Кикоин А.К. Магнитный момент тока //Квант. - 1986. - № 3. - С. 22-23.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Из курса физики девятого класса («Физика 9», § 88) известно, что на прямолинейный проводник длиной l с током I , если он помещен в однородное магнитное поле с индукцией \(~\vec B\), действует сила \(~\vec F\), равная по модулю
\(~F = BIl \sin \alpha\) ,
где α - угол между направлением тока и вектором магнитной индукции. Направлена эта сила перпендикулярно и полю, и току (по правилу левой руки).
Прямолинейный проводник - это только часть электрической цепи, поскольку электрический ток всегда замкнут. А как магнитное поле действует на замкнутый ток, точнее - на замкнутый контур с током?
На рисунке 1 в качестве примера показан контур в форме прямоугольной рамки со сторонами a и b , по которой в указанном стрелками направлении течет ток I .
Рамка помещена в однородное магнитное поле с индукцией \(~\vec B\) так, что в начальный момент вектор \(~\vec B\) лежит в плоскости рамки и параллелен двум ее сторонам. Рассматривая каждую из сторон рамки по отдельности, мы найдем, что на боковые стороны (длиной а ) действуют силы, равные по модулю F = BIa и направленные в противоположные стороны. На две другие стороны силы не действуют (для них sin α = 0). Каждая из сил F относительно оси, проходящей через середины верхней и нижней сторон рамки, создает момент силы (вращающий момент), равный \(~\frac{BIab}{2}\) (\(~\frac{b}{2}\) - плечо силы). Знаки моментов одинаковы (обе силы поворачивают рамку в одну сторону), так что общий вращающий момент М равен BIab , или, поскольку произведение ab равно площади S рамки,
\(~M = BIab = BIS\) .
Под действием этого момента рамка начнет поворачиваться (если смотреть сверху, то по часовой стрелке) и будет поворачиваться до тех пор, пока не станет своей плоскостью перпендикулярно вектору индукции \(~\vec B\) (рис. 2).
В этом положении сумма сил и сумма моментов сил равны нулю, и рамка находится в состоянии устойчивого равновесия. (На самом деле рамка остановится не сразу - в течение некоторого времени она будет совершать колебания около своего положения равновесия.)
Нетрудно показать (сделайте это самостоятельно), что в любом промежуточном положении, когда нормаль к плоскости контура составляет произвольный угол β с индукцией магнитного поля, вращающий момент равен
\(~M = BIS \sin \beta\) .
Из этого выражения видно, что при данном значении индукции поля и при определенном положении контура с током вращающий момент зависит только от произведения площади контура S на силу тока I в нем. Величину IS и называют магнитным моментом контура с током. Говоря точнее, IS - это модуль вектора магнитного момента. А направлен этот вектор перпендикулярно плоскости контура и притом так, что если мысленно вращать буравчик в направлении тока в контуре, то направление поступательного движения буравчика укажет направление магнитного момента. Например, магнитный момент контура, показанного на рисунках 1 и 2, направлен от нас за плоскость страницы. Измеряется магнитный момент в А·м 2 .
Теперь мы можем сказать, что контур с током в однородном магнитном поле устанавливается так, чтобы его магнитный момент «смотрел» в сторону того поля, которое вызвало его поворот.
Известно, что не только контуры с током обладают свойством создавать собственное магнитное поле и поворачиваться во внешнем поле. Такие же свойства наблюдаются и у намагниченного стержня, например у стрелки компаса.
Еще в 1820 году замечательный французский физик Ампер высказал идею о том, что сходство поведения магнита и контура с током объясняется тем, что в частицах магнита существуют замкнутые токи. Теперь известно, что в атомах и молекулах действительно есть мельчайшие электрические токи, связанные с движением электронов по своим орбитам вокруг ядер. Из-за этого атомы и молекулы многих веществ, например парамагнетиков, обладают магнитными моментами. Поворот этих моментов во внешнем магнитном поле и приводит к намагничиванию парамагнитных веществ.
Выяснилось и другое. Все частицы, входящие в состав атома, обладают также магнитными моментами, вовсе не связанными с какими-либо движениями зарядов, то есть с токами. Для них магнитный момент является таким же «врожденным» качеством, как заряд, масса и т. п. Магнитным моментом обладает даже частица, не имеющая электрического заряда,- нейтрон, составная часть атомных ядер. Магнитным моментом обладают поэтому и атомные ядра.
