أي مواد. مصدر تكوين المغناطيسية ، وفقًا للنظرية الكهرومغناطيسية الكلاسيكية ، هي التيارات الدقيقة الناشئة عن حركة الإلكترون في المدار. لحظة جاذبة- هذه خاصية لا غنى عنها لجميع النوى وأغلفة الإلكترونات الذرية والجزيئات دون استثناء.
ترجع المغناطيسية ، المتأصلة في جميع الجسيمات الأولية ، إلى وجود لحظة ميكانيكية فيها ، تسمى الدوران (الزخم الميكانيكي الخاص بها لطبيعة الكم). تتكون الخواص المغناطيسية للنواة الذرية من النبضات الدورانية للأجزاء المكونة للنواة - البروتونات والنيوترونات. تحتوي الأصداف الإلكترونية (المدارات داخل الذرة) أيضًا على لحظة مغناطيسية ، وهي مجموع اللحظات المغناطيسية للإلكترونات الموجودة عليها.
بعبارة أخرى ، فإن اللحظات المغناطيسية للجسيمات الأولية ترجع إلى التأثير الميكانيكي الكمومي داخل الذرة ، والمعروف باسم زخم الدوران. هذا التأثير مشابه للزخم الزاوي للدوران حول محوره المركزي. يُقاس زخم الدوران في ثابت بلانك ، الثابت الأساسي لنظرية الكم.
جميع النيوترونات والإلكترونات والبروتونات ، والتي تتكون منها الذرة في الواقع ، وفقًا لما ذكره بلانك ، لها لف مغزلي يساوي ½. في بنية الذرة ، الإلكترونات ، التي تدور حول النواة ، بالإضافة إلى زخم الدوران ، لها أيضًا زخم زاوي مداري. على الرغم من أن النواة تحتل موقعًا ثابتًا ، إلا أنها تمتلك أيضًا زخمًا زاويًا ناتجًا عن تأثير الدوران النووي.
يتم تحديد المجال المغناطيسي الذي تولده لحظة مغناطيسية ذرية من خلال الأشكال المختلفة لهذا الزخم الزاوي. أكبر مساهمة ملحوظة في الخلق هي تأثير الدوران. وفقًا لمبدأ باولي ، الذي وفقًا لمبدأ باولي ، لا يمكن أن يكون إلكترونان متطابقان في نفس الحالة الكمية في نفس الوقت ، تندمج الإلكترونات المقيدة ، بينما تكتسب عزم الدوران الخاص بها إسقاطات معاكسة تمامًا. في هذه الحالة ، يتم تقليل اللحظة المغناطيسية للإلكترون ، مما يقلل من الخصائص المغناطيسية للهيكل بأكمله. في بعض العناصر التي تحتوي على عدد زوجي من الإلكترونات ، تنخفض هذه اللحظة إلى الصفر ، وتتوقف المواد عن امتلاك خصائص مغناطيسية. وبالتالي ، فإن اللحظة المغناطيسية للجسيمات الأولية الفردية لها تأثير مباشر على الخصائص المغناطيسية للنظام الذري النووي بأكمله.
العناصر المغناطيسية الحديدية التي تحتوي على عدد فردي من الإلكترونات ستتمتع دائمًا بمغناطيسية غير صفرية بسبب الإلكترون غير المزاوج. في مثل هذه العناصر ، تتداخل المدارات المجاورة ، وكل لحظات الدوران للإلكترونات غير المزدوجة تتخذ نفس الاتجاه في الفضاء ، مما يؤدي إلى تحقيق أدنى حالة طاقة. تسمى هذه العملية تفاعل التبادل.
مع محاذاة اللحظات المغناطيسية للذرات المغناطيسية ، ينشأ مجال مغناطيسي. والعناصر البارامغناطيسية ، التي تتكون من ذرات ذات لحظات مغناطيسية مشوشة ، ليس لها مجال مغناطيسي خاص بها. ولكن إذا كنت تعمل عليها بمصدر خارجي للمغناطيسية ، فستتساوى اللحظات المغناطيسية للذرات ، وستكتسب هذه العناصر أيضًا خصائص مغناطيسية.
؛ يعتبر التيار المغلق مصدرًا أوليًا للمغناطيسية). الجسيمات الأولية ، النوى الذرية ، الأصداف الإلكترونية للذرات والجزيئات لها خصائص مغناطيسية. إن اللحظة المغناطيسية للجسيمات الأولية (الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات وغيرها) ، كما أظهرت ميكانيكا الكم ، ترجع إلى وجود العزم الميكانيكي الخاص بها - الدوران.
| لحظة جاذبة | |
|---|---|
| m → = I S n → (\ displaystyle (\ vec (m)) = IS (\ vec (n))) | |
| البعد | م 2 أنا |
| الوحدات | |
| SI | ⋅ 2 |
| ملحوظات | |
| كمية ناقلات | |
يتم قياس العزم المغناطيسي بـ ⋅ 2 ، أو Wb * m ، أو J / T (SI) ، أو erg / G (CGS) ، 1 erg / G = 10 3 J / T. الوحدة المحددة للعزم المغناطيسي الأولي هي مغنطون بوهر.
صيغ لحساب العزم المغناطيسي
في حالة الدائرة المسطحة ذات التيار الكهربائي ، يتم حساب العزم المغناطيسي على أنه
م = أنا S n (displaystyle mathbf (m) = IS mathbf (n)),أين أنا (displaystyle I)- التيار في الدائرة ، ث (displaystyle S)- منطقة كفاف ، n (displaystyle mathbf (n))- متجه الوحدة العمودي لمستوى الكفاف. عادةً ما يتم العثور على اتجاه اللحظة المغناطيسية وفقًا لقاعدة المثقاب: إذا قمت بتدوير المقبض المنحني في اتجاه التيار ، فإن اتجاه العزم المغناطيسي سيتزامن مع اتجاه الحركة الانتقالية للمقبض.
