Irgendwelche Substanzen. Die Quelle der Magnetismusbildung sind nach der klassischen elektromagnetischen Theorie Mikroströme, die durch die Bewegung eines Elektrons in der Umlaufbahn entstehen. Magnetisches Moment- dies ist ausnahmslos eine unverzichtbare Eigenschaft aller Atomkerne, atomaren Elektronenhüllen und Moleküle.
Magnetismus, der allen Elementarteilchen innewohnt, ist auf das Vorhandensein eines mechanischen Moments in ihnen zurückzuführen, das als Spin bezeichnet wird (sein eigenes mechanisches Moment der Quantennatur). Die magnetischen Eigenschaften des Atomkerns setzen sich aus den Spinimpulsen der Kernbestandteile - Protonen und Neutronen - zusammen. Elektronische Hüllen (intraatomare Umlaufbahnen) haben ebenfalls ein magnetisches Moment, das die Summe der magnetischen Momente der darauf befindlichen Elektronen ist.
Mit anderen Worten, die magnetischen Momente von Elementarteilchen sind auf den intraatomaren quantenmechanischen Effekt zurückzuführen, der als Spinimpuls bekannt ist. Dieser Effekt ähnelt dem Drehimpuls der Drehung um seine eigene Mittelachse. Der Spinimpuls wird in der Planckschen Konstante gemessen, der fundamentalen Konstante der Quantentheorie.
Alle Neutronen, Elektronen und Protonen, aus denen das Atom tatsächlich besteht, haben laut Planck einen Spin von ½. Im Aufbau eines Atoms haben Elektronen, die um den Kern rotieren, zusätzlich zum Spinimpuls auch einen Bahndrehimpuls. Der Kern hat, obwohl er eine statische Position einnimmt, auch einen Drehimpuls, der durch die Wirkung des Kernspins erzeugt wird.
Das Magnetfeld, das ein magnetisches Moment eines Atoms erzeugt, wird durch die verschiedenen Formen dieses Drehimpulses bestimmt. Den auffälligsten Beitrag zur Kreation leistet der Spin-Effekt. Nach dem Pauli-Prinzip, nach dem sich zwei identische Elektronen nicht gleichzeitig im gleichen Quantenzustand befinden können, verschmelzen gebundene Elektronen, während ihre Spinmomente diametral entgegengesetzte Projektionen erhalten. In diesem Fall wird das magnetische Moment des Elektrons verringert, was die magnetischen Eigenschaften der gesamten Struktur verringert. Bei einigen Elementen mit einer geraden Anzahl von Elektronen sinkt dieses Moment auf Null, und die Substanzen haben keine magnetischen Eigenschaften mehr. Somit hat das magnetische Moment einzelner Elementarteilchen direkten Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften des gesamten nuklear-atomaren Systems.
Ferromagnetische Elemente mit einer ungeraden Anzahl von Elektronen haben aufgrund des ungepaarten Elektrons immer einen Magnetismus ungleich Null. In solchen Elementen überlappen sich benachbarte Orbitale, und alle Spinmomente ungepaarter Elektronen nehmen im Raum die gleiche Orientierung ein, was zum Erreichen des niedrigsten Energiezustands führt. Dieser Vorgang wird Austauschinteraktion genannt.
Bei dieser Ausrichtung der magnetischen Momente ferromagnetischer Atome entsteht ein Magnetfeld. Und paramagnetische Elemente, bestehend aus Atomen mit desorientierten magnetischen Momenten, haben kein eigenes Magnetfeld. Wenn Sie jedoch mit einer externen Magnetismusquelle auf sie einwirken, gleichen sich die magnetischen Momente der Atome aus, und diese Elemente erhalten ebenfalls magnetische Eigenschaften.
; Ruhestrom gilt als elementare Quelle des Magnetismus). Elementarteilchen, Atomkerne, Elektronenhüllen von Atomen und Molekülen haben magnetische Eigenschaften. Das magnetische Moment von Elementarteilchen (Elektronen, Protonen, Neutronen und andere) ist, wie die Quantenmechanik gezeigt hat, auf die Existenz ihres eigenen mechanischen Moments - des Spins - zurückzuführen.
| Magnetisches Moment | |
|---|---|
| m → = ICH S n → (\displaystyle (\vec (m))=IS(\vec (n))) | |
| Abmessungen | L 2 I |
| Einheiten | |
| SI | ⋅ 2 |
| Anmerkungen | |
| Anzahl der Vektoren | |
Das magnetische Moment wird in ⋅ 2 oder in Wb*m oder J/T (SI) oder erg/G (CGS) gemessen, 1 erg/G = 10 −3 J/T. Die spezifische Einheit des elementaren magnetischen Moments ist das Bohr-Magneton.
Formeln zur Berechnung des magnetischen Moments
Bei einem flachen Stromkreis mit elektrischem Strom berechnet sich das magnetische Moment zu
m = ich S. n (\displaystyle \mathbf (m) =IST\mathbf (n) ),Wo ich (\displaystyle ich)- Strom im Stromkreis, S (\displaystyle S)- Konturbereich, n (\displaystyle \mathbf (n))- Einheitsvektor der Normalen zur Ebene der Kontur. Die Richtung des magnetischen Moments wird normalerweise nach der Gimlet-Regel ermittelt: Wenn Sie den Gimlet-Griff in Stromrichtung drehen, fällt die Richtung des magnetischen Moments mit der Richtung der Translationsbewegung des Gimlets zusammen.
Für eine beliebige geschlossene Schleife ergibt sich das magnetische Moment aus:
m = ich 2 ∮ [ r , d l ] (\displaystyle \mathbf (m) =(ich \über 2)\oint [\mathbf (r) ,d\mathbf (l) ]),Wo r (\displaystyle \mathbf (r))- Radiusvektor, gezeichnet vom Ursprung zum Konturlängenelement d l (\displaystyle d\mathbf (l) ).