Таким образом, магнитный момент - одно из самых важных понятий в физике.
МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ
-
физ. величина, характеризующая магн. свойства системы заряж. частиц (или отд.
частицы) и определяющая наряду с др. мультипольными моментами (дипольным электрич.
моментом, квадрупольным моментом и т. д., см. Мулътиполи
)взаимодействие
системы с внеш. эл--магн. полями и с др. подобными системами.
Согласно представлениям
классич. электродинамики, магн. поле создаётся движущимися электрич. зарядами.
Хотя совр. теория не отвергает (и даже предсказывает) существование частиц с
магн. зарядом (магнитных монополей)
, такие частицы пока экспериментально
не наблюдались и в обычном веществе отсутствуют. Поэтому элементарной характеристикой
магн. свойств оказывается именно М. м. Система, обладающая М. м.
(аксиальный вектор), на больших расстояниях от системы создаёт магн. поле
(-
радиус-вектор точки наблюдения). Аналогичный вид имеет электрич. поле диполя,
состоящего из двух близко расположенных электрич. зарядов противоположного знака.
Однако, в отличие от электрич. дипольного момента. М. м. создаётся не системой
точечных "магн. зарядов", а электрич. токами, текущими внутри системы.
Если замкнутый электрич. ток плотности
течёт в ограниченном объёме V
, то создаваемый им М. м. определяется ф-лой
В простейшем случае замкнутого
кругового тока I
, текущего вдоль плоского витка площади s,
, причём вектор М. м. направлен вдоль правой нормали к витку.
Если ток создаётся стационарным
движением точечных электрич. зарядов
с массами ,
имеющими скорости ,
то возникающий М. м., как следует из ф-лы (1), имеет вид
где подразумевается усреднение
микроскопич. величин по времени. Поскольку стоящее в правой части векторное
произведение пропорционально вектору момента кол-ва движения частицы 
(предполагается, что скорости ),
то вклады отд. частиц в М. м. и в момент кол-ва движения оказываются пропорциональными:
Коэффициент пропорциональности
е/2тс
наз. гиромагнитным отношением; эта величина характеризует универсальную
связь между магн. и механич. свойствами заряж. частиц в классич. электродинамике.
Однако движение элементарных носителей заряда в веществе (электронов) подчиняется
законам квантовой механики, вносящей коррективы в классич. картину. Помимо орбитального
механич. момента кол-ва движения L
электрон обладает внутренним механич.
моментом - спином
. Полный М. м. электрона равен сумме орбитального М. м. (2) и спинового
М. м.
Как видно из этой ф-лы
(вытекающей из релятивистского Дирака уравнения
для электрона), гиромагн.
отношение для спина оказывается ровно в два раза больше, чем для орбитального
момента. Особенностью квантового представления о магн. и механич. моментах является
также то, что векторы
не могут иметь определённого направления в пространстве вследствие некоммутативности
операторов проекции этих векторов на оси координат.
Спиновый М. м. заряж. частицы,
определяемый ф-лой (3), наз. нормальным, для электрона он равен магнетону
Бора. Опыт показывает, однако, что М. м. электрона 
отличается от (3) на величину порядка
( - постоянная
тонкой структуры). Подобная добавка, называемая аномальным магнитным моментом
, возникает вследствие взаимодействия электрона с фотонами, она описывается
в рамках квантовой электродинамики. Аномальными М. м. обладают и др. элементарные
частицы; особенно велики они для адронов, к-рые, согласно совр. представлениям,
имеют внутр. структуру. Так, аномальный М. м. протона в 2,79 раза больше "нормального"
- ядерного магнетона,
(М
- масса протона), а М. м. нейтрона равен -1,91,
т. е. существенно отличен от нуля, хотя нейтрон не обладает электрич. зарядом.
Такие большие аномальные М. м. адронов обусловлены внутр. движением входящих
в их состав заряж. кварков.
Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теория поля, 7 изд., М., 1988; Xуанг К., Кварки, лептоны и калибровочные поля, пер. с англ., М., 1985. Д. В. Гилъцов .