بالنسبة للحلقة المغلقة التعسفية ، يتم العثور على اللحظة المغناطيسية من:
m = I 2 ∮ [r، d l] (displaystyle mathbf (m) = (I over 2) oint [mathbf (r)، d mathbf (l)]),أين r (displaystyle mathbf (r))- متجه نصف القطر ، مستمد من الأصل إلى عنصر طول الكفاف د ل (displaystyle d mathbf (l)).
في الحالة العامة للتوزيع التعسفي للتيارات في الوسط:
m = 1 2 ∫ V [r، j] د ك (displaystyle mathbf (m) = (1 over 2) int limits _ (V) [mathbf (r)، mathbf (j)] dV ),أين ي (displaystyle mathbf (j)) -
38. لحظة مغناطيسية. القوى المؤثرة على العزم المغناطيسي وطاقتها في المجال المغناطيسي.
إن العزم المغناطيسي للجسيمات الأولية (الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات وغيرها) ، كما يتضح من ميكانيكا الكم ، ترجع إلى وجود العزم الميكانيكي الخاص بها - الدوران.
يتم قياس العزم المغناطيسي بوحدة A⋅m 2 أو J / T (SI).
في حالة الدائرة المسطحة ذات التيار الكهربائي ، يتم حساب العزم المغناطيسي على أنه ، أين أنا- التيار في الدائرة ، س- مساحة الكفاف - متجه الوحدة من المستوى العمودي إلى المستوى الكنتوري. عادةً ما يتم العثور على اتجاه اللحظة المغناطيسية وفقًا لقاعدة المثقاب: إذا قمت بتدوير المقبض المنحني في اتجاه التيار ، فإن اتجاه العزم المغناطيسي سيتزامن مع اتجاه الحركة الانتقالية للمقبض.
بالنسبة للحلقة المغلقة التعسفية ، يتم العثور على اللحظة المغناطيسية من:
أين متجه نصف القطر المرسوم من الأصل إلى عنصر طول الكنتور
في الحالة العامة للتوزيع التعسفي للتيارات في الوسط:
,
أين هي الكثافة الحالية في عنصر الحجم دي في.
المداري المغناطيسي لحظة(انظر (109.2)) صم = يكونن، الذي معامله (131.1)
أين أنا= ه - حاضِر، - وتيرة دوران الإلكترون في المدار ، س - منطقة المدار. إذا تحرك الإلكترون في اتجاه عقارب الساعة ، فسيتم توجيه التيار عكس اتجاه عقارب الساعة والمتجه ريتم توجيه m (وفقًا لقاعدة اللولب اليمنى) بشكل عمودي على مستوى مدار الإلكترون.
وبالتالي ، فإن إجمالي العزم المغناطيسي للذرة (الجزيء) صأ يساوي مجموع متجه للعزوم المغناطيسية (المدارية والدورانية) للإلكترونات التي تدخل الذرة (الجزيء):
39. العمل على تحريك موصل ودائرة حاملة للتيار في مجال مغناطيسي.
القوة ، التي يتم تحديد اتجاهها بواسطة قاعدة اليد اليسرى ، والقيمة - بموجب قانون أمبير (انظر (111.2)) ، تساوي
تحت تأثير هذه القوة ، سوف يتحرك الموصل بالتوازي مع نفسه على المقطع d xللخروج من الموقف 1 في الموقف 2. الشغل الذي يقوم به المجال المغناطيسي يساوي لد x= د س - المنطقة التي يجتازها موصل أثناء تحركه في مجال مغناطيسي ، بد S =دФ - تدفق ناقل الحث المغناطيسي الذي يخترق هذه المنطقة. هكذا،
على سبيل المثال ، فإن عمل تحريك الموصل الحامل للتيار في مجال مغناطيسي يساوي ناتج القوة الحالية و الفيض المغناطيسي, عبرت بواسطة موصل متحرك.الصيغة الناتجة صالحة أيضًا للاتجاه التعسفي للمتجه في.
العمل الذي تقوم به قوى الأمبير ، مع إزاحة تعسفية محدودة للدائرة في مجال مغناطيسي: (121.6) أي أن عمل تحريك دائرة مغلقة بالتيار في مجال مغناطيسي يساوي ناتج القوة الحالية في الدائرة بواسطة التغيير في التدفق المغناطيسي المقترن بالدائرة.تظل الصيغة (121.6) صالحة لكفاف من أي شكل في مجال مغناطيسي تعسفي.
40. حركة الجسيمات المشحونة في المجال الكهربائي والمغناطيسي تأثير هول.
لاشتقاق الأنماط العامة ، سنفترض أن المجال المغناطيسي بشكل موحدوالجسيمات لا تتأثر بالمجالات الكهربائية. إذا تحرك جسيم مشحون في مجال مغناطيسي بسرعة الخامسعلى طول خطوط الحث المغناطيسي ، ثم الزاوية بين النواقل الخامسو فيهي 0 أو . سوف يتحرك الجسيم في دائرة نصف قطرها صالذي يتحدد من الشرط QvB= م 2 / صمن أين (115.1)
فترة دوران الجسيمات ،أي الوقت تي ،التي من أجلها تصنع ثورة واحدة كاملة ،
استبدال التعبير (115.1) هنا نحصل على (115.2)
على سبيل المثال ، يتم تحديد فترة دوران الجسيم في مجال مغناطيسي موحد فقط من خلال مقلوب الشحنة المحددة ( س/ م) ، والحث المغناطيسي للمجال ، ولكنها لا تعتمد على سرعته (عند الخامس<< ج). يعتمد عمل مسرعات الجسيمات المشحونة الدورية على هذا.
إذا كانت السرعة الخامسيتم توجيه الجسيمات المشحونة بزاوية إلى المتجه في. الملعب الحلزوني
بالتعويض في التعبير الأخير (115.2) نحصل عليه
يعتمد الاتجاه الذي يلتف فيه اللولب على علامة شحنة الجسيم.
تأثير القاعة(1879) حدث في معدن (أو شبه موصل) بكثافة تيار يوضعت في مجال مغناطيسي في، المجال الكهربائي في الاتجاه العمودي فيو ي.
أين أ -عرض اللوحة ، - فرق الجهد المستعرض (القاعة).
