• Предметы
• Физика
• 8 класс

1. Магнитное поле. Направление магнитных линий

2. Свойства электромагнитов

3. Постоянные магниты. Магнитное поле Земли

4. Движение проводника в магнитном поле. Электродвигатель. Динамик и микрофон

IV Молодёжная школа «Магнитный резонанс и магнитные явления в химической и биологической физике»

​С 4 по 8 сентября 2016 г. в новосибирском Академгородке пройдет IV Молодежная школа с международным участием «Магнитный резонанс и магнитные явления в химической и биологической физике». В программу Школы войдут учебные лекции, устные доклады молодых ученых, стендовые сессии и ознакомительные занятия на современных ЭПР и ЯМР спектрометрах. За 6 лет с момента своего рождения Школа повзрослела и прежние «школьники» сегодня сами стали уже активными исследователями, и, чтобы подчеркнуть непрерывность научных поколений, часть обучающих лекций будет прочитана молодыми исследователями и преподавателями.

Научные сессии будут проходить в Институте химической кинетики горения СО РАН им. В.В. Воеводского. 

В рамках Школы пройдут конкурсы на лучший устный и лучший стендовый доклады с компетентным жюри, победители которых будут отмечены.

Материалы Школы будут опубликованы в сборнике тезисов.

• Основы магнитного резонанса
• Магниторезонансная томография в физике, химии, биологии и медицине
• Магнитный резонанс для in situ исследований в химии и науках о материалах
• Молекулярные магнетики и супрамолекулярные системы
• Парамагнитные центры в гетерогенном катализе
• Парамагнитные состояния в функциональных материалах и наноструктурах
• Квантовохимические расчеты в задачах магнитного резонанса
• Магнитный резонанс в твердом теле
• Спиновая химия
• Управление спиновым состоянием и квантовые вычисления методами магнитного резонанса
• Синтез, свойства и приложения спиновых зондов и меток

Багрянский Виктор Андреевич, д.ф.-м.н., директор ИХКГ СО РАН – председатель

Пуртов Петр Александрович, д.ф.-м.н., профессор, зам директора ИХКГ СО РАН – зам председателя

Поляков Николай Эдуардович, д.х.н., в.н.с. ИХКГ СО РАН – зам председателя

Стась Дмитрий Владимирович, к.ф.-м.н., с.н.с. ИХКГ СО РАН – секретарь

Молин Юрий Николаевич, д.х.н., академик РАН (ИХКГ СО РАН)

Цветков Юрий Дмитриевич, д.х.н., академик РАН (ИХКГ СО РАН)

Сагдеев Ренад Зиннурович, д.х.н., академик РАН (МТЦ СО РАН)

Салихов Кев Минуллинович, д.ф.-м.н., академик РАН (КФТИ, Казань)

Пармон Валентин Николаевич, д.х.н., академик РАН (ИК СО РАН, НГУ)

Овчаренко Виктор Иванович, д.х.н., член-корреспондент РАН (МТЦ СО РАН)

Дзюба Сергей Андреевич, д.ф.-м.н., профессор, зав лаб (ИХКГ СО РАН), зав кафедрой (НГУ)

Багрянская Елена Григорьевна, д.ф.-м.н., профессор, директор (НИОХ СО РАН)

Резников Владимир Анатольевич, д.х.н., профессор, в.н.с. (НИОХ СО РАН), декан (НГУ)

Иванов Константин Львович, д.ф.-м.н., с.н.с. (МТЦ СО РАН, НГУ)

Федин Матвей Владимирович, д.ф.-м.н., зав лаб (МТЦ СО РАН)

Мартьянов Олег Николаевич, д.х.н., зам директора (ИК СО РАН, НГУ)

Кулик Леонид Викторович, д.ф.-м.н., в.н.с. (ИХКГ СО РАН)

Более полная информация на сайте конференции: http://physchem.wix.com/mrschool2016 

магнетизм | Определение, примеры, физика и факты

магнетизм , явление, связанное с магнитными полями, возникающими в результате движения электрических зарядов. Это движение может принимать разные формы. Это может быть электрический ток в проводнике или заряженные частицы, движущиеся в пространстве, или это может быть движение электрона по атомной орбитали. Магнетизм также связан с элементарными частицами, такими как электрон, которые обладают свойством, называемым спином.