Магнитный момент витка с током это физическая величина, как и любой другой магнитный момент, характеризует магнитные свойства данной системы. В нашем случае систему представляет круговой виток с током. Этот ток создает магнитное поле, которое взаимодействует с внешним магнитным полем. Это может быть как поле земли, так и поле постоянного или электромагнита.
Рисунок — 1 круговой виток с током
Круговой виток с током можно представить в виде короткого магнита. Причем этот магнит будет направлен перпендикулярно плоскости витка. Расположение полюсов такого магнита определяется с помощью правила буравчика. Согласно которому северный плюс будет находиться за плоскостью витка, если ток в нем будет двигаться по часовой стрелке.
Рисунок — 2 Воображаемый полосовой магнит на оси витка
На этот магнит, то есть на наш круговой виток с током, как и на любой другой магнит, будет воздействовать внешнее магнитное поле. Если это поле будет однородным, то возникнет вращающий момент, который будет стремиться развернуть виток. Поле буде поворачивать виток так чтобы его ось расположилась вдоль поля. При этом силовые линии самого витка, как маленького магнита, должны совпасть по направлению с внешним полем.
Если же внешнее поле будет не однородным, то к вращающему моменту добавится и поступательное движение. Это движение возникнет вследствие того что участки поля с большей индукцией будут притягивать наш магнит в виде витка больше чем участки с меньшей индукцией. И виток начнет двигаться в сторону поля с большей индукцией.
Величину магнитного момента кругового витка с током можно определить по формуле.
Формула — 1 Магнитный момент витка
Где, I ток протекающий по витку
S площадь витка с током
n нормаль к плоскости в которой находится виток
Таким образом, из формулы видно, что магнитный момент витка это векторная величина. То есть кроме величины силы, то есть ее модуля он обладает еще и направлением. Данное свойство магнитный момент получил из-за того что в его состав входит вектор нормали к плоскости витка.
Для закрепления материала можно провести несложный опыт. Для этого нам понадобится круговой виток, из медной проволоки подключённый к батареи питания. При этом подводящие провода должны быть достаточно тонкими и желательно свиты между собой. Это уменьшит их влияние на опыт.
Рисунок —
Теперь подвесим виток на подводящих проводах в однородном магнитном поле, созданном скажем постоянными магнитами. Виток пока обесточен, и его плоскость располагается параллельно силовым линиям поля. При этом его ось и полюса воображаемого магнита будут перпендикулярны линиям внешнего поля.
Рисунок —
При подаче тока на виток его плоскость повернется перпендикулярно силовым линиям постоянного магнита, а ось станет им параллельна. Причем направление поворота витка будет определяться правилом буравчика. А строго говоря, направлением, в котором течет ток по витку.
Опыты Штерна и Герлаха
В $1921$ г. О. Штерн выдвинул идею опыта измерения магнитного момента атома. Данный эксперимент он выполнил в соавторстве с В. Герлахом в $1922$ г. Метод Штерна и Герлаха использует то, что пучок атомов (молекул) способен отклоняться в неоднородном магнитном поле. Атом, который имеет магнитный момент можно представить как элементарный магнит, имеющий малые, но конечные размеры. Если подобный магнит разместить в однородном магнитном поле, то он не испытывает силы. Поле будет действовать на северный и южный полюса такого магнита с силами, которые равны по модулю и противоположны по направлению. В результате, центр инерции атома будет покоиться или двигаться по прямой. (При этом ось магнита может совершать колебания или прецессировать). То есть, в однородном магнитном поле не возникает сил, которые действуют на атом и сообщают ему ускорение. Однородное магнитное поле не изменяет угол между направлениями индукции магнитного поля и магнитного момента атома.
Ситуация складывается иначе, если внешнее поле является неоднородным. В таком случае силы, которые действуют на северный и южный полюса магнита не равны. Результирующая сила, действующая на магнит отлична от нуля, и она сообщает атому ускорение, по полю или против него. Как результат, при перемещении в неоднородном поле рассматриваемый нами магнит отклонится от первоначального направления движения. При этом размер отклонения зависит от степени неоднородности поля. Для того, чтобы получить существенные отклонения поле должно резко изменяться уже в пределах длины магнита (линейные размеры атома $\approx {10}^{-8}см$). Такой неоднородности экспериментаторы добились с помощью конструкции магнита, который создавал поле. Один магнит в опыте имел вид лезвия, другой был плоским или обладал выемкой. Магнитные линии сгущались у «лезвия», так что напряженность в этой области была существенно больше, чем у плоского полюса. Тонкий пучок атомов пролетал между данными магнитами. Отдельные атомы отклонялись в созданном поле. Следы отдельных частиц наблюдались на экране.