معتبرة أن التيار أنا= شبيبة= nevS (س - مساحة المقطع العرضي لسمك اللوحة د، ف -تركيز الإلكترون الخامس - متوسط سرعة الحركة المطلوبة للإلكترونات) نحصل عليها
ر= 1/ (ar) - ثابت القاعةتعتمد على المادة. وفقًا للقيمة المقاسة لثابت Hall ، يمكن للمرء: 1) تحديد تركيز الموجات الحاملة الحالية في الموصل (مع الطبيعة المعروفة للتوصيلية وشحنة الموجات الحاملة) ؛ 2) للحكم على طبيعة موصلية أشباه الموصلات (انظر § 242 ، 243) ، نظرًا لأن علامة ثابت Hall يتزامن مع علامة الشحنة هشركات النقل الحالية. لذلك فإن تأثير هول هو الطريقة الأكثر فعالية لدراسة طيف الطاقة للحوامل الحالية في المعادن وأشباه الموصلات.
تظهر التجربة أن جميع المواد ممغنطة ، أي تحت تأثير مجال مغناطيسي خارجي ، فإنهم قادرون على إنشاء مجال مغناطيسي داخلي خاص بهم (الحصول على عزمهم المغناطيسي الخاص ، ممغنط).
لشرح مغنطة الأجسام ، اقترح أمبير أن تيارات جزيئية دائرية تدور في جزيئات المواد. كل تيار مكروي I I له عزم مغناطيسي خاص به ويخلق مجالًا مغناطيسيًا في الفضاء المحيط (الشكل 1). في حالة عدم وجود مجال خارجي ، يتم توجيه التيارات الجزيئية والتيارات المرتبطة بها بشكل عشوائي ، وبالتالي فإن الحقل الناتج داخل المادة والعزم الكلي للمادة بأكملها يساوي الصفر. عندما يتم وضع مادة في مجال مغناطيسي خارجي ، فإن اللحظات المغناطيسية للجزيئات تكتسب في الغالب اتجاهًا في اتجاه واحد ، وتصبح العزم المغناطيسية الكلية مختلفة عن الصفر ، ويصبح المغناطيس ممغنطًا. لم تعد المجالات المغناطيسية للتيارات الجزيئية الفردية تعوض بعضها البعض ، وداخل المغناطيس ينشأ مجالها الداخلي.
دعونا نفكر في سبب هذه الظاهرة من وجهة نظر بنية الذرات على أساس النموذج الكوكبي للذرة. وفقًا لروذرفورد ، توجد نواة موجبة الشحنة في وسط الذرة ، تدور حولها الإلكترونات سالبة الشحنة في مدارات ثابتة. يمكن اعتبار الإلكترون الذي يتحرك في مدار دائري حول النواة بمثابة تيار دائري (مكركرنت). نظرًا لأن اتجاه حركة الشحنات الموجبة مأخوذ بشكل مشروط باعتباره اتجاه التيار ، وتكون شحنة الإلكترون سالبة ، فإن اتجاه التيار المتناهي الصغر هو عكس اتجاه حركة الإلكترون (الشكل 2).
يمكن تحديد قيمة مكركرنت أنا e على النحو التالي. إذا قام الإلكترون خلال الوقت t بإجراء دورات N حول النواة ، فسيتم نقل الشحنة عبر المنصة الموجودة في أي مكان على مسار الإلكترون - شحنة الإلكترون).
وفقًا لتعريف القوة الحالية ،
أين هو تردد دوران الإلكترون.
إذا كان التيار I يتدفق في دائرة مغلقة ، فإن هذه الدائرة لها لحظة مغناطيسية ، معاملها يساوي
أين س- المنطقة التي يحدها الكفاف.
بالنسبة للتيار المجهري ، هذه المنطقة هي مساحة المدار S = p r 2
(r هو نصف قطر المدار) وعزمه المغناطيسي هو
حيث w = 2pn هو التردد الدوري ، هو السرعة الخطية للإلكترون.
ترجع اللحظة إلى حركة الإلكترون في المدار ، لذلك يطلق عليها العزم المغناطيسي المداري للإلكترون.
تسمى اللحظة المغناطيسية p m التي يمتلكها الإلكترون بسبب حركته المدارية بالعزم المغناطيسي المداري للإلكترون.
يشكل اتجاه المتجه نظامًا يمينيًا مع اتجاه التيار المتناهي الصغر.
مثل أي نقطة مادية تتحرك في دائرة ، للإلكترون زخم زاوي:
يُطلق على الزخم الزاوي L ، الذي يمتلكه الإلكترون نتيجة لحركته المدارية ، الزخم الميكانيكي المداري. يشكل نظام اليد اليمنى مع اتجاه حركة الإلكترون. كما يتضح من الشكل 2 ، فإن اتجاهات المتجهات وعكسية.
اتضح أنه بالإضافة إلى العزم المدارية (أي بسبب الحركة المدارية) ، فإن للإلكترون عزمه الميكانيكي والمغناطيسي.
في البداية ، حاولوا تفسير الوجود من خلال النظر إلى الإلكترون على أنه كرة تدور حول محورها الخاص ، لذلك كان يُطلق على الزخم الزاوي الميكانيكي للإلكترون اسم الدوران (من الدوران الإنجليزي - إلى الدوران). في وقت لاحق وجد أن مثل هذا التمثيل يؤدي إلى عدد من التناقضات ، وتم التخلي عن فرضية الإلكترون "الدوار".
لقد ثبت الآن أن دوران الإلكترون وعزمه المغناطيسي (المغزلي) المرتبط به هما خاصية متكاملة للإلكترون ، مثل شحنته وكتلته.
العزم المغناطيسي للإلكترون في الذرة هو مجموع اللحظات المدارية والدورانية:
تتكون العزم المغناطيسي للذرة من اللحظات المغناطيسية للإلكترونات المكونة لها (يتم إهمال العزم المغناطيسي للنواة ، بسبب صغرها):
.
مغنطة المادة.
ذرة في مجال مغناطيسي. تأثيرات ضياء ومغناطيسية.