Основы

Основы магнетизма — это магнитные поля и их влияние на материю, как, например, отклонение движущихся зарядов и крутящих моментов на других магнитных объектах.Свидетельством наличия магнитного поля является магнитная сила, действующая на заряды, движущиеся в этом поле; сила направлена ​​под прямым углом как к полю, так и к скорости заряда. Эта сила отклоняет частицы, не меняя их скорости. Отклонение можно наблюдать в крутящем моменте стрелки компаса, который выравнивает стрелку с магнитным полем Земли. Игла — это тонкий кусок железа, намагниченный, то есть небольшой стержневой магнит. Один конец магнита называется северным полюсом, а другой — южным.Сила между северным и южным полюсами притягательна, тогда как сила между такими же полюсами отталкивающая. Магнитное поле иногда называют магнитной индукцией или плотностью магнитного потока; он всегда обозначается B . Магнитные поля измеряются в единицах тесла (Тл). (Другой единицей измерения, обычно используемой для B , является гаусс, хотя он больше не считается стандартной единицей. Один гаусс равен 10 ⁻⁴ тесла.)

Фундаментальным свойством магнитного поля является то, что его поток через любую замкнутую поверхность исчезает.(Замкнутая поверхность — это поверхность, которая полностью окружает объем.) Математически это выражается как div B = 0 и может быть понято физически в терминах линий поля, представляющих B . Эти линии всегда замыкаются сами по себе, поэтому, если они входят в определенный объем в какой-то момент, они также должны покинуть этот объем. В этом отношении магнитное поле сильно отличается от электрического поля. Силовые линии электрического поля могут начинаться и заканчиваться на заряде, но не было найдено эквивалентного магнитного заряда, несмотря на многочисленные поиски так называемых магнитных монополей.

Самым распространенным источником магнитных полей является электрическая петля. Это может быть электрический ток в круговом проводнике или движение вращающегося электрона в атоме. С обоими этими типами токовых петель связан магнитный дипольный момент, значение которого составляет i A , произведение тока i и площади контура A . Кроме того, электроны, протоны и нейтроны в атомах имеют магнитный дипольный момент, связанный с их собственным спином; такие магнитные дипольные моменты представляют собой еще один важный источник магнитных полей.Частицу с магнитным дипольным моментом часто называют магнитным диполем. (Магнитный диполь можно представить как крошечный стержневой магнит. Он имеет такое же магнитное поле, что и такой магнит, и ведет себя таким же образом во внешних магнитных полях.) При помещении во внешнее магнитное поле магнитный диполь может подвергаться воздействию крутящий момент, который стремится выровнять его с полем; если внешнее поле неоднородно, на диполь также может действовать сила.

Все вещества в той или иной степени проявляют магнитные свойства. При помещении в неоднородное поле материя либо притягивается, либо отталкивается в направлении градиента поля. Это свойство описывается магнитной восприимчивостью вещества и зависит от степени намагниченности вещества в поле. Намагниченность зависит от размера дипольных моментов атомов в веществе и степени выравнивания дипольных моментов относительно друг друга.Некоторые материалы, такие как железо, демонстрируют очень сильные магнитные свойства из-за выравнивания магнитных моментов их атомов в определенных небольших областях, называемых доменами. В нормальных условиях различные домены имеют компенсирующие поля, но их можно выровнять друг с другом для создания чрезвычайно сильных магнитных полей. Различные сплавы, такие как NdFeB (сплав неодима, железа и бора), поддерживают выравнивание своих доменов и используются для изготовления постоянных магнитов. Сильное магнитное поле, создаваемое типичным магнитом из этого материала толщиной три миллиметра, сравнимо с электромагнитом, сделанным из медной петли, по которой проходит ток в несколько тысяч ампер.Для сравнения, ток в обычной лампочке составляет 0,5 ампера. Поскольку выравнивание доменов материала создает магнит, нарушение упорядоченного выравнивания разрушает магнитные свойства материала. Тепловое перемешивание, возникающее в результате нагрева магнита до высокой температуры, разрушает его магнитные свойства.

Магнитные поля сильно различаются по силе. Некоторые репрезентативные значения приведены в таблице.

Что такое магнетизм? | Магнитные поля и магнитная сила

Магнетизм — это один из аспектов комбинированной электромагнитной силы. Это относится к физическим явлениям, возникающим из-за силы, вызванной магнитами, объектами, которые создают поля, которые притягивают или отталкивают другие объекты.

