С.Г. Калашников - Электричество (1115533), страница 54
Текст из файла (страница 54)
внутренних сил, и поэтому должен соблюдаться закон сохранения момента импульса. Это значит, что намагничиваемое тело должно приобрести момент импульса — Ь, т.е. прийти во вращение вокруг оси, параллельной вектору намагниченности 1. Возникновение вращения при намагничивании получило название магнитометаиического явления. Оно совершенно подобно известному опыту в механике со скамьей Жуковского. если человек, сидящий на вращающейся скамье, поворачивает раскрученный маховик, то скамья с экспериментатором ви!едствие сохранения момента импульса системы приходит во вращение. Магннтомеханическое явление было впер!'нс 184 Схема вые наблюдено на опыте Эйнштейном и Гаадення магннтоыеха- зом в 1915 г. В этих опытах небольшой железннческого явления ный цилиндрик был подвешен на тончайшей нити и помещен внутри соленоида (рис.
184). При намагничивании цилиндра он начинал поворачиваться, причем направление вращения изменялось при изменении направления магнитного поля. Поворот цилиндра отмечался при помощи небольшого зеркальца, скрепленного с цилиндром. Возникающие при этом угловые скорости весьма малы. Так, например, для железного цилиндра диаметром несколько миллиметров в поле напряженности 104 А/м угловая скорость имеет порядок только 10 з рад,!с. Поэтому, чтобы усилить наблюдаемый эффект, Эйнштейн и Гааз использовали явление механического резонанса: частоту я крутильных колебаний цилиндра делали равной частоте переменного тока. Наряду с магнитомеханическим явлением существует и ему обратное явление.
механическое вращение зала вызывает намагничивание этого тела. О Известно, что если вращающийся вокчок заставить участвовать в дополнителысол! вращении вокрут некоторой оси (выиужденная прецеггия), то на волчок Рнс 188 Вынужденная начинает действовать пара сил, стре- прецессия волчка мящаяся уменьшить угол между осью волчка и осью вынужденной прецессии и установить волчок таким образом, чтобы обе эти оси были параллельны (рис.
185). 1 117 мАГнитный и мехАнический момен'1 ы элек'1 вонА 259 Так как атомы обладают определенным моментом импульса, то при вращении тела они., подобно волчку, будут ориентироваться, а, следовательно, тело намагнитнтся. Намагничивание при вращении (метаномагнитное явление) действительно наблюдается на опыте и было впервые обнаружено Барнеттом. В этих опытах небольшой железный цилиндр приводился в быстрое вращение вокруг своей оси и затем измерялось намагничивание, вызванное вращением. За количественную меру наблюдаемого эффекта обычно принимают напряженность внешнего магнитного поля Н, вызывающего то же намагничивание, что и вращение (эквивалентное поле). Это эквивалентное поле оказывается весьма малым.
Так. например, даже при скорости вращения в б000 об/мин оно равно приблизительно 10 ~ Л/м, т.е. примерно в тысячу раз мсныпе магнитного поля Земли. Механомагнитное явление (так же как и магнитомеханическое) доказывает, что молекулярные токи, обусловливающие намагничивание, обладают механическим моментом Далее., определяя И Я знак возникающего намагничивания, можно установить и знак заряда движущихся частиц. Так, например, если частицы имеют отрицательный 5 А1 заряд, то магнитный и механический моменты каждого элементарного тока направлены противоположно (8 115), и поэтому магнитный момент тела и направление эквивалентного поля будут также противоположны угловой <9 6 зо скорости вращения (рис. 18бв).
Если же заряд частиц поло1кнтальный, то Рис 186 МеханомвгнигМЕГНИГПЫИ МСМЕНт ТЕЛа И УГЛОВАЯ нее явле е скорость вращения должны быть направлены одинаково (рис. 186 б). Опыты показывают, что возникающее намагничивание соответствует отрицательному заряду частиц, и поэтому мсха~омагнитное явление, так же как и магнитомехапическое, подтверждает предположение о том, что намагничивание тел обусловлено движущимися электронами. 8 117. Магнитный и механический моменты электрона Детальное исследование магнитомеханнчсского н механомагнитного явлений показало, однако, что вопрос о природе элементарных токов более сложен.
чем казалось вначале. 260 МАГНЕТИКИ ГЛ Х! Оба эти явления зависят от величины гиромагнитного отношения Г. Поэтому по данным опыта можно определить гиромагнитное отношение и сравнить его с теоретически ожидаемым значением для электронной орбиты (115.1). Первые же опыты в этом направлении показали, что экспериментальное значение Г в ферромагнетиках не согласуется с (Г15.1) и оказывается приблизительно в два раза ббльшим. Последующие многочисленные определения гнромагнитного отношения подтвердили этот результат.
Аномальное значение гиромагнитного отношения привело к заключению, что внутри атома, помимо орбитального движения электрона, имеется и другой тип движения, приводящий к возникновению магнитного и механического моментов. Поэтому было сделано предположение, что самому электрону, как таковому, присущи и магнитный, и механический моменты, причем их отношение для электрона Г, равно Г, = — е/т. (117.1) Впоследствии это предположение полностью подтвердилось.
Таким образом, электрон по своим магнитным и механическим свойствам оказывается гюдобным заряженному телу, вращающемуся вокруг своей оси. Поэтому вначале возникло представление о «вращающемся электроне», и в физической литературе появился термин спин электрона, обозначающий собственный механический момент количества движения электрона.