Согласно представлениям классической физики в атомном пучке магнитные моменты имеют различные направления по отношению к некоторой оси $Z$. Что означает: проекция магнитного момента ($p_{mz}$) на данную ось принимает все значения интервала от $\left|p_m\right|$ до -$\left|p_m\right|$ (где $\left|p_{mz}\right|-$ модуль магнитного момента). На экране пучок должен получиться расширившимся. Однако, в квантовой физике, если учесть квантование, то возможными становятся не все ориентации магнитного момента, а только конечное их количество. Так, на экране след пучка атомов получался расщепленным на некоторое число отдельных следов.
Поставленные эксперименты показали, что например, пучок атомов лития расщепился на $24$ пучка. Это является обоснованным, так как основной термом $Li - 2S$ -- терм (один валентный электрон, имеющий спин $\frac{1}{2}\ $ на s --орбите, $l=0).$ По размерам расщепления можно сделать вывод о величине магнитного момента. Так Герлах получил доказательство того, что спиновый магнитный момент равен магнетону Бора. Исследования разных элементов показали полное согласование с теорией.
Штерн и Раби измерили магнитные моменты ядер, применяя данный подход.
Итак, если проекция $p_{mz}$ квантована, вместе с ней квантована средняя сила, которая действует на атом со стороны магнитного поля. Опыты Штерна и Герлаха доказали квантование проекции магнитного квантового числа на ось $Z$. Получилось, что магнитные моменты атомов направлены параллельно оси $Z$, под углом к данной оси они направлены быть не могут, так пришлось принять то, что ориентация магнитных моментов относительно магнитного поля изменяется дискретно. Данное явление было названо пространственным квантованием. Дискретность не только состояния атомов, но и ориентировок магнитных моментов атома во внешнем поле -- принципиально новое свойство перемещения атомов.
Полностью опыты были объяснены после открытия спина электрона , когда получили то, что магнитный момент атома вызван не орбитальным моментом электрона, а внутренним магнитным моментом частицы, который связан с его внутренним механическим моментом (спином).
Расчет движения магнитного момента в неоднородном поле
Пусть атом движется в неоднородном магнитном поле, его магнитный момент равен ${\overrightarrow{p}}_m$. На него действует сила:
Вцелом, атом является электрически нейтральной частицей, поэтому другие силы на него в магнитном поле не действуют. Исследуя движение атома в неоднородном поле можно измерить его магнитный момент. Допустим, что атом перемещается по оси $X$, неоднородность поля создана в направлении оси $Z$ (рис.1):
Рисунок 1.
\frac{}{}\frac{}{}
Используя условия (2) выражение (1) преобразуем к виду:
Магнитное поле симметрично относительно плоскости y=0. Можно предположить, что атом перемещается в данной плоскости, значит $B_x=0.$ Равенство $B_y=0$ нарушается только в небольших областях у краев магнита (этим нарушением пренебрегаем). Из выше сказанного следует, что:
В таком случае выражения (3) имеют вид:
Прецессия атомов в магнитном поле не влияет на $p_{mz}$. Уравнение движения атома в пространстве между магнитами запишем в виде:
где $m$ -- масса атома. Если атом проходит путь $a$ между магнитами, то он отклоняется от оси X на расстояние, равное:
где $v$ -- скорость атома по оси $X$. Уходя из пространства между магнитами атом продолжает перемещаться под неизменным по отношению к оси $X$ углом по прямой. В формуле (7) величины $\frac{\partial B_z}{\partial z}$, $a$, $v\ и\ m$ известны, измерив z можно сосчитать $p_{mz}$.
Пример 1
Задание: На сколько компонент, при проведении опыта аналогичного опыту Штерна и Герлаха, произойдёт расщепление пучка атомов, если они находятся в состоянии ${}^3{D_1}$?
