản, có kích thước nhỏ nhưng hữu hạn. Nếu một nam châm như vậy được đặt trong một từ trường đều thì nó không chịu tác dụng của lực. Từ trường sẽ tác dụng lên cực bắc và cực nam của một nam châm như vậy với các lực có độ lớn bằng nhau và ngược chiều. Kết quả là tâm quán tính của nguyên tử sẽ đứng yên hoặc chuyển động thẳng. (Trong trường hợp này, trục của nam châm có thể dao động hoặc tiến động.) Nghĩa là, trong từ trường đều không có lực nào tác dụng lên nguyên tử và truyền gia tốc cho nó. Từ trường đều không làm thay đổi góc giữa hướng cảm ứng từ trường và mô men từ của nguyên tử.
Tình hình sẽ khác nếu trường bên ngoài không đồng nhất. Trong trường hợp này, lực tác dụng lên cực bắc và cực nam của nam châm không bằng nhau. Lực sinh ra tác dụng lên nam châm khác 0 và nó truyền gia tốc cho nguyên tử, cùng chiều hoặc ngược chiều với từ trường. Kết quả là khi chuyển động trong một từ trường không đều thì nam châm mà chúng ta đang xét sẽ lệch khỏi hướng chuyển động ban đầu. Trong trường hợp này, độ lớn của độ lệch phụ thuộc vào mức độ không đồng nhất của trường. Để thu được độ lệch đáng kể, trường phải thay đổi mạnh trong chiều dài của nam châm (kích thước tuyến tính của nguyên tử là $\khoảng (10)^(-8)cm$). Các nhà thí nghiệm đã đạt được sự không đồng nhất như vậy bằng cách sử dụng thiết kế nam châm tạo ra từ trường. Một nam châm trong thí nghiệm có hình lưỡi dao, nam châm kia phẳng hoặc có khía. Các đường sức từ ngưng tụ gần “lưỡi dao”, do đó lực căng ở vùng này lớn hơn đáng kể so với lực căng ở cực phẳng. Một chùm nguyên tử mỏng bay giữa những nam châm này. Các nguyên tử riêng lẻ bị lệch trong trường được tạo ra. Dấu vết của các hạt riêng lẻ được quan sát trên màn hình.
Theo các khái niệm của vật lý cổ điển, mômen từ trong chùm nguyên tử có các hướng khác nhau đối với một trục $Z$ nhất định. Điều đó có nghĩa là gì: hình chiếu của mô men từ ($p_(mz)$) lên một trục nhất định lấy tất cả các giá trị của khoảng từ $\left|p_m\right|$ đến -$\left|p_m\right |$ (trong đó $\left|p_( mz)\right|-$ mô-đun mô men từ). Trên màn hình, chùm tia sẽ được mở rộng. Tuy nhiên, trong vật lý lượng tử, nếu chúng ta tính đến lượng tử hóa, thì không phải tất cả các hướng của mômen từ đều có thể xảy ra mà chỉ có một số lượng hữu hạn trong số đó. Như vậy, trên màn hình vết của một chùm nguyên tử bị tách thành nhiều vết riêng biệt.
Các thí nghiệm được thực hiện cho thấy, ví dụ, một chùm nguyên tử lithium tách thành chùm $24$. Điều này là hợp lý, vì số hạng chính $Li - 2S$ là số hạng (một electron hóa trị có spin $\frac(1)(2)\ $ trong quỹ đạo s, $l=0).$ Bằng cách chia nhỏ kích thước, chúng ta có thể rút ra kết luận về độ lớn của mô men từ. Do đó Gerlach đã thu được bằng chứng cho thấy mômen từ spin bằng với magneton Bohr. Các nghiên cứu về các yếu tố khác nhau đã cho thấy sự đồng ý hoàn toàn với lý thuyết.
Stern và Rabi đã đo mô men từ của hạt nhân bằng phương pháp này.