Согласно веб-сайту HyperPhysics Университета штата Джорджия, магнитное поле воздействует на частицы в поле за счет силы Лоренца. Движение электрически заряженных частиц порождает магнетизм. Сила, действующая на электрически заряженную частицу в магнитном поле, зависит от величины заряда, скорости частицы и силы магнитного поля.

Все материалы обладают магнетизмом, некоторые сильнее, чем другие. Постоянные магниты, сделанные из таких материалов, как железо, испытывают сильнейшее воздействие, известное как ферромагнетизм.За редким исключением, это единственная форма магнетизма, достаточно сильная, чтобы ее могли почувствовать люди.

Противоположности притягиваются

Магнитные поля генерируются вращающимися электрическими зарядами, согласно HyperPhysics. Все электроны обладают свойством углового момента или спина. Большинство электронов имеют тенденцию образовывать пары, в которых один из них имеет «спин вверх», а другой — «спин вниз», в соответствии с принципом исключения Паули, который гласит, что два электрона не могут находиться в одном и том же энергетическом состоянии одновременно.В этом случае их магнитные поля направлены в противоположные стороны, поэтому они компенсируют друг друга. Однако некоторые атомы содержат один или несколько неспаренных электронов, спин которых может создавать направленное магнитное поле. По данным Ресурсного центра неразрушающего контроля (NDT), направление их вращения определяет направление магнитного поля. Когда значительное большинство неспаренных электронов выровнены со своими спинами в одном направлении, они объединяются, чтобы создать магнитное поле, достаточно сильное, чтобы его можно было почувствовать в макроскопическом масштабе.

Источники магнитного поля дипольные, с северным и южным магнитными полюсами. По словам Джозефа Беккера из Университета Сан-Хосе, противоположные полюса (северный и южный) притягиваются, а подобные полюса (северный и северный или южный и южный) отталкиваются. Это создает тороидальное поле или поле в форме пончика, поскольку направление поля распространяется наружу от северного полюса и входит через южный полюс.

Земля сама по себе является гигантским магнитом. Согласно HyperPhysics, планета получает свое магнитное поле от циркулирующих электрических токов внутри расплавленного металлического ядра.Компас указывает на север, потому что маленькая магнитная стрелка в нем подвешена, так что он может свободно вращаться внутри своего корпуса, выравниваясь с магнитным полем планеты. Как ни парадоксально, то, что мы называем Северным магнитным полюсом, на самом деле является южным магнитным полюсом, потому что он притягивает северные магнитные полюса стрелок компаса.

Ферромагнетизм

Если выравнивание неспаренных электронов продолжается без приложения внешнего магнитного поля или электрического тока, образуется постоянный магнит.Постоянные магниты — результат ферромагнетизма. Приставка «ферро» относится к железу, потому что постоянный магнетизм впервые наблюдался в форме естественной железной руды, называемой магнетитом, Fe ₃ O ₄ . Кусочки магнетита можно найти разбросанными на поверхности земли или вблизи нее, и иногда они намагничиваются. Эти встречающиеся в природе магниты называются магнитными камнями. «Мы до сих пор не уверены в их происхождении, но большинство ученых считают, что магнитный камень — это магнетит, пораженный молнией», — говорится в сообщении Университета Аризоны.

Вскоре люди узнали, что они могут намагнитить железную иглу, поглаживая ее магнитом, в результате чего большинство неспаренных электронов в игле выстраиваются в одном направлении. По данным НАСА, примерно в 1000 году нашей эры китайцы обнаружили, что магнит, плавающий в чаше с водой, всегда выстраивался в направлении север-юг. Таким образом, магнитный компас стал огромным помощником в навигации, особенно днем ​​и ночью, когда звезды были скрыты облаками.

Было обнаружено, что другие металлы, помимо железа, обладают ферромагнитными свойствами.К ним относятся никель, кобальт и некоторые редкоземельные металлы, такие как самарий или неодим, которые используются для создания сверхпрочных постоянных магнитов.

