Магнитное поле электрического тока (стр. 2 из 4)

где I = en - сила тока, e – абсолютная величина заряда электрона, n - число оборотов электрона по орбите в единицу времени

ни, S - площадь орбиты электрона, n –

единичный вектор нормали к площади

Электрон, движущийся по орбите,

имеет орбитальный момент импульса

L_e. Орбитальный магнитный момент

Здесь m – масса электрона. Величина g называется гиромагнитным отношением орбитальных моментов.

пропорционален орбитальному моменту

Векторы p_m и L_e направлены в противоположные стороны и перпендикулярны к плоскости орбиты электрона (рисунок 1.).

Кроме названных выше величин электрон обладает собственным

моментом импульса L_es , который называется спином электрона. Абсолютная величина спина электрона равна:

Важнейшей особенностью спина электрона является наличие

только двух его проекций на направление вектора B индукции

Спину электрона L_es соответствует спиновой магнитный момент p_ms пропорциональный спину и направленный в противоположную сторону:

Величина g_s называется гиромагнитным отношением спиновых моментов:

Проекция спинового магнитного момента электрона p_msB на направление магнитного поля

Соотношения (1) – (8) справедливы для каждого из Z электронов в атоме. Число Z совпадает с порядковым номером химического элемента в периодической системе Менделеева.

В атоме, содержащем Z электронов, их орбитальные магнит-r r

ные моменты p_m и орбитальные моменты импульсаL_es складываются векторно. В результате каждый атом может быть охарактеризован орбитальным магнитным моментом P_m и орбитальным

Орбитальным магнитным моментом P_m атома называется векторная сумма орбитальныхr магнитных моментов p_m всех его электронов:

Орбитальным моментом импульса L атома называется век

моментом импульса L.

торная сумма орбитальных моментов импульса L_e всех Z электронов

Атомные моменты P_m и L связаны соотношением:

где g – гиромагнитное отношение (3).

Все вещества, с которыми нам приходится иметь дело, состоят из атомов. Поведение вещества в целом под воздействием каких-либо физических факторов будет определяться взаимодействием составляющих его частиц, то есть, атомов с этим физическим фактором. Рассмотрим поведение атома, имеющего Z электронов, в магнитном поле.

3.2 Атом в магнитном поле

Если вещество находится во внешнем магнитном поле, то в пределах атома можно считать магнитное поле однородным. Это следует из малости линейных размеров атома. Предположим, что электрон в атоме движется по круговой орбите, плоскость которой перпендикулярна к вектору индукции B магнитного поля. Действие на электрон силы Лоренца F_Лприведет к уменьшению силы притяжения электрона к ядру. Центростремительная сила окажется равной разности F_e - F_Л , где F_e - кулоновская сила притяжения электрона к ядру (рис. 2.). В результате изменится угловая скорость w движение электрона по круговой орбите. Она станет отличной от той, которую электрон имел в отсутствии внешнего магнитного поля.

Если внешнее магнитное поле переменное, то изменение угловой скорости движения электрона происходит в процессе нарастания магнитного поля, в которое вносится атом. Нарастание магнитного поля, действующего на атом, происходит за конечное время.

При этом возникает индукционное вихревое электрическое поле

действующее на электрон в атоме. Напряженность E этого

поля направлена по касательной к орбите электрона, а сила действующая на электрон, равна F = eE.

При произвольном расположении орбиты электрона относительно вектора B, орбитальный магнитный момент p_m электрона (1) составляет угол a с направлением магнитного поля (рисунок 3.). В этом случае орбита прецессирует вокруг направления вектора B. Это означает, что вектор p_m, перпендикулярный к плоскости орбиты, сохраняя неизменный угол a наклона к полю,

вращается вокруг направления B с угловой скоростью w_L :

Это вращение вектора p_m вокруг направления B при неизменном угле a называется ларморовской прецессией. Величина w_L называется угловой скоростью ларморовской прецессии.

Влияние магнитного поля на орбиту электрона отражено в теореме Лармора: единственным результатом влияния магнитного поля на орбиту электрона в атоме является прецессия орбиты и r вектора p_m с угловой скоростью w_L вокруг оси, проходящей через ядро атома и параллельной векторуBиндукции магнитного поля.

Прецессионное движение орбиты приводит к появлению дополнительного орбитального тока DI_орб (рисунок 3) и соответствующего ему наведенного орбитального магнитного момента

Dp_m, модуль которого равен:

где S_^ - площадь проекции орбиты электрона на плоскость,

перпендикулярную к направлению B. Вектор p_m направлен

противоположно вектору магнитной индукцииB:

Общий, наведенный внешним магнитным полем, орбитальный

магнитный момент DP_m атома

где Z – число электронов в

атоме, средняя площадь проекции орбит электронов в атоме на плоскость, перпендикулярную к направлению вектора B.

Таким образом, электронные орбиты атома под действием внешнего магнитного поля совершают прецессионное движение, которое эквивалентно круговому току. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, у атома появляется составляющая магнитного поля, направленная противоположно внешнему полю, наведенные составляющие магнитных полей атомов (молекул) складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Этот эффект получил название диамагнитного эффекта. Вещества, у которых магнитные моменты атомов (или молекул) в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю и намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля называются диамагнетиками.

В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку в данном случае магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный момент атома равен нулю. Диамагнетиками являются многие металлы (Bi, Ag, Au, Cu), большинство органических соединений, смолы, углерод и т.д.

Наряду с диамагнитными веществами существуют и такие вещества, у которых в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (или молекулы) в отсутствии внешнего магнитного поля всегда обладают некоторым постоянным магнитным моментом P_m. Однако вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно. Поэтому такие вещества магнитными свойствами не обладают. Их называют парамагнетиками.