دعونا نفكر في آلية عمل المجال المغناطيسي الخارجي على الإلكترونات التي تتحرك في الذرة ، أي إلى التيارات الدقيقة.
كما تعلم ، عندما يتم وضع دائرة حاملة للتيار في مجال مغناطيسي مع الحث ، ينشأ عزم الدوران
تحت تأثير الكفاف الذي يتم توجيهه بحيث يكون مستوى الكفاف عموديًا ، وتكون العزم المغناطيسي على طول اتجاه المتجه (الشكل 3).
يتصرف الإلكترون مكركرنت بالمثل. ومع ذلك ، فإن اتجاه التيار المكروي المداري في مجال مغناطيسي لا يتطابق تمامًا مع اتجاه الدائرة الحاملة للتيار. الحقيقة هي أن الإلكترون الذي يتحرك حول النواة وله زخم زاوي يشبه القمة ، لذلك فهو يمتلك كل سمات سلوك الجيروسكوبات تحت تأثير القوى الخارجية ، على وجه الخصوص ، التأثير الجيروسكوبي. لذلك ، عندما يتم وضع ذرة في مجال مغناطيسي ، يبدأ عزم الدوران في التأثير على التيار المكروي المداري ، ويميل إلى إنشاء العزم المغناطيسي المداري للإلكترون على طول اتجاه المجال ، يكون هناك استباقية للمتجهات حول اتجاه المتجه (بسبب التأثير الجيروسكوبي). تواتر هذه المبادرة
مُسَمًّى لارمورالتردد وهو نفسه لجميع الإلكترونات في الذرة.
وهكذا ، عندما يتم وضع أي مادة في مجال مغناطيسي ، فإن كل إلكترون من الذرة ، بسبب تقدم مداره حول اتجاه المجال الخارجي ، يولد مجالًا مغناطيسيًا مستحثًا إضافيًا موجهًا ضد المجال الخارجي ويضعفه. نظرًا لأن اللحظات المغناطيسية المستحثة لجميع الإلكترونات يتم توجيهها بنفس الطريقة (عكس المتجه) ، فإن إجمالي العزم المستحث للذرة يتم توجيهه أيضًا ضد المجال الخارجي.
ظاهرة الظهور في مغناطيسات مجال مغناطيسي مستحث (ناتجة عن مقدمة مدارات الإلكترون في مجال مغناطيسي خارجي) ، الموجهة بشكل معاكس إلى المجال الخارجي وإضعافه ، تسمى التأثير المغنطيسي. نفاذية المغناطيسية متأصلة في جميع مواد الطبيعة.
يؤدي التأثير ثنائي المغنطيسية إلى إضعاف المجال المغناطيسي الخارجي في المغناطيس.
ومع ذلك ، قد يحدث أيضًا تأثير آخر ، يسمى بارامغناطيسي. في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي ، يتم توجيه اللحظات المغناطيسية للذرات بشكل عشوائي بسبب الحركة الحرارية ، وتكون العزم المغناطيسي الناتج للمادة صفرًا (الشكل 4 أ).
عندما يتم إدخال مثل هذه المادة في مجال مغناطيسي موحد مع الحث ، يميل المجال إلى إنشاء اللحظات المغناطيسية للذرات على طول ، وبالتالي فإن نواقل اللحظات المغناطيسية للذرات (الجزيئات) تتحرك حول اتجاه المتجه. تؤدي الحركة الحرارية والاصطدامات المتبادلة للذرات إلى التخميد التدريجي للمبادرة وتقليل الزوايا بين اتجاهات متجهات اللحظات المغناطيسية والمتجه. يؤدي العمل المشترك للمجال المغناطيسي والحركة الحرارية إلى الاتجاه السائد لـ اللحظات المغناطيسية للذرات على طول المجال
(الشكل 4 ، ب) ، كلما كانت درجة الحرارة أكبر ، وكلما زاد عددها وأصغرها. نتيجة لذلك ، تصبح العزم المغناطيسي الكلي لجميع ذرات المادة مختلفة عن الصفر ، وتصبح المادة ممغنطة ، وينشأ فيها المجال المغناطيسي الداخلي الخاص بها ، ويوجه بشكل مشترك مع المجال الخارجي ويضخمه.
تسمى ظاهرة الظهور في مغناطيس مجالها المغناطيسي ، والناجمة عن اتجاه اللحظات المغناطيسية للذرات على طول اتجاه المجال الخارجي وتضخيمه ، بالتأثير البارامغناطيسي.
يؤدي التأثير البارامغناطيسي إلى زيادة المجال المغناطيسي الخارجي في المغناطيس.
عندما يتم وضع أي مادة في مجال مغناطيسي خارجي ، فإنها تصبح ممغنطة ، أي يكتسب لحظة مغناطيسية بسبب تأثير dia- أو شبه مغناطيسي ، المجال المغناطيسي الداخلي الخاص به (مجال التيارات الدقيقة) مع الحث ينشأ في المادة نفسها.
للحصول على وصف كمي لمغنطة مادة ما ، يتم تقديم مفهوم المغنطة.
مغنطة المغناطيس عبارة عن كمية مادية متجهة تساوي إجمالي العزم المغناطيسي لكل وحدة حجم للمغناطيس:
في النظام الدولي للوحدات ، تُقاس المغنطة بـ A / m.
تعتمد المغنطة على الخصائص المغناطيسية للمادة وحجم المجال الخارجي ودرجة الحرارة. من الواضح أن مغنطة المغناطيس مرتبطة بالحث.
كما تظهر التجربة ، بالنسبة لمعظم المواد وفي المجالات غير القوية جدًا ، فإن المغنطة تتناسب طرديًا مع قوة المجال الخارجي الذي يسبب المغنطة:
حيث c هي القابلية المغناطيسية للمادة ، وهي كمية بلا أبعاد.
كلما زادت قيمة c ، كلما كانت المادة ممغنطة في مجال خارجي معين.