Следует, однако, отметить, что, хотя термин спин электрона широко применяется и в настоящее время, с ним уже не связывают представление о механическом вращении электрона Развитие современной квантовой физики атома показало, что перенесение образов макроскопической механики в область атомного мира невозможно. В настоящее время мы рассматриваем электрон как одну из элементарных частиц, которая характеризуется своим зарядом, массой, магнитным и механическим моментами. Магнитный и механический моменты электрона проявляются не только в магнитных свойствах вещества, но и в других многочисленных явлениях и, в частности, в особенностях оптических спектров Поэтому существование этих свойств у электрона в настоящее время установлено с большой надежностью.
Совокупность всех имеющихся опытных данных, в согласии с выводами квантовой механики, приводит к следующим результатам. Направление собственного механического момента электрона 1„(спина) квантуется. А именно., проекция спина на выделенное направление (например, на направление магнитного поля) 1еи может принимать только два различных значения: 1еН=~22 .
(117.2) Здесь 6 — универсальная постоянная квантовой теории — по- 1 118 Овъяснение ИАРА- и диАмАгнетизмА (117.4) $118. Объяснение пара- и диамагнетизма Выяснив основные магнитные свойства атомов, мы можем перейти к объяснению магнитных свойств вещества. Парамагнитные свойства вещества объясняются наличием у атомов определенного магнитного момента, В отсутствие магнитного поля магнитные моменты атомов в парамагнетике вследствие теплового движения ориентированы совершенно беспорядочно (рис.
187 а). Поэтому магнитный момент тела, равный векторной сумме моментов отдельных атомов, близок к нулю, а, следовательно, тело не намагничено стоянная Планка, равная 0,82 10 — 84 Д .с = 0,02. 10 27 эрг.с. Поэтому кваитуется и направление собственного магнитного момента электрона р, Кго проекция на направление магнитного поля реп (где индекс т для краткости мы опускаем), согласно формулам (117.1) и (117.2), равна Реуу )еНГе = ~ (117.3) и может иметь тоже только два значения. Величина ей ггв=4 получила название А1агнепюна Бора.
Она равна /эв = 9.,27 10 24 А мэ = 9,27 10 21 СГС„„. Таким образом, проекция собственно~о магнитного момента электрона на направление магнитного поля может равняться только одному магнетону Вора +/эв или — /эв. Понятие магнетона было введено Бором задолго до открытия спина электронов в элементарной квантовой теории, в которой рассматривается движезше электронов в атоме по определенным круговым или эллиптическил~ орбитам вокруг положительного ядра При этом момент ил~пульса электрона 1 иа орбите квантуегся, те может принимать только дискретные значения 1 = пй/2я, где А постоянная Планка, а и = 1,2, 3, Наименьший возможный механический момент есть Ь/2я, и ему, согласно формуле (115 1), соответствует наименьший магнитный момент орбиты (е/2т)6/2я = Ае/(4яш) А это и есть мы нотон Бора Пв Таким образом, магнетон Бора есть наименьшее возможное значение магнитного момента, которое можно назвать атомом магнитно~о момента Квантовая механика отказывается от представления об электронных орбитах.
Однако величина магнетона Бора (117 4) в ней сохраняется как наименьшее изменение проекции магнитного момента на направление магнитного поля Мы видим, что магнетизм атомов обусловлен двумя причинами вопервых, движением электронов в атоме и, во-вторых, магнетизмом самих электронов, которые являются источниками магнитного поля независимо от их движения внутри атома 262 >л. х> магнитики Во внешнем магнитном поле на каждый атом действует пара сил, стремящаяся установить магнитные моменты атомов параллельно полю. В результате этого внутри парамвгнетика возникает упорядоченное расположение атомов и намагниченность становится не равной нулю (рис.
187 б). При этом направление намагниченности 1 (от южного полюса к се- верному) оказывается параллельным направлению индукции В, что характерно для парамагнетиков. и б Чем выше температура парамагнетика, тем сильнее Рис. 187. Объяснение парамагнетизма тепловое движение атомов и, следовательно,тем слабее их ориентировка в данном поле, т.е. тем слабее намагничивание. Этим объясняется уменьшение магнитной восприимчивости пв; рамагнетиков при нагревании. Из сказанного видно, что об ьяспение парамагнетизма в точности совпадает с объяснением поляризации диэлектриков с полярными молекулами (8 48) и единственное различие заключается лишь в том, что для диэлектрической поляризации существен электрический момент атомов, а для намагничивания-- их магнитный момент.
Отметим, что исторически теория пара- магнетизма была развита Ланжевеном раньше, нежели теория диэлектриков, и лишь затем представления этой теории были перенесены Дебаем на диэлектрики. Остановимся подробнее на некоторых результатах теории парамагнетизма. Пусть р„,д есть среднее значение проекции магнитного момента атома р„, на направление внешнего магнитного поля. Тогда, рассуждая так же, как при выводе формулы (48.1) Добавление 2), для случая слабой ориентировки атомов получим 2 р=~ = '„"' ИоН'. 3'нТ Здесь Н' — напряженность поля, действующего на атом, Т— термодинамическая температура, й — постоянная Вольцмана.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