Решение:
Терм расщепляется на $N=2J+1$ подуровней, если множитель Ланде $g\ne 0$, где
Для нахождения числа компонент, на которое расщепится пучок атомов, нам следует определить полное внутреннее квантовое число $(J)$, мультиплетность $(S)$, орбитальное квантовое число, сравнить множитель Ланде с нулем и если он отличен от нуля, то вычислить число подуровней.
1) Для этого рассмотрим структуру символической записи состояния атома ($3D_1$). Наш терм расшифруется следующим образом: символу $D$ соответствует орбитальное квантовое число $l=2$, $J=1$, мультиплетность $(S)$ равна $2S+1=3\to S=1$.
Вычислим $g,$ применив формулу (1.1):
Количество компонент, на которые расщепится пучок атомов, равен:
Ответ: $N=3.$
Пример 2
Задание: Почему в опыте Штерна и Герлаха по обнаружению спина электрона применяли пучок атомов водорода, которые находились в $1s$ состоянии?
Решение:
В $s-$ состоянии момент импульса электрона $(L)$ равен нулю, так как $l=0$:
Магнитный момент атома, который связан с движением электрона по орбите, пропорционален механическому моменту:
\[{\overrightarrow{p}}_m=-\frac{q_e}{2m}\overrightarrow{L}(2.2)\]
следовательно, равен нулю. Это означает, что магнитное поле не должно влиять на перемещение атомов водорода в основном состоянии, то есть расщеплять поток частиц. Но при использовании спектральных приборов было показано, что линии спектра водорода проявляют наличие тонкую структуру (дублеты) даже если магнитного поля нет. Для того, чтобы объяснить наличие тонко структуры и была выдвинута идея собственного механического момента импульса электрона в пространстве (спина).
Различные среды при рассмотрении их магнитных свойств называют магнетиками .
Все вещества в той или иной мере взаимодействуют с магнитным полем. У некоторых материалов магнитные свойства сохраняются и в отсутствие внешнего магнитного поля. Намагничивание материалов происходит за счет токов, циркулирующих внутри атомов – вращения электронов и движения их в атоме. Поэтому намагничивание вещества следует описывать при помощи реальных атомных токов, называемых амперовскими токами.
В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов вещества ориентированы обычно беспорядочно, так что создаваемые ими магнитные поля компенсируют друг друга. При наложении внешнего магнитного поля атомы стремятся сориентироваться своими магнитными моментами по направлению внешнего магнитного поля, и тогда компенсация магнитных моментов нарушается, тело приобретает магнитные свойства – намагничивается. Большинство тел намагничивается очень слабо и величина индукции магнитного поля B в таких веществах мало отличается от величины индукции магнитного поля в вакууме . Если магнитное поле слабо усиливается в веществе, то такое вещество называется парамагнетиком :
( , , , , , , Li, Na);
если ослабевает, то это диамагнетик :
(Bi, Cu, Ag, Au и др.).
Но есть вещества, обладающие сильными магнитными свойствами. Такие вещества называются ферромагнетиками :
(Fe, Co, Ni и пр.).
Эти вещества способны сохранять магнитные свойства и в отсутствие внешнего магнитного поля, представляя собой постоянные магниты.
Все тела при внесении их во внешнее магнитное поле намагничиваются в той или иной степени, т.е. создают собственное магнитное поле, которое накладывается на внешнее магнитное поле.
Магнитные свойства вещества определяются магнитными свойствами электронов и атомов.
Магнетики состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из положительных ядер и, условно говоря, вращающихся вокруг них электронов.
Электрон, движущийся по орбите в атоме эквивалентен замкнутому контуру с орбитальным током :
где е – заряд электрона, ν – частота его вращения по орбите:
Орбитальному току соответствует орбитальный магнитный момент электрона
 ,
|
(6.1.1) |
где S – площадь орбиты, – единичный вектор нормали к S , – скорость электрона. На рисунке 6.1 показано направление орбитального магнитного момента электрона.
Электрон, движущийся по орбите, имеет орбитальный момент импульса , который направлен противоположно по отношению к и связан с ним соотношением
где m – масса электрона.
Кроме того, электрон обладает собственным моментом импульса , который называется спином электрона
| , | (6.1.4) |
где 
, 
– постоянная Планка
Спину электрона соответствует спиновый магнитный момент электрона , направленный в противоположную сторону:
| , | (6.1.5) |
Величину называют гиромагнитным отношением спиновых моментов