Материал: Справочное пособие по магнитным явлениям

этого порождают собственное магнитное поле. Такое магнитное поле, обусловленное спином, имеет тороидальную форму, как показано на рис. 3.1.

Магнетоны часто называют магнитными диполями, так как их тороидальное магнитное поле имеет определенную направлен­ ность в пространстве и сходно по форме с электростатическим полем, окружающим электрический диполь. Однако между этими двумя типами полей имеется принципиальное различие. Элект­ рический диполь образуется по крайней мере из двух частиц противоположных полярностей, тогда как магнетон представляет собой одну частицу. Далее, электрические силовые линии на­ чинаются на частице одной полярности и оканчиваются либо на частице противоположной полярности, либо в бесконечности. Магнитные же силовые линии непрерывны — хотя они имеют направление, у них нет ни начала, ни конца.

Нам представляется, что использование термина «магнетон» вместо «магнитный диполь» подчеркивает как происхождение, так 'и особые свойства рассматриваемых «микроминиатюрных магнитов». Кроме того, данный термин используется в дальней­ шем весьма часто и в различных контекстах, где употребле­ ние термина «магнитный диполь» было бы неудобным и неуме­ стным.

Для описания единичного магнитного момента частиц атом­ ных размеров используется понятие магнетона Бора. При этом обычно имеют в виду электронный магнетон Бора, хотя иногда рассматривается и ядерный магнетон Бора.

Один из фундаментальных физических законов утверждает, что электроны (а также протоны, атомные ядра и другие частицы) вращаются с характерной постоянной угловой ско­ ростью, т. е. электрон всегда имеет определенный электрический заряд, определенную массу и определенную скорость собствен­ ного вращения. Эти характеристики ни в коей мере не зависят от условий окружающей среды, в которой находится электрон.

Электроны со спином имеют значительно большие магнит­ ные моменты, чем ядра со спином. Это объясняется тем, что из-за очень малой массы электрон вращается со значительно большей скоростью, чем любое ядро.

2.14. МАГНИТОДВИЖУЩАЯ СИЛА

Способность соленоида создавать магнитный поток, «теку­ щий» по магнитной цепи, зависит как от числа витков прово­ локи, так и от тока, текущего в них. Оба фактора приводят к возникновению магнитодвижущей силы, или сокращенно МДС. Постоянные магниты могут создавать аналогичную магнито­ движущую силу.

Магнитодвижущая сила заставляет магнитный поток течь в

магнитной цепи точно так же, как электродвижущая сила (ЭДС) обеспечивает течение электрического тока в электриче­ ской цепи. Магнитные цепи в некотором отношении аналогичны, электрическим цепям, хотя в электрических цепях происходит реальное движение заряженных частиц, а в магнитных цепях такого движения нет.

Действие электродвижущей силы, порождающей электриче­ ский ток, описывается законом Ома. Для магнитных явлений аналогом закона Ома служит закон Босанквета, определяющий поток в магнитной цепи при заданных значениях магнитодви­

сопротивление магнитной цепи, противодействующее магнитодви­ жущей силе, или магнитное сопротивление.

Напряженность магнитного поля — это магнитодвижущая си­ ла, приходящаяся на единицу длины соответствующей магнитной цепи. Магнитная индукция, или плотность потока, равна маг­ нитному потоку, проходящему через единичную площадь данной магнитной цепи.

Термин «напряженность поля» иногда порождает в литера­ туре путаницу, поскольку в одних случаях его используют при­ менительно к величине Н (силе, создающей поток), в других случаях — применительно к величине В (создаваемому потоку). В количественном выражении это два различных параметра. Путаница между ними несколько напоминает путаницу между напряжением и током в электрической цепи, имеющей сопро­ тивление 1 Ом.

2.15. МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Магнитное сопротивление — это характеристика конкретной магнитной цепи, определяющая ее способность проводить маг­ нитный поток в ответ на действие магнитодвижущей силы.

Электрическое сопротивление Ома прямо пропорционально длине пути потока электронов, обратно пропорционально пло­ щади поперечного сечения этого потока и также обратно пропор­ ционально удельной электрической проводимости — характери­ стике, описывающей электрические свойства вещества, из кото­ рого состоит токонесущая область пространства.

Магнитное сопротивление прямо пропорционально длине пути магнитного потока, обратно пропорционально площади по­ перечного сечения этого потока и также обратно пропорциональ­ но магнитной проницаемости — характеристике, описывающей магнитные свойства вещества, из которого состоит область про­ странства, несущая магнитный поток.

Магнитное сопротивление определяется следующим выра­

где Ь — длина пути магнитного потока; А — площадь попереч­ ного сечения магнитного потока; р — магнитная проницаемость и К — константа.

2.16. МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ

Магнитная проницаемость — это характеристика вещества, которая выражает его способность поддерживать определен­ ную плотность магнитного потока:

магнитная индукция, или результирующая величина магнитного потока на единицу площади его поперечного сечения (плот­ ность магнитного потока); Ф — магнитный поток в данном ве­ ществе; А — площадь поперечного сечения магнитного потока; N — число витков соленоида; / — ток в обмотке соленоида и Ь — рассматриваемая длина пути магнитного потока.