Im allgemeinen Fall einer beliebigen Stromverteilung im Medium:
m = 1 2 ∫ V [ r , j ] d V (\displaystyle \mathbf (m) =(1 \over 2)\int \limits _(V)[\mathbf (r) ,\mathbf (j) ]dV ),Wo j (\displaystyle \mathbf (j)) -
38. Magnetisches Moment. Auf das magnetische Moment und seine Energie in einem Magnetfeld wirkende Kräfte.
Das magnetische Moment von Elementarteilchen (Elektronen, Protonen, Neutronen und andere), wie die Quantenmechanik zeigt, beruht auf der Existenz ihres eigenen mechanischen Moments - dem Spin.
Das magnetische Moment wird in A⋅m 2 oder J/T (SI) gemessen.
Im Fall eines flachen Stromkreises mit elektrischem Strom wird das magnetische Moment berechnet als , wobei ICH- Strom im Stromkreis, S- Konturbereich, - Einheitsvektor der Normalen zur Konturebene. Die Richtung des magnetischen Moments wird normalerweise nach der Gimlet-Regel ermittelt: Wenn Sie den Gimlet-Griff in Stromrichtung drehen, fällt die Richtung des magnetischen Moments mit der Richtung der Translationsbewegung des Gimlets zusammen.
Für eine beliebige geschlossene Schleife ergibt sich das magnetische Moment aus:
wo ist der Radiusvektor, der vom Ursprung zum Konturlängenelement gezogen wird
Im allgemeinen Fall einer beliebigen Stromverteilung im Medium:
,
wo ist die Stromdichte im Volumenelement dV.
orbital magnetisch Moment(siehe (109.2)) P m = ISTN, dessen Modul (131,1)
Wo ICH= e - aktuell, - die Rotationsfrequenz des Elektrons in der Umlaufbahn, S - Umlaufbahnbereich. Wenn sich das Elektron im Uhrzeigersinn bewegt, ist der Strom gegen den Uhrzeigersinn und der Vektor gerichtet R m (nach der rechten Schraubenregel) ist senkrecht zur Ebene der Elektronenbahn gerichtet.
Somit ist das gesamte magnetische Moment eines Atoms (Moleküls) P a ist gleich der Vektorsumme der magnetischen Momente (Orbital und Spin) der in das Atom (Molekül) eintretenden Elektronen:
39. Arbeiten Sie daran, einen Leiter und einen stromdurchflossenen Stromkreis in einem Magnetfeld zu bewegen.
Die Kraft, deren Richtung durch die Linke-Hand-Regel bestimmt wird, und der Wert - durch das Ampère-Gesetz (siehe (111.2)) - ist gleich
Unter der Wirkung dieser Kraft bewegt sich der Leiter auf dem Segment d parallel zu sich selbst X Aus der Position 1 in Position 2. Die vom Magnetfeld verrichtete Arbeit ist gleich l D X= D S - die Fläche, die ein Leiter durchquert, wenn er sich in einem Magnetfeld bewegt, B D S= dФ - Fluss des magnetischen Induktionsvektors, der diesen Bereich durchdringt. Auf diese Weise,
d.h. die Bewegungsarbeit eines stromdurchflossenen Leiters in einem Magnetfeld ist gleich dem Produkt aus Stromstärke und magnetischer Fluss, von einem beweglichen Leiter gekreuzt. Die resultierende Formel gilt auch für eine beliebige Richtung des Vektors IN.
die von den Ampere-Kräften verrichtete Arbeit bei einer endlichen willkürlichen Verschiebung des Stromkreises in einem Magnetfeld: (121.6) d.h. die Arbeit einen geschlossenen Stromkreis in einem Magnetfeld zu bewegen ist gleich dem Produkt der Stromstärke im Schaltung durch Änderung des an den Stromkreis gekoppelten magnetischen Flusses. Formel (121.6) bleibt gültig für eine beliebig geformte Kontur in einem beliebigen Magnetfeld.
40. Bewegung geladener Teilchen in einem elektrischen und magnetischen Feld Hall-Effekt.
Um allgemeine Muster abzuleiten, nehmen wir an, dass das Magnetfeld gleichmäßig und Partikel werden durch elektrische Felder nicht beeinflusst. Bewegt sich ein geladenes Teilchen in einem Magnetfeld mit einer Geschwindigkeit v entlang der Linien der magnetischen Induktion, dann der Winkel zwischen Vektoren v Und IN ist 0 oder . Das Teilchen bewegt sich in einem Kreis, Radius R die sich aus der Bedingung ergibt QvB= mv 2 / R woher (115.1)
Teilchenrotationsperiode, d.h. Zeit T, für die es eine vollständige Umdrehung macht,
Wenn wir hier den Ausdruck (115.1) einsetzen, erhalten wir (115.2)
d.h. die Rotationsdauer eines Teilchens in einem homogenen Magnetfeld wird nur durch den Kehrwert der spezifischen Ladung ( Q/ M) Teilchen und die magnetische Induktion des Feldes, hängt aber nicht von seiner Geschwindigkeit (at v<< C). Darauf basiert die Wirkung zyklischer geladener Teilchenbeschleuniger.
Wenn die Geschwindigkeit v geladenes Teilchen ist schräg gerichtet zum Vektor IN. Helixsteigung
Setzen wir den letzten Ausdruck (115.2) ein, erhalten wir
Die Richtung, in die sich die Spirale dreht, hängt vom Vorzeichen der Ladung des Teilchens ab.
Hall-Effekt(1879) ist ein Vorkommen in einem Metall (oder Halbleiter) mit Stromdichte J in ein Magnetfeld gebracht IN, elektrisches Feld in der Richtung senkrecht zu IN Und J.