Другие формы магнетизма

Магнетизм принимает множество других форм, но, за исключением ферромагнетизма, они обычно слишком слабы, чтобы их можно было наблюдать за исключением чувствительных лабораторных приборов или при очень низких температурах. Диамагнетизм был впервые открыт в 1778 году Антоном Бругнамсом, который использовал постоянные магниты в поисках материалов, содержащих железо.По словам Джеральда Кюстлера, широко публикуемого независимого немецкого исследователя и изобретателя, в его статье «Диамагнитная левитация — исторические вехи», опубликованной в Румынском журнале технических наук, Бругнамс заметил: «Только темный и почти фиолетовый висмут проявлял конкретное явление в исследовании; потому что, когда я положил его кусок на круглый лист бумаги, плавающий на воде, он оттолкнулся обоими полюсами магнита ».

Было установлено, что висмут обладает самым сильным диамагнетизмом из всех элементов, но, как обнаружил Майкл Фарадей в 1845 году, это свойство всей материи отталкиваться магнитным полем.

Диамагнетизм вызван орбитальным движением электронов, создающих крошечные токовые петли, которые создают слабые магнитные поля, согласно HyperPhysics. Когда к материалу прикладывается внешнее магнитное поле, эти токовые петли имеют тенденцию выравниваться таким образом, чтобы противостоять приложенному полю. Это заставляет все материалы отталкиваться постоянным магнитом; однако результирующая сила обычно слишком мала, чтобы быть заметной. Однако есть некоторые заметные исключения.

Пиролитический углерод, вещество, похожее на графит, демонстрирует даже более сильный диамагнетизм, чем висмут, хотя и только вдоль одной оси, и фактически может подниматься над сверхсильным редкоземельным магнитом.Некоторые сверхпроводящие материалы демонстрируют даже более сильный диамагнетизм ниже своей критической температуры, поэтому над ними можно левитировать редкоземельные магниты. (Теоретически из-за их взаимного отталкивания один может левитировать над другим.)

Парамагнетизм возникает, когда материал временно становится магнитным при помещении в магнитное поле и возвращается в свое немагнитное состояние, как только внешнее поле удаляется. При приложении магнитного поля некоторые из неспаренных электронных спинов выравниваются с полем и преодолевают противоположную силу, создаваемую диамагнетизмом.Однако, по словам Дэниела Марша, профессора физики Южного государственного университета Миссури, эффект заметен только при очень низких температурах.

Другие, более сложные формы включают антиферромагнетизм, при котором магнитные поля атомов или молекул выстраиваются рядом друг с другом; и поведение спинового стекла, которое включает как ферромагнитные, так и антиферромагнитные взаимодействия. Кроме того, ферримагнетизм можно рассматривать как комбинацию ферромагнетизма и антиферромагнетизма из-за множества общих черт между ними, но, по данным Калифорнийского университета в Дэвисе, он все же имеет свою уникальность.

Электромагнетизм

Когда провод перемещается в магнитном поле, поле индуцирует в проводе ток. И наоборот, магнитное поле создается движущимся электрическим зарядом. Это соответствует закону индукции Фарадея, который лежит в основе электромагнитов, электродвигателей и генераторов. Заряд, движущийся по прямой линии, как по прямому проводу, создает магнитное поле, которое вращается вокруг провода по спирали. Когда этот провод превращается в петлю, поле приобретает форму пончика или тора.Согласно Руководству по магнитной записи (Springer, 1998) Marvin Cameras, это магнитное поле можно значительно усилить, поместив ферромагнитный металлический сердечник внутрь катушки.

В некоторых приложениях постоянный ток используется для создания постоянного поля в одном направлении, которое можно включать и выключать вместе с током. Это поле может затем отклонить подвижный железный рычаг, вызывая слышимый щелчок. Это основа телеграфа, изобретенного в 1830-х годах Сэмюэлем Ф. Б. Морсом, который позволял осуществлять связь на большие расстояния по проводам с использованием двоичного кода, основанного на импульсах большой и малой длительности.Импульсы посылались опытными операторами, которые быстро включали и выключали ток с помощью подпружиненного переключателя с мгновенным контактом или ключа. Другой оператор на принимающей стороне затем переводил слышимые щелчки обратно в буквы и слова.

Катушка вокруг магнита также может перемещаться по шаблону с изменяющейся частотой и амплитудой, чтобы индуцировать ток в катушке. Это основа для ряда устройств, в первую очередь для микрофона. Звук заставляет диафрагму двигаться внутрь и наружу с волнами переменного давления.Если диафрагма соединена с подвижной магнитной катушкой вокруг магнитопровода, она будет производить переменный ток, аналогичный падающим звуковым волнам. Затем этот электрический сигнал может быть усилен, записан или передан по желанию. Крошечные сверхсильные магниты из редкоземельных элементов в настоящее время используются для изготовления миниатюрных микрофонов для сотовых телефонов, сообщил Марш Live Science.