يمكن إثبات ذلك
المجال المغناطيسي في مادة ما هو مجموع متجه من مجالين: مجال مغناطيسي خارجي ومجال مغناطيسي داخلي أو داخلي ناتج عن التيارات الدقيقة. يميز ناقل الحث المغناطيسي لمجال مغناطيسي في مادة المجال المغناطيسي الناتج ويساوي المجموع الهندسي للحث المغناطيسي للحقول المغناطيسية الخارجية والداخلية:
توضح النفاذية المغناطيسية النسبية لمادة عدد المرات التي يتغير فيها تحريض المجال المغناطيسي في مادة معينة.
ما يحدث بالضبط للمجال المغناطيسي في هذه المادة المعينة - سواء تم تقويتها أو إضعافها - يعتمد على حجم العزم المغناطيسي للذرة (أو الجزيء) لهذه المادة.
ديا- والمغناطيسات. المغناطيسات الحديدية.
مغناطيستسمى المواد القادرة على اكتساب خواص مغناطيسية في مجال مغناطيسي خارجي - لتكون ممغنطة ، أي يخلق المجال المغناطيسي الداخلي الخاص به.
كما ذكرنا سابقًا ، جميع المواد مغناطيسية ، حيث يتم تحديد المجال المغناطيسي الداخلي الخاص بها من خلال جمع ناقلات الحقول الدقيقة الناتجة عن كل إلكترون لكل ذرة:
يتم تحديد الخصائص المغناطيسية للمادة من خلال الخواص المغناطيسية للإلكترونات وذرات المادة المعينة. وفقًا لخصائصها المغناطيسية ، يتم تقسيم المغناطيسات إلى مغناطيسات مغناطيسية ، ومغناطيسات مغناطيسية ، ومغناطيسات حديدية ، ومغناطيسات مضادة ، ومغناطيس حديدية. دعونا نفكر في هذه الفئات من المواد واحدة تلو الأخرى.
وجدنا أنه عند وضع مادة ما في مجال مغناطيسي ، يمكن أن يحدث تأثيران:
1. بارامغنطيسي ، مما يؤدي إلى زيادة في المجال المغناطيسي في المغناطيس بسبب اتجاه اللحظات المغناطيسية للذرات على طول اتجاه المجال الخارجي.
2. ديامغناطيسي ، مما يؤدي إلى إضعاف المجال بسبب تباطؤ مدارات الإلكترون في مجال خارجي.
كيف يمكن تحديد أي من هذه التأثيرات سيحدث (أو كلاهما في نفس الوقت) ، أي منهما يتضح أنه أقوى ، ما الذي يحدث في النهاية للمجال المغناطيسي في مادة معينة - هل يزيد أم ينقص؟
كما نعلم بالفعل ، يتم تحديد الخصائص المغناطيسية للمادة بواسطة اللحظات المغناطيسية لذراتها ، وتتكون العزم المغناطيسي للذرة من اللحظات المغناطيسية المدارية والداخلية للإلكترونات الموجودة في تكوينها:
.
بالنسبة لذرات بعض المواد ، يكون مجموع المتجهات للعزوم المغناطيسية المدارية والدورانية للإلكترونات يساوي صفرًا ، أي العزم المغناطيسي للذرة بأكملها هو صفر.عندما توضع هذه المواد في مجال مغناطيسي ، لا يمكن أن يظهر التأثير البارامغناطيسي ، لأنه ينشأ فقط بسبب اتجاه اللحظات المغناطيسية للذرات في مجال مغناطيسي ، ولكن ها هم ليسوا كذلك.
ولكن يحدث دائمًا تباطؤ المدارات الإلكترونية في مجال خارجي ، مما يتسبب في حدوث تأثير مغناطيسي مغناطيسي ، لذلك يحدث التأثير الثنائي المغنطيسي في جميع المواد عند وضعها في مجال مغناطيسي.
وبالتالي ، إذا كانت العزم المغناطيسي لذرة (جزيء) من مادة تساوي الصفر (بسبب التعويض المتبادل للحظات المغناطيسية للإلكترونات) ، فعند وضع مثل هذه المادة في مجال مغناطيسي ، سيحدث فقط تأثير مغناطيسي فيه. في هذه الحالة ، يتم توجيه المجال المغناطيسي الخاص بالمغناطيس عكس المجال الخارجي ويضعفه. تسمى هذه المواد بقطر مغناطيسي.
تسمى المواد بقطر مغناطيسي ، وفي حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي ، تكون اللحظات المغناطيسية للذرات مساوية للصفر.
المغناطيسات المغناطيسية في مجال مغناطيسي خارجي ممغنطة ضد اتجاه المجال الخارجي وبالتالي تضعفها
ب = ب 0 - ب ¢ ، م< 1.
ضعف المجال في المغناطيس صغير جدًا. على سبيل المثال ، لواحد من أقوى مغناطيسات الماس ، البزموت ، م »0.99998.
العديد من المعادن (الفضة والذهب والنحاس) ، ومعظم المركبات العضوية ، والراتنجات ، والكربون ، وما إلى ذلك ، عبارة عن مغناطيس قطني.
إذا كانت اللحظة المغناطيسية لذرات المادة ، في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي ، غير صفرية ، فعندما يتم وضع مثل هذه المادة في مجال مغناطيسي ، ستظهر كل من التأثيرات المغناطيسية والمغناطيسية ، ومع ذلك ، فإن التأثير المغناطيسي هو دائمًا أضعف بكثير من البارامغناطيسي وغير مرئي عمليًا على خلفيته. سيتم محاذاة المجال المغناطيسي الخاص بالمغناطيس مع المجال الخارجي وتضخيمه. تسمى هذه المواد البارامغناطيس. المغنطيسات البارامنتية عبارة عن مواد تكون فيها اللحظات المغناطيسية للذرات غير صفرية في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي.
المغناطيسات البارامنتية في مجال مغناطيسي خارجي ممغنطة في اتجاه المجال الخارجي وتضخيمه. بالنسبة لهم
ب = ب 0 + ب ¢ ، م> 1.
النفاذية المغناطيسية لمعظم البارامغناطيسات أكبر بقليل من الوحدة.