Wo A - Plattenbreite, - transversale (Hall) Potentialdifferenz.
In Anbetracht dessen, dass die aktuelle ICH= jS= nevS (S - Querschnittsfläche der Plattendicke D, P - Elektronenkonzentration, v - die mittlere Geschwindigkeit der geordneten Elektronenbewegung), erhalten wir
R= 1/ (en) - Halle konstant Substanz abhängig. Gemäß dem gemessenen Wert der Hall-Konstante kann man: 1) die Konzentration von Stromträgern im Leiter bestimmen (bei bekannter Art der Leitfähigkeit und Ladung der Träger); 2) die Natur der Leitfähigkeit von Halbleitern zu beurteilen (s. § 242, 243), da das Vorzeichen der Hall-Konstante mit dem Vorzeichen der Ladung zusammenfällt e aktuelle Träger. Der Hall-Effekt ist daher die effektivste Methode, um das Energiespektrum von Stromträgern in Metallen und Halbleitern zu untersuchen.
Erfahrungsgemäß sind alle Stoffe magnetisch, d.h. unter Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes sind sie in der Lage, ihr eigenes, inneres Magnetfeld zu erzeugen (ihr eigenes magnetisches Moment zu erhalten, magnetisiert zu werden).
Um die Magnetisierung von Körpern zu erklären, schlug Ampère vor, dass in den Molekülen von Substanzen kreisförmige molekulare Ströme zirkulieren. Jeder dieser Mikroströme I i hat sein eigenes magnetisches Moment und erzeugt ein Magnetfeld im umgebenden Raum (Abb. 1). In Abwesenheit eines äußeren Feldes sind die Molekularströme und die damit verbundenen Ströme zufällig orientiert, sodass das resultierende Feld innerhalb der Substanz und das Gesamtmoment der gesamten Substanz gleich Null sind. Wenn eine Substanz in ein externes Magnetfeld gebracht wird, orientieren sich die magnetischen Momente der Moleküle überwiegend in einer Richtung, das gesamte magnetische Moment wird von Null verschieden und der Magnet wird magnetisiert. Die Magnetfelder einzelner Molekülströme kompensieren sich nicht mehr, und im Inneren des Magneten entsteht ein eigenes inneres Feld.
Betrachten wir die Ursache dieses Phänomens vom Standpunkt der Atomstruktur auf der Grundlage des planetarischen Modells des Atoms. Nach Rutherford befindet sich im Zentrum des Atoms ein positiv geladener Kern, um den sich negativ geladene Elektronen auf stationären Bahnen drehen. Ein Elektron, das sich auf einer Kreisbahn um den Kern bewegt, kann als Kreisstrom (Mikrostrom) betrachtet werden. Da die Bewegungsrichtung positiver Ladungen bedingt als Stromrichtung angenommen wird und die Ladung des Elektrons negativ ist, ist die Richtung des Mikrostroms der Bewegungsrichtung des Elektrons entgegengesetzt (Abb. 2).
Der Wert des Mikrostroms I e kann wie folgt bestimmt werden. Wenn das Elektron während der Zeit t N Umdrehungen um den Kern gemacht hat, dann wurde eine Ladung durch die Plattform übertragen, die sich irgendwo auf der Bahn des Elektrons befindet - die Ladung des Elektrons).
Nach der Definition der Stromstärke,
wo ist die Rotationsfrequenz der Elektronen.
Wenn der Strom I in einem geschlossenen Stromkreis fließt, hat ein solcher Stromkreis ein magnetisches Moment, dessen Modul gleich ist
Wo S- der durch die Kontur begrenzte Bereich.
Für Mikrostrom ist dieser Bereich der Bereich der Umlaufbahn S = p r 2
(r ist der Radius der Umlaufbahn) und sein magnetisches Moment ist
wobei w = 2pn die zyklische Frequenz ist, ist die lineare Geschwindigkeit des Elektrons.
Das Moment ist auf die Bewegung des Elektrons in der Umlaufbahn zurückzuführen, daher wird es als magnetisches Umlaufmoment des Elektrons bezeichnet.
Das magnetische Moment p m , das ein Elektron aufgrund seiner Bahnbewegung hat, wird als magnetisches Bahnmoment des Elektrons bezeichnet.
Die Richtung des Vektors bildet mit der Richtung des Mikrostroms ein rechtshändiges System.
Wie jeder materielle Punkt, der sich auf einer Kreisbahn bewegt, hat ein Elektron einen Drehimpuls:
Der Drehimpuls L, den ein Elektron infolge seiner Bahnbewegung hat, wird Bahnmechanischer Impuls genannt. Es bildet ein rechtshändiges System mit der Bewegungsrichtung der Elektronen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Richtungen der Vektoren und entgegengesetzt.
Es stellte sich heraus, dass das Elektron zusätzlich zu den Bahnmomenten (dh aufgrund der Bahnbewegung) seine eigenen mechanischen und magnetischen Momente hat.
Anfangs versuchten sie die Existenz zu erklären, indem sie das Elektron als eine Kugel betrachteten, die sich um ihre eigene Achse drehte, weshalb der eigene mechanische Drehimpuls des Elektrons Spin genannt wurde (von engl. spin – rotieren). Später stellte sich heraus, dass eine solche Darstellung zu einer Reihe von Widersprüchen führt, und die Hypothese eines "rotierenden" Elektrons wurde aufgegeben.
Es wurde nun festgestellt, dass der Elektronenspin und das damit verbundene eigene (Spin-)magnetische Moment eine integrale Eigenschaft des Elektrons sind, wie seine Ladung und Masse.
