Все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются. Для объяснения намагничивания тел французский физик Андре-Мари Ампер предположил, что в молекулах вещества циркулируют круговые токи, которые называются молекулярными токами (микротоки). Каж-дый такой ток обладает магнитным моментом и создает в окружающем пространстве магнитное поле. В отсутствие внешнего магнитного поля молекулярные токи ориентированы беспорядочным образом, вследст-вие чего обусловленное ими результирующее поле равно нулю. Под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении, вследствие чего вещество (магнетик) намагничивается − его суммар-ный магнитный момент становится отличным от нуля. Магнитные поля
| отдельных молекулярных токов в этом случае уже не компенсируют | ||
| друг друга, и возникает внутреннее магнитное поле индукцией Bi, | ко- | |
| торое накладывается на внешнее магнитное поле индукцией | B 0. | Ин- |
| дукция результирующего магнитного поля равна: | ||
| B = B i + B . | (4.1.1) | |
Природа молекулярных токов стала понятней после того, как опытами английского физика Эрнеста Резерфорда было установлено, что атомы всех веществ состоят из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.
Пусть электрон движется со скоростью υ по орбите радиуса R (рис. 4.1.1). Через площадку, расположенную в любом месте на пути электрона, за один оборот переносится заряд
| q = e, | (4.1.2) |
где e – элементарный заряд. Следовательно, движущийся по орбите электрон образует круговой ток силы
| I = | e | = en, | (4.1.3) | |
| T | ||||
где Т и n – период и частота вращения электрона соответственно.
p m I
q
O
R
υ
L 0
Рис. 4.1.1
Поскольку заряд электрона отрицательный, направление движе-ния электрона и направление тока противоположны. Магнитный мо-мент тока, создаваемого электроном, равен:
| pm = IS = en π R 2. | (4.1.4) | ||||
| Скорость движения электрона равна: | |||||
| υ = 2π nR. | (4.1.5) | ||||
| С учетом формулы (4.1.5) получается: | |||||
| pm = | e υ R | . | (4.1.6) | ||
| Момент p | |||||
| , обусловленный движением электрона по орбите, на- | |||||
| m | |||||
| зывается орбитальным магнитным моментом электрона. | |||||
| С другой стороны, движущийся по орбите электрон обладает мо- | |||||
| ментом импульса, равным: | |||||
| L 0= me υ R, | (4.1.7) |
где те – масса электрона.
Вектор момента импульса L 0 называют орбитальным моментом импульса электрона. Направления векторов pm и L 0противоположны
(рис. 4.1.1).
Отношение магнитного момента элементарной частицы к ее мо-менту импульса называется гиромагнитным отношением. Для элек-
трона орбитальное гиромагнитное отношение равно:
| pm | = − | e | , | (4.1.8) | |||
| L | 2 m | ||||||
| e | p | ||||||
| С учетом взаимного расположения (направления моментов | и | ||||||
| L 0противоположны)получаем | m | ||||||
| pm =− g орб L 0, | (4.1.9) |
где g орб = 2 m ee − орбитальное гиромагнитное соотношение.
Взаимосвязь магнитного момента и орбитального момента им-пульса лежит в основе магнитомеханических явлений, заключающих-ся в том, что вращение магнетика вызывает его намагничиванию и, наоборот, намагничивание магнетика приводит к его вращению. Су-ществование первого явления было экспериментально доказано аме-риканским физиком Сэмюэлем Барнеттом в 1909 году, второго – не-мецким физиком Альбертом Эйнштейном и голландским физиком Вандером Йоханнесем де Хаасом в 1915 году.
В основе опыта Эйнштейна и де Хааса лежат следующие сообра-жения. Если намагнитить стержень из магнетика, то магнитные мо-менты электронов установятся по направлению поля, механические моменты − против поля. В результате суммарный момент импульса электронов ∑ Li станет отличным от нуля (первоначально вследствие хаотической ориентации моментов отельных электронов он был равен нулю). Момент импульса системы «кристаллическая решетка и элек-троны» должен остаться без изменений (согласно закону сохранения момента импульса). Поэтому стержень приобретает момент импульса, равный ∑ Li и направленный противоположно суммарному моменту импульса электронов, и, следовательно, приходит во вращение.
Опыт Эйнштейна и де Хааса осуществлялся следующим образом (рис. 4.1.2). Тонкая железная проволочка подвешивалась на упругой нити и помещалась внутрь соленоида. Закручивание нити при намаг-ничивании образца постоянным магнитным полем получалось весьма малым. Для усиления эффекта был применен метод резонанса: по цепи соленоида пропускали переменный ток, частота которого под-биралась равной собственной частоте механических колебаний сис-темы. При этих условиях амплитуда колебаний достигала наиболь-ших значений, которые можно было измерить, наблюдая смещения светового зайчика, отраженного от зеркальца, укрепленного на нити. Из данных опыта было вычислено гиромагнитное отношение, кото-
рое оказалось равным − e. Таким образом, знак заряда носителей, me
создающих молекулярные токи, совпал со знаком заряда электрона. Однако полученный результат превысил ожидаемое значение гиро-магнитного отношения в два раза.
∼
Рис. 4.1.2
С. Барнетт приводил железный стержень в очень быстрое враще-ние вокруг его оси и измерял возникающее при этом намагничивание. Из результатов этого опыта С. Барнетт также получил для гиромаг-нитного отношения величину, в два раза большую.
В дальнейшем выяснилось, что, кроме орбитального момента им-
пульса, электрон обладает собственным моментом импульса LS или
спином. Первоначально предполагалось,что он образуется вследствиевращения электрона вокруг собственной оси. В соответствии с этим соб-ственный механический момент электрона получил название спин (от английского to spin − вращаться). Однако в дальнейшем выяснилось, что спин является первичной характеристикой электрона, которую нельзя свести к более простым понятиям (как, например, масса и заряд).
Собственный магнитный момент электрона pS связан со спином
| спиновым гиромагнитным соотношением: | |
| pS = − gS LS, | (4.1.10) |
где gS = e 
me −спиновое гиромагнитное соотношение.
Спиновое гиромагнитное соотношение совпадает со значением, полученным в опытах Эйнштейна и де Хааса, а также Барнетта. От-сюда следует, что магнитные свойства железа обусловлены не орби-тальным, а собственным магнитным моментом электронов.
Спином обладают не только электроны, но и другие элементар-ные частицы. Собственным магнитным моментом обладают также яд-ра атомов (что обусловлено магнитными моментами входящих в со-став ядра элементарных частиц − протонов и нейтронов).
| J =χ H, |
Таким образом, магнитный момент атома слагается из орбиталь-ных и собственных моментов входящих в его состав электронов, а также из магнитного момента ядра.