Vì vậy, nếu phép chiếu $p_(mz)$ bị lượng tử hóa, thì lực trung bình tác dụng lên nguyên tử từ từ trường cũng bị lượng tử hóa cùng với nó. Các thí nghiệm của Stern và Gerlach đã chứng minh lượng tử hóa phép chiếu của số lượng tử từ lên trục $Z$. Hóa ra mô men từ của các nguyên tử hướng song song với trục $Z$; chúng không thể hướng một góc với trục này, vì vậy chúng ta phải chấp nhận rằng hướng của mô men từ so với từ trường thay đổi một cách rời rạc. . Hiện tượng này được gọi là lượng tử hóa không gian. Sự rời rạc không chỉ về trạng thái của các nguyên tử mà còn cả sự định hướng của các mô men từ của nguyên tử trong từ trường bên ngoài là một tính chất mới về cơ bản của chuyển động của các nguyên tử.
Các thí nghiệm đã được giải thích đầy đủ sau khi phát hiện ra spin của electron, khi người ta phát hiện ra rằng mô men từ của nguyên tử không phải do mômen quỹ đạo của electron gây ra mà do mô men từ bên trong của hạt, có liên quan đến nội lực của nó. mômen cơ học (spin).
Tính toán chuyển động của mômen từ trong từ trường không đều
Cho một nguyên tử chuyển động trong một từ trường không đều; mô men từ của nó bằng $(\overrightarrow(p))_m$. Lực tác dụng lên nó là:
Nói chung, nguyên tử là một hạt trung hòa về điện nên các lực khác không tác dụng lên nó trong từ trường. Bằng cách nghiên cứu chuyển động của một nguyên tử trong một trường không đồng nhất, người ta có thể đo được mô men từ của nó. Giả sử rằng nguyên tử di chuyển dọc theo trục $X$, tính không đồng nhất của trường được tạo theo hướng của trục $Z$ (Hình 1):
Bức tranh 1.
\frac()()\frac()()
Sử dụng điều kiện (2), chúng ta biến đổi biểu thức (1) thành dạng:
Từ trường đối xứng với mặt phẳng y=0. Chúng ta có thể giả sử rằng nguyên tử chuyển động trong một mặt phẳng nhất định, có nghĩa là $B_x=0.$ Đẳng thức $B_y=0$ chỉ bị vi phạm trong những vùng nhỏ gần các cạnh của nam châm (chúng ta bỏ qua vi phạm này). Từ điều trên suy ra rằng:
Trong trường hợp này, biểu thức (3) trông như sau:
Sự tiến động của các nguyên tử trong từ trường không ảnh hưởng đến $p_(mz)$. Ta viết phương trình chuyển động của một nguyên tử trong không gian giữa các nam châm dưới dạng:
trong đó $m$ là khối lượng của nguyên tử. Nếu một nguyên tử đi qua một đường $a$ giữa các nam châm thì nó sẽ lệch khỏi trục X một khoảng bằng:
trong đó $v$ là vận tốc của nguyên tử dọc theo trục $X$. Để lại khoảng trống giữa các nam châm, nguyên tử tiếp tục chuyển động một góc không đổi so với trục $X$ theo một đường thẳng. Trong công thức (7), các đại lượng $\frac(\partial B_z)(\partial z)$, $a$, $v\ và\ m$ đã biết; bằng cách đo z, $p_(mz)$ có thể được tính toán; .
ví dụ 1
Bài tập: Một chùm nguyên tử sẽ phân chia thành bao nhiêu thành phần nếu chúng ở trạng thái $()^3(D_1)$ khi tiến hành một thí nghiệm tương tự như thí nghiệm của Stern và Gerlach?
Giải pháp:
Số hạng này được chia thành các cấp con $N=2J+1$ nếu hệ số nhân Lande $g\ne 0$, trong đó
Để tìm số thành phần mà chùm nguyên tử sẽ phân chia, chúng ta cần xác định tổng số lượng tử bên trong $(J)$, bội số $(S)$, số lượng tử quỹ đạo, so sánh hệ số nhân Lande với 0 và nếu nó đúng khác 0 thì tính số cấp con.
1) Để làm điều này, hãy xem xét cấu trúc của một bản ghi ký hiệu về trạng thái của một nguyên tử ($3D_1$). Thuật ngữ của chúng ta sẽ được giải mã như sau: ký hiệu $D$ tương ứng với số lượng tử quỹ đạo $l=2$, $J=1$, bội số $(S)$ bằng $2S+1=3\to S =1$.