Das magnetische Moment eines Elektrons in einem Atom ist die Summe aus Bahn- und Spinmoment:
Das magnetische Moment eines Atoms setzt sich aus den magnetischen Momenten seiner konstituierenden Elektronen zusammen (das magnetische Moment des Kerns wird wegen seiner Kleinheit vernachlässigt):
.
Magnetisierung von Materie.
Atom in einem Magnetfeld. Dia- und paramagnetische Effekte.
Betrachten wir den Wirkungsmechanismus eines äußeren Magnetfeldes auf Elektronen, die sich in einem Atom bewegen, d.h. zu Mikroströmen.
Wie Sie wissen, entsteht ein Drehmoment, wenn ein stromdurchflossener Stromkreis in ein Magnetfeld mit Induktion gebracht wird
unter dessen Einfluss die Kontur so ausgerichtet ist, dass die Ebene der Kontur senkrecht steht und das magnetische Moment in Richtung des Vektors verläuft (Abb. 3).
Elektronenmikrostrom verhält sich ähnlich. Die Orientierung des orbitalen Mikrostroms in einem Magnetfeld ist jedoch nicht genau dieselbe wie die eines stromdurchflossenen Kreises. Tatsache ist, dass ein Elektron, das sich um den Kern bewegt und einen Drehimpuls hat, wie ein Kreisel ist, daher weist es alle Merkmale des Verhaltens von Kreiseln unter Einwirkung äußerer Kräfte auf, insbesondere den Kreiseleffekt. Wenn daher ein Atom in ein Magnetfeld gebracht wird, beginnt ein Drehmoment auf den orbitalen Mikrostrom zu wirken, das dazu neigt, das orbitale magnetische Moment des Elektrons entlang der Richtung des Feldes zu etablieren, es gibt eine Präzession der Vektoren um das Richtung des Vektors (aufgrund des Kreiseleffekts). Die Frequenz dieser Präzession
genannt Larmor Frequenz und ist für alle Elektronen in einem Atom gleich.
Wenn also eine Substanz in ein Magnetfeld gebracht wird, erzeugt jedes Elektron des Atoms aufgrund der Präzession seiner Umlaufbahn um die Richtung des äußeren Felds ein zusätzliches induziertes Magnetfeld, das gegen das äußere gerichtet ist und es schwächt. Da die induzierten magnetischen Momente aller Elektronen gleich gerichtet sind (entgegen dem Vektor), ist auch das gesamte induzierte Moment des Atoms gegen das äußere Feld gerichtet.
Das Phänomen des Auftretens eines induzierten Magnetfelds in Magneten (verursacht durch die Präzession von Elektronenbahnen in einem externen Magnetfeld), das entgegengesetzt zum externen Feld gerichtet ist und dieses schwächt, wird als diamagnetischer Effekt bezeichnet. Diamagnetismus ist allen Naturstoffen inhärent.
Der diamagnetische Effekt führt bei Magneten zu einer Abschwächung des äußeren Magnetfeldes.
Es kann jedoch auch ein anderer Effekt auftreten, der als paramagnetisch bezeichnet wird. In Abwesenheit eines Magnetfelds sind die magnetischen Momente von Atomen aufgrund thermischer Bewegung zufällig ausgerichtet, und das resultierende magnetische Moment der Substanz ist Null (Abb. 4a).
Wenn eine solche Substanz mit Induktion in ein gleichförmiges Magnetfeld eingeführt wird, neigt das Feld dazu, die magnetischen Momente von Atomen entlang zu etablieren, sodass die Vektoren der magnetischen Momente von Atomen (Molekülen) um die Richtung des Vektors präzedieren. Thermische Bewegung und gegenseitige Kollisionen von Atomen führen zu einer allmählichen Dämpfung der Präzession und einer Abnahme der Winkel zwischen den Richtungen der Vektoren magnetischer Momente und dem Vektor Die kombinierte Wirkung des Magnetfelds und der thermischen Bewegung führt zur vorherrschenden Ausrichtung von die magnetischen Momente der Atome entlang des Feldes
(Abb.4, b), je größer, desto mehr und je kleiner, desto höher die Temperatur. Als Ergebnis wird das gesamte magnetische Moment aller Atome der Substanz von Null verschieden, die Substanz wird magnetisiert und ihr eigenes internes Magnetfeld entsteht in ihr, das mit dem externen Feld gleich gerichtet ist und es verstärkt.
Das Phänomen des Auftretens eines eigenen Magnetfelds in Magneten, das durch die Ausrichtung der magnetischen Momente von Atomen entlang der Richtung des äußeren Felds und dessen Verstärkung verursacht wird, wird als paramagnetischer Effekt bezeichnet.
Der paramagnetische Effekt führt bei Magneten zu einer Erhöhung des äußeren Magnetfeldes.
Wenn eine Substanz in ein externes Magnetfeld gebracht wird, wird sie magnetisiert, d.h. aufgrund des dia- oder paramagnetischen Effekts ein magnetisches Moment erwirbt, entsteht in der Substanz selbst ein eigenes internes Magnetfeld (Feld der Mikroströme) mit Induktion.
Zur quantitativen Beschreibung der Magnetisierung eines Stoffes wird der Begriff der Magnetisierung eingeführt.
Die Magnetisierung eines Magneten ist eine vektorielle physikalische Größe, die dem gesamten magnetischen Moment pro Volumeneinheit des Magneten entspricht:
In SI wird die Magnetisierung in A/m gemessen.
Die Magnetisierung hängt von den magnetischen Eigenschaften des Stoffes, der Größe des äußeren Feldes und der Temperatur ab. Offensichtlich ist die Magnetisierung eines Magneten mit Induktion verbunden.
Wie die Erfahrung zeigt, ist die Magnetisierung bei den meisten Substanzen und bei nicht sehr starken Feldern direkt proportional zur Stärke des externen Feldes, das die Magnetisierung verursacht:
wobei c die magnetische Suszeptibilität der Substanz ist, eine dimensionslose Größe.