Когда этот модулированный электрический сигнал подается на катушку, он создает колеблющееся магнитное поле, которое заставляет катушку входить и выходить по магнитному сердечнику по той же схеме.Затем катушка прикрепляется к подвижному диффузору динамика, чтобы он мог воспроизводить слышимые звуковые волны в воздухе. Первым практическим применением микрофона и динамика был телефон, запатентованный Александром Грэмом Беллом в 1876 году. Хотя эта технология была усовершенствована и усовершенствована, она все еще является основой для записи и воспроизведения звука.

Применение электромагнитов практически бесчисленное множество. Закон индукции Фарадея формирует основу для многих аспектов нашего современного общества, включая не только электродвигатели и генераторы, но и электромагниты всех размеров.Тот же принцип, который используется гигантским краном для подъема старых автомобилей на свалку металлолома, также используется для выравнивания микроскопических магнитных частиц на жестком диске компьютера для хранения двоичных данных, и каждый день разрабатываются новые приложения.

Штатный писатель Таня Льюис внесла свой вклад в этот отчет.

Дополнительные ресурсы

Магнитные явления — обзор

1.2.6 Релятивистская спиновая поляризация и намагниченность

Магнитные явления в переходных металлах, редкоземельных элементах и ​​актинидах сталкиваются как с релятивистскими, так и с спин-поляризационными эффектами.(r),

[Обозначения соответствуют соглашению Бьоркена и Дрелла (1964, 1965).] Раджагопал и Каллауэй (1973), Макдональд и Воско (1979) и Раджагопал (1978) продемонстрировали, что теоремы Хоэнберга – Кона на котором основано ДПФ, можно обобщить, чтобы включить релятивистские эффекты. Более того, эти авторы показали, что можно получить одночастичные уравнения Кона – Шэма вида (MacDonald, Vosko, 1979)

(1.30) {cα →. [P → −ecA → eff] + βmc2 + eVeff (r )} ϕi (r) = εiϕi (r),

, где эффективные потенциалы равны

(1.31) Veff (r) = Φ (r) + e∫n (r ‘) | r-r’ | dr ‘+ δExc [Jμ] δJ0 (r),

(1.32) A → eff (r) = A → ext − δExc [Jμ] δJ (r)

и n ( r ) — это числовая плотность [или, в использованных ранее обозначениях, плотность электронов ρ ( r )]. Функционал обменно-корреляционной энергии E _xc [ J _μ ] содержит магнитные эффекты через его зависимость от пространственных компонент тока.

Если нас интересуют спиновые эффекты, этот подход не подходит, поскольку спиновые и кинетические эффекты неразделимы.(г) Φ (г) — [м → (г) .B →]} др.

Первый член содержит обычную минимальную электромагнитную связь, а второй член представляет связь только с магнитным дипольным моментом. Этот гамильтониан приводит к одночастичным уравнениям вида

(1.38) [cα → .p → + βmc2 + eVeff (r) −μBΣ → .U → eff (r)] ϕi (r) = εiϕi (r),

, где V _eff ( r ) определяется формулой. (1.31), оператор спиновой плотности Σ → и эффективный магнитный потенциал равны

(1.39) Σ → = (σ → 00 − σ →),

(1.40) U → eff = B → + δExcδm → (r),

, где σ → обозначает 2 × 2 спиноры Паули. Числовая плотность n ( r ) и плотность намагниченности m → ( r ) даются как

(1,41) n (r) = ∑iϕi † (r) ϕi (r),

(1,42). m → (r) = μB∑i [ϕi † (r) Σ → ϕi (r)],

, где суммы даны по всем занятым состояниям (с положительной энергией).

Если взять нерелятивистский предел уравнения. (1.38) сохраняя первую релятивистскую поправку, мы получаем известное уравнение типа Паули для связи магнитного поля только со спинами (Baym, 1976)

(1.43) [(p22m − p48m3c2) −μBσ →. (B → −12mc (∇V × p →)) + (эВ + ℏ2e8m2c2∇2V)] ψ = (ε − mc2) ψ.