تشمل البارامغنطيس العناصر الأرضية النادرة ، البلاتين ، الألمنيوم ، إلخ.
إذا كان التأثير المغناطيسي ، B = B 0 -B ¢ ، m< 1.
إذا كان dia- وتأثيرات مغناطيسية ، B = B 0 + B ¢، m> 1.
المغناطيسات الحديدية.
جميع المغنطيسات والبارامغناطيسات عبارة عن مواد ممغنطة بشكل ضعيف للغاية ، ونفاذية مغناطيسية قريبة من الوحدة ولا تعتمد على قوة المجال المغناطيسي H. جنبًا إلى جنب مع الديا والمغناطيسات ، هناك مواد يمكن أن تكون ممغنطة بقوة. يطلق عليهم اسم المغناطيس الحديدي.
حصلت المغناطيسات الحديدية أو المواد المغناطيسية على اسمها من الاسم اللاتيني للممثل الرئيسي لهذه المواد - الحديد (الحديد). تشمل المغناطيسات الحديدية ، بالإضافة إلى الحديد ، الكوبالت والنيكل والجادولينيوم والعديد من السبائك و مركبات كيميائية. المغناطيسات الحديدية عبارة عن مواد يمكن أن تكون ممغنطة بشدة ، حيث يمكن أن يكون المجال المغناطيسي الداخلي (الداخلي) أكبر بمئات وآلاف المرات من المجال المغناطيسي الخارجي الذي تسبب في حدوثها.
خصائص المغناطيسات الحديدية
1. القدرة على أن تكون ممغنطة بقوة.
تصل قيمة النفاذية المغناطيسية النسبية m في بعض المغناطيسات الحديدية إلى قيمة 10 6.
2. تشبع مغناطيسي.
على التين. يوضح الشكل 5 الاعتماد التجريبي للمغنطة على قوة المجال المغناطيسي الخارجي. كما يتضح من الشكل ، من قيمة معينة لـ H ، تظل القيمة العددية لمغنطة المغناطيسات الحديدية ثابتة عمليًا وتساوي J sat. تم اكتشاف هذه الظاهرة من قبل العالم الروسي أ. ودعا Stoletov التشبع المغناطيسي.
 |
3. الاعتماد غير الخطي B (H) و m (H).
مع زيادة التوتر ، يزداد الحث أولاً ، ولكن مع مغنطة المغناطيس ، تتباطأ زيادته ، وفي الحقول القوية ينمو مع زيادة وفقًا لقانون خطي (الشكل 6).
بسبب الاعتماد غير الخطي B (H) ،
أولئك. تعتمد النفاذية المغناطيسية m بطريقة معقدة على شدة المجال المغناطيسي (الشكل 7). أولاً ، مع زيادة شدة المجال ، تزداد m من القيمة الأولية إلى قيمة قصوى معينة ، ثم تنخفض وتميل بشكل مقارب إلى الوحدة.
4. التباطؤ المغناطيسي.
آخر سمة مميزةالمغناطيسات الحديدية هي
القدرة على الحفاظ على المغنطة بعد إزالة المجال المغنطيسي. عندما تتغير قوة المجال المغناطيسي الخارجي من الصفر إلى القيم الموجبة ، يزداد الحث (الشكل 8 ، القسم
عند التناقص إلى الصفر ، يتأخر الحث المغناطيسي في الانخفاض وعند قيمة تساوي الصفر ، يتضح أنه يساوي (الحث المتبقي) ، أي عند إزالة المجال الخارجي ، يظل المغناطيس الحديدي ممغنطًا ويكون مغناطيسًا دائمًا. لإزالة المغناطيسية الكاملة للعينة ، من الضروري تطبيق مجال مغناطيسي في الاتجاه المعاكس -. حجم المجال المغناطيسي ، 
والتي يجب تطبيقها على المغناطيس الحديدي من أجل إزالة المغناطيسية الكاملة تسمى القوة القسرية.
تسمى ظاهرة التغيير في الحث المغناطيسي في المغناطيس الحديدي المتخلف عن التغيير في شدة مجال مغنط خارجي متغير في الحجم والاتجاه بالتباطؤ المغناطيسي.
في هذه الحالة ، سيتم تصوير الاعتماد على منحنى على شكل حلقة يسمى حلقات التخلفية ،هو مبين في الشكل 8.
اعتمادًا على شكل حلقة التخلفية ، يتم تمييز المغناطيسات الحديدية الصلبة والمغناطيسية الناعمة مغناطيسيًا. المغناطيسات الحديدية الصلبة عبارة عن مواد ذات مغنطة كبيرة متبقية وقوة قسرية كبيرة ، أي مع حلقة تخلفية واسعة. يتم استخدامها لتصنيع المغناطيس الدائم (الكربون والتنغستن والكروم والألومنيوم والنيكل وأنواع الفولاذ الأخرى).
المغناطيسات الحديدية اللينة عبارة عن مواد ذات قوة قسرية منخفضة ، والتي يمكن إعادة مغناطيسها بسهولة ، مع حلقة تباطؤ ضيقة. (من أجل الحصول على هذه الخصائص ، تم إنشاء ما يسمى بالحديد المحول ، وهو سبيكة من الحديد مع خليط صغير من السيليكون ، خصيصًا). نطاق تطبيقها هو تصنيع نوى المحولات ؛ وتشمل هذه الحديد اللين وسبائك الحديد والنيكل (بيرمالوي ، سوبيرمولوي).
5. وجود درجة حرارة كوري (نقطة).
نقطة كوري- هذه هي خاصية درجة الحرارة لمغناطيس حديدي معين ، حيث تختفي الخواص المغناطيسية الحديدية تمامًا.
عندما يتم تسخين العينة فوق نقطة كوري ، يتحول المغناطيس الحديدي إلى مغناطيس عادي. عندما يبرد تحت نقطة كوري ، فإنه يستعيد خصائصه المغناطيسية الحديدية. ل مواد مختلفةتختلف درجة الحرارة هذه (للحديد - 770 درجة مئوية ، بالنسبة للنيكل - 260 درجة مئوية).