Je größer der Wert von c, desto stärker magnetisiert ist die Substanz bei einem gegebenen externen Feld.
Das lässt sich belegen
Das Magnetfeld in einer Substanz ist die Vektorsumme zweier Felder: eines externen Magnetfelds und eines internen oder intrinsischen Magnetfelds, das durch Mikroströme erzeugt wird. Der magnetische Induktionsvektor eines Magnetfeldes in einem Stoff charakterisiert das resultierende Magnetfeld und ist gleich der geometrischen Summe der magnetischen Induktionen des äußeren und inneren Magnetfeldes:
Die relative magnetische Permeabilität eines Stoffes gibt an, wie oft sich die Magnetfeldinduktion in einem gegebenen Stoff ändert.
Was genau mit dem Magnetfeld in dieser bestimmten Substanz passiert – ob es verstärkt oder abgeschwächt wird – hängt von der Größe des magnetischen Moments des Atoms (oder Moleküls) dieser Substanz ab.
Dia- und Paramagnete. Ferromagnete.
Magnete bezeichnet man Stoffe, die in der Lage sind, in einem äußeren Magnetfeld magnetische Eigenschaften anzunehmen - magnetisiert zu werden, also zu magnetisieren. ein eigenes inneres Magnetfeld erzeugen.
Wie bereits erwähnt, sind alle Substanzen magnetisch, da ihr eigenes inneres Magnetfeld durch die Vektorsummierung von Mikrofeldern bestimmt wird, die von jedem Elektron jedes Atoms erzeugt werden:
Die magnetischen Eigenschaften eines Stoffes werden durch die magnetischen Eigenschaften der Elektronen und Atome des jeweiligen Stoffes bestimmt. Magnete werden nach ihren magnetischen Eigenschaften in Diamagnete, Paramagnete, Ferromagnete, Antiferromagnete und Ferrite eingeteilt. Betrachten wir diese Substanzklassen der Reihe nach.
Wir fanden heraus, dass zwei Effekte auftreten können, wenn eine Substanz in ein Magnetfeld gebracht wird:
1. Paramagnetisch, was aufgrund der Ausrichtung der magnetischen Momente von Atomen entlang der Richtung des äußeren Feldes zu einer Erhöhung des Magnetfeldes im Magneten führt.
2. Diamagnetisch, was zu einer Schwächung des Feldes aufgrund der Präzession der Elektronenbahnen in einem externen Feld führt.
Wie lässt sich feststellen, welcher dieser Effekte auftritt (oder beide gleichzeitig), welcher davon stärker ausfällt, was letztendlich mit dem Magnetfeld in einer bestimmten Substanz passiert – nimmt es zu oder ab?
Wie wir bereits wissen, werden die magnetischen Eigenschaften einer Substanz durch die magnetischen Momente ihrer Atome bestimmt, und das magnetische Moment eines Atoms setzt sich aus den orbitalen und intrinsischen magnetischen Spinmomenten der Elektronen zusammen, die in seiner Zusammensetzung enthalten sind:
.
Für Atome einiger Substanzen ist die Vektorsumme der magnetischen Orbital- und Spinmomente von Elektronen gleich Null, d.h. Das magnetische Moment des gesamten Atoms ist 0. Wenn solche Substanzen in ein Magnetfeld gebracht werden, kann der paramagnetische Effekt natürlich nicht entstehen, da er nur aufgrund der Ausrichtung der magnetischen Momente von Atomen in einem Magnetfeld entsteht, aber hier sind sie nicht.
Aber die Präzession von Elektronenbahnen in einem äußeren Feld, die den diamagnetischen Effekt verursacht, tritt immer auf, so dass der diamagnetische Effekt in allen Substanzen auftritt, wenn sie in ein Magnetfeld gebracht werden.
Wenn also das magnetische Moment eines Atoms (Moleküls) einer Substanz gleich Null ist (aufgrund der gegenseitigen Kompensation der magnetischen Momente von Elektronen), tritt nur ein diamagnetischer Effekt auf, wenn eine solche Substanz in ein Magnetfeld gebracht wird drin. Dabei wird das eigene Magnetfeld des Magneten dem äußeren Feld entgegengerichtet und schwächt dieses ab. Solche Substanzen werden Diamagnete genannt.
Substanzen werden als Diamagnete bezeichnet, bei denen in Abwesenheit eines äußeren Magnetfelds die magnetischen Momente von Atomen gleich Null sind.
Diamagnete in einem äußeren Magnetfeld werden entgegen der Richtung des äußeren Feldes magnetisiert und schwächen dieses daher
B = B 0 - B¢, m< 1.
Die Feldschwächung in einem Diamagneten ist sehr unbedeutend. Zum Beispiel für einen der stärksten Diamagneten, Wismut, m » 0,99998.
Viele Metalle (Silber, Gold, Kupfer), die meisten organischen Verbindungen, Harze, Kohlenstoff usw. sind Diamagnete.
Wenn in Abwesenheit eines äußeren Magnetfelds das magnetische Moment der Atome einer Substanz ungleich Null ist und eine solche Substanz in ein Magnetfeld gebracht wird, treten darin sowohl diamagnetische als auch paramagnetische Effekte auf, der diamagnetische Effekt jedoch immer viel schwächer als der paramagnetische und ist vor seinem Hintergrund praktisch unsichtbar. Das eigene Magnetfeld des Magneten wird mit dem externen Feld ausgerichtet und verstärkt es. Solche Substanzen werden Paramagnete genannt. Paramagnete sind Substanzen, in denen in Abwesenheit eines äußeren Magnetfelds die magnetischen Momente von Atomen ungleich Null sind.
