Магнитомеханические явления

До сих пор мы рассматривали магнитное поле в вакууме. Если проводники с током находятся не в вакууме, а в другой среде, то магнитное поле изменяется.

Различные вещества в магнитном поле намагничиваются, т.е. сами становятся источником магнитного поля. Результирующее магнитное поле в среде является векторной суммой полей, создаваемых проводниками с током и намагниченной средой, и поэтому не равно полю в вакууме. Вещества, способные намагничиваться, называются магнетиками.

Причина намагничивания заключается в том, что во всех веществах существуют мельчайшие электрические токи – молекулярные токи. В пределах каждого атома эти токи ориентированы хаотично. Если вблизи какого-то тела поместить проводник с током (макроток), то под действием его магнитного поля микротоки во всех атомах определенным образом ориентируются, создавая в теле дополнительное магнитное поле. Вектор магнитной индукции характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками, т.е. при одном и том же токе и при прочих равных условиях вектор в различных средах будет иметь разные значения.

Чтобы разобраться в магнитных свойствах сред и их влиянии на магнитную индукцию, необходимо рассмотреть действие магнитного поля на атомы и молекулы вещества.

Пусть электрон движется со скоростью в атоме по круговой орбите радиусом . Электрон, движущийся по одной из таких орбит, эквивалентен круговому току, поэтому он обладает орбитальным магнитным моментом [см. формулу (1.2)], модуль которого:

, (2.1)

где – сила тока; – частота вращения электрона по орбите; – площадь орбиты.

Учитывая, что , получаем:

.

Направление вектора образует с направлением тока правовинтовую, а с направлением движения электрона левовинтовую систему (см. рис. 2.1).

Движущийся по орбите электрон обладает моментом импульса

, (2.2)

где – масса электрона.

Вектор называют орбитальным механическим моментом электрона. Он образует с направлением движения электрона правовинтовую систему. Следовательно, направления векторов и противоположны. Учитывая формулы (2.1) и (2.2), получаем:

,

где – гиромагнитное отношение орбитальных моментов.

Вследствие вращения вокруг ядра электрон оказывается подобным волчку. Это обстоятельство лежит в основе так называемых магнитомеханических явлений, заключающихся в том, что намагничивание магнетика приводит к его вращению, и наоборот, вращение магнетика вызывает его намагничивание.

Экспериментально было доказано, что кроме орбитальных моментов (2.1) и (2.2) электрон обладает собственным механическим моментом импульса , называемым спином. Считается, что спин является неотъемлемым свойством электрона, подобно его заряду и массе.

Спином обладают не только электроны, но и другие элементарные частицы. Спин элементарных частиц оказывается целым или полуцелым кратным величины , где – постоянная Планка.

Спину электрона соответствует собственный (спиновый) магнитный момент , пропорциональный и направленный в противоположную сторону:

,

где – гиромагнитное отношение спиновых моментов.

Проекция собственного магнитного момента на направление вектора может принимать только одно из двух значений:

,

где – магнетон Бора, являющийся единицей магнитного момента электрона.

Общий момент атома равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых), входящих в атом электронов:

.