6. تضيق مغناطيسي- ظاهرة تشوه المغناطيسات الحديدية أثناء المغنطة. يعتمد حجم وعلامة التضيق المغناطيسي على شدة المجال الممغنط وطبيعة المغناطيس الحديدي. تستخدم هذه الظاهرة على نطاق واسع لبناء بواعث قوية بالموجات فوق الصوتية تستخدم في السونار ، والاتصالات تحت الماء ، والملاحة ، إلخ.
في المغناطيسات الحديدية ، لوحظت الظاهرة المعاكسة أيضًا - تغيير في المغنطة أثناء التشوه. تُستخدم السبائك ذات التضيق المغناطيسي الكبير في الأدوات المستخدمة لقياس الضغط والانفعال.
طبيعة المغناطيسية الحديدية
اقترح الفيزيائي الفرنسي ب. فايس النظرية الوصفية للمغناطيسية الحديدية في عام 1907 ، وطور الفيزيائي السوفيتي ج.
وفق الأفكار الحديثة، يتم تحديد الخصائص المغناطيسية للمغناطيسات الحديدية بواسطة اللحظات المغناطيسية المغزلية (تدور) للإلكترونات ؛ يمكن أن تكون المغناطيسات الحديدية عبارة عن مواد بلورية فقط ، يوجد في ذراتها مواد داخلية غير مكتملة قذائف الإلكترونمع يدور غير معوض. في هذه الحالة ، تنشأ قوى تجبر اللحظات المغناطيسية المغزلية للإلكترونات على توجيه نفسها بالتوازي مع بعضها البعض. تسمى هذه القوى قوى التفاعل التبادلي ، وهي ذات طبيعة كمومية وترجع إلى الخصائص الموجية للإلكترونات.
تحت تأثير هذه القوى في حالة عدم وجود مجال خارجي ، ينفجر المغناطيس الحديدي رقم ضخمالمناطق المجهرية - المجالات التي يبلغ حجمها حوالي 10 - 2 - 10 - 4 سم. داخل كل مجال ، يتم توجيه دوران الإلكترون بالتوازي مع بعضها البعض ، بحيث يكون المجال بأكمله ممغنطًا للتشبع ، لكن اتجاهات المغنطة في المجالات الفردية مختلفة ، بحيث تكون إجمالي اللحظة المغناطيسية (الكلية) للمغناطيس الحديدي بأكمله صفرًا. كما تعلم ، يميل أي نظام إلى أن يكون في حالة تكون فيها طاقته ضئيلة. يحدث تقسيم المغناطيس الحديدي إلى مجالات لأن طاقة المغناطيس الحديدي تتناقص أثناء تكوين بنية المجال. تبين أن نقطة كوري هي درجة الحرارة التي يحدث عندها تدمير المجالات ، ويفقد المغناطيس الحديدي خصائصه المغناطيسية.
تم إثبات وجود بنية المجال للمغناطيسات الحديدية بشكل تجريبي. طريقة تجريبية مباشرة لملاحظتهم هي طريقة المسحوق. إذا تم وضع معلق مائي لمسحوق مغناطيسي ناعم (على سبيل المثال ، مغناطيس) على سطح مصقول بعناية لمغناطيس حديدي ، فإن الجسيمات تستقر بشكل أساسي في أماكن ذات أقصى تجانس في المجال المغناطيسي ، أي على الحدود بين المجالات. لذلك ، يحدد المسحوق المستقر حدود المجالات ، ويمكن تصوير صورة مماثلة تحت المجهر.
| |
| |
|
 |
- مغنطة المغناطيس بأكمله في حالة تشبع
|
نظرًا لأن أي نظام ، كما هو معروف ، يميل إلى الحد الأدنى من الطاقة ، تحدث عملية تغيير حدود المجالات ، حيث يزداد حجم المجالات ذات الطاقة المنخفضة ، وينخفض مع ارتفاع الطاقة (الشكل 9 ، ب). في حالة الحقول الضعيفة للغاية ، تكون هذه التحولات الحدودية قابلة للانعكاس وتتبع عن كثب التغييرات في المجال (إذا تم إيقاف تشغيل الحقل ، فستكون المغنطة صفراً مرة أخرى). تتوافق هذه العملية مع جزء من المنحنى B (H) (الشكل 10). مع زيادة المجال ، تصبح عمليات النزوح في حدود المجال لا رجعة فيها.
مع الحجم الكافي للمجال الممغنط ، تختفي المجالات غير المواتية بقوة (الشكل 9 ، ج ، قسم من الشكل 7). إذا زاد المجال أكثر من ذلك ، فإن اللحظات المغناطيسية للنطاقات تقلب المجال ، بحيث تتحول العينة بأكملها إلى مجال كبير واحد (الشكل 9 د ، قسم من الشكل 10).
تسمح العديد من الخصائص القيمة والمثيرة للاهتمام للمغناطيسات الحديدية باستخدامها على نطاق واسع في مختلف مجالات العلوم والتكنولوجيا: لتصنيع نوى المحولات وأجهزة إرسال الموجات فوق الصوتية الكهربائية والميكانيكية ، كمغناطيس دائم ، إلخ. تستخدم المواد المغناطيسية الحديدية في الشؤون العسكرية: في مختلف الأجهزة الكهربائية والراديو ؛ كمصادر للموجات فوق الصوتية - في السونار والملاحة والاتصالات تحت الماء ؛ كمغناطيس دائم - عند إنشاء مناجم مغناطيسية وللاستطلاع المغناطيسي. يتيح الاستطلاع المغنطيسي اكتشاف وتحديد الأجسام التي تحتوي على مواد مغناطيسية حديدية ؛ تستخدم في نظام الألغام المضادة للغواصات والبحرية.
Kikoin A.K. اللحظة المغناطيسية الحالية // Kvant. - 1986. - رقم 3. - س 22-23.