Paramagnete in einem äußeren Magnetfeld werden in Richtung des äußeren Feldes magnetisiert und verstärken dieses. Für Sie
B = B 0 + B¢, m > 1.
Die magnetische Permeabilität für die meisten Paramagnete ist etwas größer als Eins.
Zu den Paramagneten gehören Seltenerdelemente, Platin, Aluminium usw.
Wenn der diamagnetische Effekt, B = B 0 -B¢, m< 1.
Wenn dia- und paramagnetische Effekte, B = B 0 + B¢, m > 1.
Ferromagnete.
Alle Dia- und Paramagnete sind sehr schwach magnetisierbare Substanzen, ihre magnetische Permeabilität liegt nahe bei Eins und hängt nicht von der Stärke des Magnetfeldes H ab. Neben Dia- und Paramagneten gibt es Substanzen, die stark magnetisiert werden können. Sie werden Ferromagnete genannt.
Ferromagnete oder ferromagnetische Materialien haben ihren Namen vom lateinischen Namen des Hauptvertreters dieser Substanzen - Eisen (Ferrum). Ferromagnete umfassen neben Eisen Kobalt, Nickel, Gadolinium, viele Legierungen und Chemische Komponenten. Ferromagnete sind sehr stark magnetisierbare Substanzen, bei denen das innere (intrinsische) Magnetfeld hundert- und tausendmal größer sein kann als das äußere Magnetfeld, das es verursacht hat.
Eigenschaften von Ferromagneten
1. Die Fähigkeit, stark magnetisiert zu werden.
Der Wert der relativen magnetischen Permeabilität m erreicht bei einigen Ferromagneten einen Wert von 10 6 .
2. magnetische Sättigung.
Auf Abb. Abbildung 5 zeigt die experimentelle Abhängigkeit der Magnetisierung von der Stärke des äußeren Magnetfeldes. Wie aus der Figur ersichtlich, bleibt ab einem bestimmten Wert von H der Zahlenwert der Magnetisierung von Ferromagneten praktisch konstant und gleich J sat. Dieses Phänomen wurde vom russischen Wissenschaftler A.G. Stoletov und magnetische Sättigung genannt.
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3. Nichtlineare Abhängigkeiten B(H) und m(H).
Mit zunehmender Spannung nimmt die Induktion zunächst zu, aber mit zunehmender Magnetisierung des Magneten verlangsamt sich ihr Anstieg und wächst bei starken Feldern nach einem linearen Gesetz mit einem Anstieg (Abb. 6).
Aufgrund der nichtlinearen Abhängigkeit B(H),
diese. die magnetische Permeabilität m hängt in komplexer Weise von der magnetischen Feldstärke ab (Abb. 7). Zunächst steigt m mit zunehmender Feldstärke vom Anfangswert bis zu einem bestimmten Maximalwert an, nimmt dann ab und strebt asymptotisch gegen Eins.
4. Magnetische Hysterese.
Andere Unterscheidungsmerkmal Ferromagnete ist ihr
die Fähigkeit, die Magnetisierung nach dem Entfernen des Magnetisierungsfelds aufrechtzuerhalten. Ändert sich die Stärke des äußeren Magnetfeldes von Null zu positiven Werten, steigt die Induktion (Abb. 8, Schnitt
Beim Absinken auf Null hinkt die magnetische Induktion dem Absinken hinterher und erweist sich bei einem Wert gleich Null als gleich (Restinduktion), d.h. Wenn das externe Feld entfernt wird, bleibt der Ferromagnet magnetisiert und ist ein Permanentmagnet. Zur vollständigen Entmagnetisierung der Probe muss ein Magnetfeld der entgegengesetzten Richtung angelegt werden - . Die Stärke des Magnetfelds, 
die auf einen Ferromagneten zu dessen vollständiger Entmagnetisierung aufgebracht werden muss, heißt Zwangskraft.
Das Phänomen einer Änderung der magnetischen Induktion in einem Ferromagneten, die einer Änderung der Intensität eines äußeren Magnetisierungsfeldes nacheilt, das in Größe und Richtung variabel ist, wird als magnetische Hysterese bezeichnet.
In diesem Fall wird die Abhängigkeit von einer als Schleife bezeichneten Kurve dargestellt Hystereseschleifen, in Abb. 8 gezeigt.
Je nach Form der Hystereseschleife unterscheidet man hartmagnetische und weichmagnetische Ferromagnete. Harte Ferromagnete sind Stoffe mit großer Restmagnetisierung und großer Koerzitivfeldstärke, d.h. mit breiter Hystereseschleife. Sie werden zur Herstellung von Permanentmagneten (Kohlenstoff, Wolfram, Chrom, Aluminium-Nickel und andere Stähle) verwendet.
Weiche Ferromagnete sind Stoffe mit geringer Koerzitivfeldstärke, die sich sehr leicht ummagnetisieren lassen, mit schmaler Hystereseschleife. (Um diese Eigenschaften zu erreichen, wurde speziell das sogenannte Trafoeisen entwickelt, eine Legierung aus Eisen mit einer geringen Beimischung von Silizium). Der Anwendungsbereich ist die Herstellung von Transformatorkernen; dazu gehören Weicheisen, Eisen-Nickel-Legierungen (Permalloy, Supermalloy).
5. Das Vorhandensein der Curie-Temperatur (Punkt).
Curie-Punkt- Dies ist die Temperaturcharakteristik eines bestimmten Ferromagneten, bei der die ferromagnetischen Eigenschaften vollständig verschwinden.
Wenn die Probe über den Curie-Punkt erhitzt wird, verwandelt sich der Ferromagnet in einen gewöhnlichen Paramagneten. Beim Abkühlen unter den Curie-Punkt erhält es seine ferromagnetischen Eigenschaften zurück. Für verschiedene Substanzen diese Temperatur ist unterschiedlich (für Fe - 770 0 C, für Ni - 260 0 C).