Магнитную проницаемость вакуума обычно обозначают как Ро. Магнитный поток может существовать в вакууме, хотя для его поддержания и в этом случае требуется магнитодвижущая сила.

2.17. ТИПЫ ДВИЖУЩИХСЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Все магнитные явления можно объяснить, исходя из дви­ жения частиц, обладающих как массой, так и электрическим зарядом. К возможным типам таких частиц относятся следу­ ющие:

Электроны

1. Электрон имеет отрицательный единичный заряд и ни­ чтожно малую массу.

2.Масса всех электронов всегда остается постоянной, хотя кажущаяся масса подвержена изменениям в зависимости от условий окружающей среды.

3.Все электроны вращаются вокруг собственной оси — имеют

спин с одной и той же постоянной угловой скоростью.

Ды рки

1.Дыркой называют определенное положение в кристалли­ ческой решетке, где мог бы находиться, но в данных условиях

отсутствует электрон. Таким образом, дырка имеет положитель­ ный единичный заряд и ничтожно малую массу.

2. Как показано на рис. 17.1, движением дырки вызывается движение электрона в противоположном направлении. Следова­ тельно, дырка имеет точно такую же массу и такой же спин, как и электрон, движущийся в противоположную сторону.

Протоны

1. Протон представляет собой ион с положительным единич­ ным зарядом и единичной молекулярной массой.

2.Положительный единичный заряд протона точно совпадает по абсолютной величине с отрицательным единичным зарядом электрона, однако масса протона во много раз превышает мас­ су электрона.

3.Все протоны вращаются вокруг собственной оси (имеют спин) с одной и той же угловой скоростью, которая намного меньше, чем угловая скорость вращения электронов.

Положительные ионы

1. Положительные ионы обладают различными зарядами, значения которых являются целыми, кратными заряду протона, и различными массами, значения которых состоят из целого, кратного массе протона, и некоторой дополнительной массы субатомных частиц.

2.Только ионы с нечетным числом нуклонов обладают спином.

3.Ионы с разными массами вращаются с разными угло­ выми скоростями.

Отрицательные ионы

1. Существуют разновидности отрицательных ионов, совер­ шенно аналогичные положительным ионам, но несущие отрица­ тельный, а не положительный заряд.

Любые из указанных частиц в любых сочетаниях могут дви­ гаться по различным прямолинейным или криволинейным тра­ екториям с различными скоростями. Совокупность одинаковых частиц, движущихся более или менее единой группой, называют пучком. Каждая частица в пучке имеет массу, направление и скорость движения, близкие к соответствующим параметрам соседних частиц. Однако при более общих условиях скорости отдельных частиц пучка различаются, подчиняясь закону рас­ пределения Максвелла. Доминирующую роль для возникнове­ ния магнитных явлений при этом играют частицы, скорость которых близка к средней скорости пучка, а частицы с дру­ гими скоростями порождают эффекты второго порядка.

Если основное внимание уделяется именно скорости движе­ ния частиц, то частицы, движущиеся с высокой скоростью, на-

зывают горячими, а частицы, движущиеся с низкой скоро­ стью,— холодными. Эти определения являются относительными, т. е. не отражают каких-либо абсолютных скоростей.

2.18. МАГНИТНОЕ ЗЕРКАЛО

Движущаяся заряженная частица описывает спиральную траекторию, если ее скорость имеет компоненту, ориентирован­ ную в направлении магнитного поля, и компоненту, ориентиро­ ванную под некоторым углом к этому направлению. На рис. 2.7 показано, как заряженная частица «ввинчивается» в магнит­ ное поле, напряженность которого возрастает в определенном направлении. В этом случае диаметр спиральной траектории уменьшается по мере увеличения напряженности поля. При этих условиях можно создать электродинамическую систему с такой конфигурацией, что в некоторой точке области максимальной напряженности поля частица будет менять осевое направле­ ние движения на противоположное и возвращаться в сторону уменьшения напряженности поля.

Рис. 2.7.- Магнитное зеркало. Электрически заряженная частица, движущаяся по спиральной траектории в магнитном поле в сторону возрастания напря­ женности поля, при определенных условиях может в некоторой точке изменить осевое направление движения на обратное и вернуться к своему источнику

3. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА

Характер взаимодействия между веществом и энергией за­ висит от структуры вещества. Такие факторы, как периодич­ ность элементов структуры, заселенность электронов проводи­ мости, силы связи между орбитальными электронами, молеку­ лярный состав и т. д., определяют энергетические состояния, которые могут быть изменены за счет добавления или отвода энергии в любой из нескольких известных форм.

Рассмотрение сил сцепления, связывающих воедино части­ цы, из которых состоят физические тела, лежит в основе всего дальнейшего обсуждения явлений преобразования. К этим си­

зо