باتفاق خاص مع هيئة التحرير ومحرري مجلة "Kvant"
من مقرر الفيزياء للصف التاسع ("الفيزياء 9" ، § 88) من المعروف أنه على موصل مستقيم الطول لمع التيار أنا، إذا تم وضعه في مجال مغناطيسي موحد مع الاستقراء \ (~ \ vec B \) ، تعمل القوة \ (~ \ vec F \) ، متساوية في المعامل
\ (~ F = BIl \ sin \ alpha \) ،
أين α - الزاوية بين اتجاه التيار وناقل الحث المغناطيسي. يتم توجيه هذه القوة بشكل عمودي على كل من المجال والتيار (وفقًا لقاعدة اليد اليسرى).
الموصل المستقيم هو جزء فقط من الدائرة الكهربائية ، لأن التيار الكهربائي مغلق دائمًا. وكيف يعمل المجال المغناطيسي على تيار مغلق ، بشكل أدق ، في دائرة مغلقة مع تيار؟
يوضح الشكل 1 كمثال كفاف على شكل إطار مستطيل مع جوانب أو ب، والتي يتدفق من خلالها التيار في الاتجاه الذي تشير إليه الأسهم أنا.
يتم وضع الإطار في مجال مغناطيسي موحد مع الاستقراء \ (~ \ vec B \) بحيث في اللحظة الأولى يقع المتجه \ (~ \ vec B \) في مستوى الإطار ويكون موازٍ لاثنين من جوانبه . بالنظر إلى كل جانب من جوانب الإطار على حدة ، نجد ذلك على الجانبين (الطول أ) هناك قوى متساوية في المعامل F = بياوإرسالها إلى الأطراف المقابلة. لا تعمل القوى على الجانبين الآخرين (بالنسبة لهم ، الخطيئة α = 0). كل من القوات Fبالنسبة إلى المحور الذي يمر عبر نقاط المنتصف للجانبين العلوي والسفلي للإطار ، يخلق لحظة قوة (عزم دوران) تساوي \ (~ \ frac (BIab) (2) \) (\ (~ \ frac (b) (2) \) - قوة الذراع). علامات اللحظات هي نفسها (كلتا القوتين تدير الإطار في نفس الاتجاه) ، وبالتالي فإن إجمالي عزم الدوران ميساوي بياب، أو ، منذ المنتج أبمساوية للمنطقة سنطاق،
\ (~ M = BIab = BIS \).
تحت تأثير هذه اللحظة ، سيبدأ الإطار في الدوران (إذا تم عرضه من الأعلى ، ثم في اتجاه عقارب الساعة) وسوف يدور حتى يصبح مستواه متعامدًا مع ناقل الحث \ (~ \ vec B \) (الشكل 2).
في هذا الموضع ، مجموع القوى ومجموع لحظات القوى يساوي الصفر ، والإطار في حالة توازن مستقر. (في الواقع ، لن يتوقف الإطار على الفور - سيتأرجح لبعض الوقت حول موضع توازنه.)
من السهل إظهار (افعل ذلك بنفسك) أنه في أي موضع وسيط ، عندما يصنع المستوى الطبيعي لمستوى الكفاف زاوية عشوائية β مع تحريض المجال المغناطيسي ، يكون عزم الدوران
\ (~ M = BIS \ الخطيئة \ بيتا \).
يمكن أن نرى من هذا التعبير أنه بالنسبة لقيمة معينة لتحريض المجال ولموقع معين للدائرة مع التيار ، فإن عزم الدوران يعتمد فقط على ناتج منطقة الدائرة سللقوة الحالية أنافيه. القيمة يكونوتسمى العزم المغناطيسي للدائرة مع التيار. أكثر دقة، يكونهو معامل متجه العزم المغناطيسي. ويتم توجيه هذا المتجه بشكل عمودي على مستوى الدائرة ، علاوة على ذلك ، بحيث إذا قمت بتدوير المخرج عقليًا في اتجاه التيار في الدائرة ، فإن اتجاه الحركة الانتقالية للمقبس سيشير إلى اتجاه لحظة جاذبة. على سبيل المثال ، يتم توجيه اللحظة المغناطيسية للدائرة الموضحة في الشكلين 1 و 2 بعيدًا عنا خارج مستوى الصفحة. تُقاس العزم المغناطيسي بوحدة A m 2.
يمكننا الآن أن نقول أنه تم إعداد دائرة ذات تيار في مجال مغناطيسي منتظم بحيث "تبدو" عزمها المغناطيسي في اتجاه المجال الذي تسبب في دورانها.
من المعروف أن الدوائر الحاملة للتيار لا تمتلك فقط القدرة على إنشاء مجال مغناطيسي خاص بها وتدور في مجال خارجي. لوحظت نفس الخصائص في قضيب ممغنط ، على سبيل المثال ، في إبرة البوصلة.
في عام 1820 ، أعرب الفيزيائي الفرنسي البارز أمبير عن فكرة أن تشابه سلوك المغناطيس والدائرة مع التيار يرجع إلى حقيقة أن هناك تيارات مغلقة في جزيئات المغناطيس. من المعروف الآن أنه في الذرات والجزيئات توجد بالفعل تيارات كهربائية صغيرة مرتبطة بحركة الإلكترونات في مداراتها حول النوى. وبسبب هذا ، فإن ذرات وجزيئات العديد من المواد ، مثل المغناطيسات ، لها لحظات مغناطيسية. يؤدي دوران هذه اللحظات في مجال مغناطيسي خارجي إلى مغنطة المواد المغناطيسية.
كما اتضح أنه شيء آخر. تحتوي جميع الجسيمات التي تتكون منها الذرة أيضًا على لحظات مغناطيسية لا ترتبط مطلقًا بأي حركة للشحنات ، أي بالتيارات. بالنسبة لهم ، فإن العزم المغناطيسي هو نفس النوعية "الفطرية" مثل الشحنة والكتلة ، إلخ. حتى الجسيم الذي لا يحتوي على شحنة كهربائية ، وهو النيوترون ، له عزم مغناطيسي. عنصرالنوى الذرية. لذلك ، فإن النوى الذرية لها أيضًا عزم مغناطيسي.
وبالتالي ، فإن اللحظة المغناطيسية هي من أهم المفاهيم في الفيزياء.