6. Magnetostriktion- das Phänomen der Verformung von Ferromagneten während der Magnetisierung. Die Größe und das Vorzeichen der Magnetostriktion hängen von der Intensität des Magnetisierungsfeldes und der Art des Ferromagneten ab. Dieses Phänomen wird häufig für den Bau leistungsstarker Ultraschallsender verwendet, die in Sonar, Unterwasserkommunikation, Navigation usw. verwendet werden.
Bei Ferromagneten wird auch das gegenteilige Phänomen beobachtet - eine Änderung der Magnetisierung während der Verformung. Legierungen mit signifikanter Magnetostriktion werden in Instrumenten verwendet, die zum Messen von Druck und Dehnung verwendet werden.
Die Natur des Ferromagnetismus
Die beschreibende Theorie des Ferromagnetismus wurde 1907 vom französischen Physiker P. Weiss vorgeschlagen, und eine konsistente quantitative Theorie auf der Grundlage der Quantenmechanik wurde vom sowjetischen Physiker J. Frenkel und dem deutschen Physiker W. Heisenberg (1928) entwickelt.
Entsprechend moderne Ideen, werden die magnetischen Eigenschaften von Ferromagneten durch die Spin-Magnetmomente (Spins) von Elektronen bestimmt; Ferromagnete können nur kristalline Substanzen sein, in deren Atomen sich unvollendetes Inneres befindet Elektronenhüllen mit unkompensierten Spins. Dabei treten Kräfte auf, die die magnetischen Spinmomente der Elektronen dazu zwingen, sich parallel zueinander auszurichten. Diese Kräfte werden Austauschwechselwirkungskräfte genannt, sie sind Quantennatur und beruhen auf den Welleneigenschaften von Elektronen.
Unter der Einwirkung dieser Kräfte in Abwesenheit eines äußeren Feldes bricht der Ferromagnet ein große Nummer mikroskopische Bereiche - Domänen, deren Größe etwa 10 -2 - 10 -4 cm beträgt. Innerhalb jeder Domäne sind die Elektronenspins parallel zueinander orientiert, so dass die gesamte Domäne bis zur Sättigung magnetisiert ist, aber die Magnetisierungsrichtungen in einzelnen Domänen unterschiedlich sind, sodass das gesamte (gesamte) magnetische Moment des gesamten Ferromagneten Null ist. Wie Sie wissen, neigt jedes System dazu, sich in einem Zustand zu befinden, in dem seine Energie minimal ist. Die Aufteilung eines Ferromagneten in Domänen erfolgt, weil die Energie des Ferromagneten während der Bildung einer Domänenstruktur abnimmt. Der Curie-Punkt stellt sich als die Temperatur heraus, bei der es zur Zerstörung von Domänen kommt und der Ferromagnet seine ferromagnetischen Eigenschaften verliert.
Die Existenz der Domänenstruktur von Ferromagneten wurde experimentell nachgewiesen. Eine direkte experimentelle Methode zu ihrer Beobachtung ist die Methode der Pulverfiguren. Wird auf eine sorgfältig polierte Oberfläche eines Ferromagneten eine wässrige Suspension eines feinen ferromagnetischen Pulvers (z. an den Grenzen zwischen Domänen. Daher umreißt das abgesetzte Pulver die Grenzen der Domänen, und ein ähnliches Bild kann unter einem Mikroskop fotografiert werden.
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- die Magnetisierung des gesamten Magneten im Sättigungszustand
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Da bekanntlich jedes System zu einem Energieminimum tendiert, kommt es zu einem Prozess der Verschiebung der Domänengrenzen, bei dem das Volumen von Domänen mit niedrigerer Energie zunimmt und mit höherer Energie abnimmt (Abb. 9, b). Bei sehr schwachen Feldern sind diese Grenzverschiebungen reversibel und folgen eng den Feldänderungen (wird das Feld abgeschaltet, ist die Magnetisierung wieder Null). Dieser Vorgang entspricht einem Abschnitt der Kurve B(H) (Fig. 10). Mit zunehmendem Feld werden die Verschiebungen der Domänengrenzen irreversibel.
Bei ausreichender Größe des Magnetisierungsfeldes verschwinden energetisch ungünstige Domänen (Abb. 9, c, Ausschnitt aus Abb. 7). Steigt das Feld noch weiter an, drehen die magnetischen Momente der Domänen das Feld um, so dass die gesamte Probe zu einer großen Domäne wird (Abb. 9d, Ausschnitt aus Abb. 10).
Zahlreiche interessante und wertvolle Eigenschaften von Ferromagneten ermöglichen eine breite Anwendung in verschiedenen Bereichen von Wissenschaft und Technik: zur Herstellung von Transformatorkernen und elektromechanischen Ultraschallstrahlern, als Dauermagnete etc. Ferromagnetische Materialien werden in militärischen Angelegenheiten verwendet: in verschiedenen Elektro- und Funkgeräten; als Ultraschallquellen - in Sonar, Navigation, Unterwasserkommunikation; als Dauermagnete - beim Erstellen von Magnetminen und zur magnetometrischen Aufklärung. Die magnetometrische Aufklärung ermöglicht das Auffinden und Identifizieren von Objekten, die ferromagnetische Materialien enthalten; Wird im Anti-U-Boot- und Marineminensystem verwendet.
Kikoin A.K. Magnetisches Moment des Stroms // Kvant. - 1986. - Nr. 3. - S. 22-23.