Hãy tính $g,$ bằng công thức (1.1):
Số thành phần mà chùm nguyên tử sẽ phân chia bằng:
Trả lời:$N=3.$
Ví dụ 2
Bài tập: Tại sao thí nghiệm của Stern và Gerlach nhằm phát hiện spin electron lại sử dụng chùm nguyên tử hydro ở trạng thái $1s$?
Giải pháp:
Ở trạng thái $s-$, động lượng góc của electron $(L)$ bằng 0, vì $l=0$:
Mô men từ của nguyên tử gắn liền với chuyển động của electron trên quỹ đạo, tỉ lệ với mômen cơ học:
\[(\overrightarrow(p))_m=-\frac(q_e)(2m)\overrightarrow(L)(2.2)\]
do đó bằng 0. Điều này có nghĩa là từ trường sẽ không ảnh hưởng đến chuyển động của các nguyên tử hydro ở trạng thái cơ bản, nghĩa là phân chia dòng hạt. Nhưng khi sử dụng các thiết bị quang phổ, người ta đã chứng minh được rằng các vạch phổ hydro thể hiện sự hiện diện của một cấu trúc mịn (cấu trúc kép) ngay cả khi không có từ trường. Để giải thích sự hiện diện của cấu trúc tinh tế, ý tưởng về động lượng góc cơ học của chính electron trong không gian (spin) đã được đưa ra.
Khi đặt trong một từ trường bên ngoài, một chất có thể phản ứng với trường này và tự nó trở thành nguồn của từ trường (từ hóa). Những chất như vậy được gọi là nam châm(so sánh với đặc tính của chất điện môi trong điện trường). Dựa vào tính chất từ của chúng, nam châm được chia thành ba nhóm chính: nghịch từ, thuận từ và sắt từ.
Các chất khác nhau được từ hóa theo những cách khác nhau. Tính chất từ của một chất được xác định bởi tính chất từ của electron và nguyên tử. Hầu hết các chất đều có từ hóa yếu - đây là những vật liệu nghịch từ và thuận từ. Một số chất ở điều kiện bình thường (ở nhiệt độ vừa phải) có khả năng bị từ hóa rất mạnh - đó là những chất sắt từ.
Đối với nhiều nguyên tử mô men từ thu được bằng không. Các chất bao gồm các nguyên tử như vậy là nghịch cảnh. Ví dụ, chúng bao gồm nitơ, nước, đồng, bạc, muối ăn NaCl, silicon dioxide Si0 2. Các chất trong đó mô men từ của nguyên tử khác 0 được phân loại là thuận từ Ví dụ về vật liệu thuận từ là: oxy, nhôm, bạch kim.
Trong tương lai, khi nói về tính chất từ, chúng ta chủ yếu muốn nói đến vật liệu nghịch từ và thuận từ, và đôi khi chúng ta sẽ thảo luận cụ thể về tính chất của một nhóm nhỏ vật liệu sắt từ.
Trước tiên chúng ta hãy xem xét hành vi của các electron của một chất trong từ trường. Để đơn giản, chúng ta giả sử rằng một electron quay trong nguyên tử xung quanh hạt nhân với tốc độ v dọc theo một quỹ đạo có bán kính r. Chuyển động như vậy, được đặc trưng bởi xung lượng góc quỹ đạo, về cơ bản là một dòng điện tròn, do đó được đặc trưng bởi mô men từ quỹ đạo.
khối lượng quả cầu r. Dựa vào thời kỳ cách mạng quanh vòng tròn T= - chúng tôi có cái đó
một electron đi qua một điểm tùy ý trên quỹ đạo của nó trong một đơn vị thời gian -
một lần. Do đó, dòng điện tròn bằng điện tích đi qua một điểm trong một đơn vị thời gian được cho bởi biểu thức
Tương ứng, mô men từ quỹ đạo của electron theo công thức (22.3) bằng
Ngoài xung lượng góc quỹ đạo, electron còn có xung lượng góc riêng của nó, gọi là quay. Spin được mô tả bởi các định luật vật lý lượng tử và là một tính chất không thể thiếu của khối lượng và điện tích giống electron (xem phần vật lý lượng tử để biết thêm chi tiết). Động lượng góc nội tại tương ứng với mô men từ nội tại (spin) của electron r sp.