Nach besonderer Vereinbarung mit der Redaktion und den Herausgebern der Zeitschrift "Kvant"
Aus dem Physikkurs der neunten Klasse ("Physik 9", § 88) ist bekannt, dass auf einem geradlinigen Leiter der Länge l mit Strom ICH, wenn es in ein homogenes Magnetfeld mit Induktion \(~\vec B\) gebracht wird, wirkt eine Kraft \(~\vec F\) mit gleichem Betrag
\(~F = BIl \sin \alpha\) ,
Wo α - der Winkel zwischen der Stromrichtung und dem Vektor der magnetischen Induktion. Diese Kraft ist sowohl zum Feld als auch zum Strom senkrecht gerichtet (nach der Regel der linken Hand).
Ein gerader Leiter ist nur ein Teil eines Stromkreises, da der elektrische Strom immer geschlossen ist. Und wie wirkt ein Magnetfeld auf einen geschlossenen Strom, genauer gesagt auf einen geschlossenen Stromkreis?
Figur 1 zeigt als Beispiel eine Kontur in Form eines rechteckigen Rahmens mit Seiten A Und B, durch die der Strom in Pfeilrichtung fließt ICH.
Der Rahmen wird in ein homogenes Magnetfeld mit Induktion \(~\vec B\) gebracht, so dass im Anfangsmoment der Vektor \(~\vec B\) in der Ebene des Rahmens liegt und parallel zu zwei seiner Seiten ist . Wenn wir jede der Seiten des Rahmens separat betrachten, finden wir, dass an den Seiten (der Länge A) gibt es Kräfte mit gleichem Modul F = BIa und zugeschickt gegenüberliegende Seiten. Auf den anderen beiden Seiten wirken keine Kräfte (für sie Sünde α = 0). Jede der Kräfte F relativ zur Achse, die durch die Mittelpunkte der Ober- und Unterseite des Rahmens verläuft, erzeugt ein Kraftmoment (Drehmoment) gleich \(~\frac(BIab)(2)\) (\(~\frac(b) (2)\) - Armstärke). Die Vorzeichen der Momente sind gleich (beide Kräfte drehen den Rahmen in die gleiche Richtung), also das Gesamtmoment M gleich BIab, oder, da das Produkt ab gleich Fläche S Rahmen,
\(~M = BIab = BIS\) .
Unter der Wirkung dieses Moments beginnt sich der Rahmen zu drehen (von oben gesehen dann im Uhrzeigersinn) und dreht sich, bis er zu seiner Ebene senkrecht zum Induktionsvektor \(~\vec B\) wird (Abb. 2).
In dieser Position sind die Summe der Kräfte und die Summe der Kräftemomente gleich Null, und der Rahmen befindet sich in einem stabilen Gleichgewichtszustand. (Tatsächlich stoppt der Rahmen nicht sofort - er schwingt einige Zeit um seine Gleichgewichtsposition.)
Es ist leicht zu zeigen (selber machen), dass an jeder Zwischenposition, wenn die Normale zur Ebene der Kontur einen beliebigen Winkel bildet β bei Magnetfeldinduktion ist das Drehmoment
\(~M = BIS \sin \beta\) .
Aus diesem Ausdruck ist ersichtlich, dass bei einem gegebenen Wert der Feldinduktion und bei einer bestimmten Position des Stromkreises das Drehmoment nur vom Produkt der Stromkreisfläche abhängt S für Stromstärke ICH in ihm. der Wert IST und wird das magnetische Moment des Stromkreises genannt. Etwas präziser, IST ist der Modul des magnetischen Momentvektors. Und dieser Vektor ist senkrecht zur Ebene des Stromkreises gerichtet, und außerdem, wenn Sie den Gimlet gedanklich in Richtung des Stroms im Stromkreis drehen, zeigt die Richtung der Translationsbewegung des Gimlets die Richtung des an magnetisches Moment. Beispielsweise ist das magnetische Moment des in den Abbildungen 1 und 2 gezeigten Schaltkreises von uns weg über die Blattebene hinaus gerichtet. Das magnetische Moment wird in Am 2 gemessen.
Nun können wir sagen, dass ein Stromkreis in einem homogenen Magnetfeld so aufgebaut ist, dass sein magnetisches Moment in die Richtung des Feldes „schaut“, das ihn zum Drehen gebracht hat.
Es ist bekannt, dass nicht nur stromdurchflossene Schaltkreise die Fähigkeit besitzen, ein eigenes Magnetfeld zu erzeugen und sich in einem äußeren Feld zu drehen. Die gleichen Eigenschaften werden in einem magnetisierten Stab beobachtet, beispielsweise in einer Kompassnadel.
Bereits 1820 äußerte der bemerkenswerte französische Physiker Ampere die Idee, dass die Ähnlichkeit des Verhaltens eines Magneten und eines Stromkreises darauf zurückzuführen ist, dass in den Teilchen eines Magneten geschlossene Ströme fließen. Es ist jetzt bekannt, dass es in Atomen und Molekülen wirklich winzige elektrische Ströme gibt, die mit der Bewegung von Elektronen auf ihren Bahnen um Kerne verbunden sind. Aus diesem Grund haben die Atome und Moleküle vieler Substanzen, wie z. B. Paramagnete, magnetische Momente. Die Drehung dieser Momente in einem äußeren Magnetfeld führt zur Magnetisierung paramagnetischer Substanzen.
Es stellte sich auch noch etwas anderes heraus. Alle Teilchen, aus denen das Atom besteht, haben auch magnetische Momente, die überhaupt nicht mit Ladungsbewegungen, dh mit Strömen, verbunden sind. Für sie ist das magnetische Moment dieselbe „angeborene“ Eigenschaft wie Ladung, Masse usw. Auch ein Teilchen ohne elektrische Ladung, das Neutron, hat ein magnetisches Moment. Komponente Atomkerne. Daher haben auch Atomkerne ein magnetisches Moment.
Somit ist das magnetische Moment einer der wichtigsten Begriffe in der Physik.