Hạt nhân nguyên tử cũng có mô men từ, nhưng mô men này nhỏ hơn mômen của electron hàng nghìn lần và chúng thường có thể bị bỏ qua. Kết quả là tổng mômen từ của nam châm R t bằng tổng vectơ mômen từ quỹ đạo và mômen từ spin của các electron của nam châm:
Từ trường bên ngoài tác dụng lên sự định hướng của các hạt của một chất có mômen từ (và dòng điện vi mô), do đó chất đó bị từ hóa. Đặc điểm của quá trình này là vectơ từ hóa J, bằng tỉ số giữa tổng mô men từ của các hạt nam châm với thể tích của nam châm AV:
Từ hóa được đo bằng A/m.
Nếu một nam châm được đặt trong từ trường ngoài B 0 thì kết quả là
từ hóa, một trường bên trong của dòng điện vi mô B sẽ xuất hiện, do đó trường thu được sẽ bằng nhau
Chúng ta hãy xem xét một nam châm có dạng hình trụ với diện tích đáy S và chiều cao /, được đặt trong một từ trường đều ngoài có cảm ứng từ Lúc 0. Một trường như vậy có thể được tạo ra, ví dụ, bằng cách sử dụng một cuộn điện từ. Sự định hướng của dòng điện vi mô trong trường bên ngoài trở nên có trật tự. Trong trường hợp này, trường của các vi dòng thuận từ có hướng ngược chiều với điểm 0 bên ngoài và trường của các vi dòng thuận từ trùng với hướng của điểm 0 bên ngoài.
Trong bất kỳ phần nào của hình trụ, thứ tự của dòng điện vi mô đều dẫn đến hiệu ứng sau (Hình 23.1). Các dòng điện vi mô có trật tự bên trong nam châm được bù bởi các dòng điện vi mô lân cận và các dòng điện vi mô bề mặt không bù sẽ chạy dọc theo bề mặt bên.
Hướng của các dòng điện vi mô không bù này song song (hoặc phản song song) với dòng điện chạy trong cuộn dây, tạo ra một điểm 0 bên ngoài. Nhìn chung họ Cơm. 23.1đưa ra tổng dòng điện bên trong này dòng chảy bề mặt tạo ra một trường vi dòng bên trong Bv Hơn nữa, mối quan hệ giữa dòng điện và trường có thể được mô tả bằng công thức (22.21) đối với điểm 0 của điện từ:
Ở đây, độ thấm từ được coi là bằng 1, vì vai trò của môi trường được tính đến bằng cách đưa vào một dòng điện bề mặt; Mật độ cuộn dây của các vòng dây điện từ tương ứng với một trên toàn bộ chiều dài của dây điện /: n = 1 //. Trong trường hợp này, mô men từ của dòng điện bề mặt được xác định bởi độ từ hóa của toàn bộ nam châm:
Từ hai công thức cuối cùng, có tính đến định nghĩa từ hóa (23.4), ta có:
hoặc ở dạng vector
Khi đó từ công thức (23.5) ta có
Kinh nghiệm trong việc nghiên cứu sự phụ thuộc của từ hóa vào cường độ trường ngoài cho thấy rằng trường thường có thể được coi là yếu và trong khai triển chuỗi Taylor, chỉ cần giới hạn ở số hạng tuyến tính:
trong đó hệ số tỷ lệ không thứ nguyên x là độ nhạy từ vật liệu xây dựng. Tính đến điều này chúng ta có
So sánh công thức cuối cùng về cảm ứng từ với công thức nổi tiếng (22.1), chúng ta thu được mối quan hệ giữa độ thấm từ và độ nhạy từ:
Lưu ý rằng các giá trị độ nhạy từ đối với vật liệu nghịch từ và thuận từ là nhỏ và thường lên tới 10 "-10 4 (đối với vật liệu nghịch từ) và 10 -8 - 10 3 (đối với vật liệu thuận từ). Hơn nữa, đối với vật liệu nghịch từ. X x > 0 và p > 1.