В этом уравнении B → и V — эффективные магнитные поля и потенциалы, которые включают обменно-корреляционные эффекты.

Набор самосогласованных уравнений. (1.31) и (1.38) — (1.42), в принципе, дают правильные значения плотности заряда и намагниченности. К сожалению, поскольку точный обменно-корреляционный функционал неизвестен, приходится использовать хорошо известное приближение локальной плотности. Для металлов, таких как Pt, релятивистские поправки к обмену и спин-орбитальному взаимодействию действительно влияют на поверхность Ферми, но валентный заряд и спиновая плотность довольно нечувствительны к этим эффектам (MacDonald et al., 1981). Следовательно, можно рассматривать валентные электроны скалярно релятивистски (Koelling and Harmon, 1977), то есть включая все кинематические релятивистские эффекты, кроме спин-орбитальных. Таким образом, можно избежать проблем, связанных с самосогласованным решением уравнения Дирака для сложных систем с большими элементарными ячейками, таких как те, которые встречаются в поверхностных системах. С другой стороны, для остовных электронов спин-орбитальный член может иметь большое влияние (особенно для p-функций), и, следовательно, к остову можно относиться полностью релятивистски.

Остается вопрос, как включить магнитные и спиновые эффекты. Нерелятивистская точка зрения, неявная в форме связи в формуле. (1.37) предлагает рассматривать эти эффекты аналогично нерелятивистскому (локальному) методу функционала спиновой плотности, то есть решать стандартные спин-поляризованные уравнения, но с заменой нерелятивистского одночастичного оператора скалярным релятивистским один. Этот рецепт, очевидно, не точен, но верен только в некотором смысле.Однако, поскольку мы знаем, что для легких систем релятивистские уравнения должны сводиться к стандартным нерелятивистским результатам, такой подход имеет оправдание. Для магнитных полей и поверхностей Pt, которые рассматривали Вейнерт и Фриман (1983), доля намагниченности (плотность намагниченности, деленная на плотность заряда) в области с высокой плотностью (релятивистской) сердцевины составляет порядка 10 ^–8 –10 ^{— 6} ; следовательно, возмущающее разложение по этому множителю будет сходиться довольно быстро.Для нерелятивистских областей пространства эта процедура правильно сводится к стандартной спин-поляризованной.

При использовании этого подхода остается вопрос, как получить плотность намагниченности или, что то же самое, долю намагниченности из спин-поляризованных одночастичных уравнений. В нерелятивистском пределе можно определить относительную намагниченность ζ как

(1.44) ζ = | m → NR | n = n ↑ −n ↓ n ↑ + n ↓,

, где n ↑ (n ↓) — плотность электронов вверх (вниз) и n = n ↑ + n ↓.Рамана и Раджагопал (1979) рассмотрели случай релятивистского спин-поляризованного электронного газа и получили соотношение для релятивистской доли намагниченности ξ ,

, используя ξ в качестве параметра (Рамана и Раджагопал, 1979).

(1.46) ξ (ζ) ​​= 13ζ + 12β3 {βx (1 + β2×2) 1/2 − βy (1 + β2y2) 1/2 + ln [βx + (1 + β2×2) 1/2] −ln [βy + (1 + β2y2) 1/2]},

, где x = (1 + ς) 1/3, y = (1 − ς) 1/3 и β = ℏkF / (mc) = α (3π2n) 1 / 3 — безразмерный параметр релятивистского разложения, зависящий от плотности n .В нерелятивистском случае ( β → 0) отношение ξ / ζ приближается к единице, а в крайнем релятивистском пределе ( β → ∞) отношение приближается к 1/3. Это уменьшение доли релятивистской намагниченности по сравнению с нерелятивистским случаем можно понять, отметив (Рамана и Раджагопал, 1979), что спиральность, а не спин, является хорошим квантовым числом; следовательно, каждый электрон имеет как «спин вверх», так и «спин вниз». Отметим, что из этого результата следует, что невозможно получить полностью поляризованный релятивистский электронный газ.Точно так же, если у человека есть внешнее магнитное поле, ось спинового квантования электрона в его системе покоя не параллельна внешнему полю.

Можно использовать уравнение. (1.46) локально для преобразования спиновых плотностей, полученных из скалярных релятивистских уравнений, в релятивистские плотности намагниченности. Эта релятивистская поправка в таких элементах, как Pt, важна только в непосредственной близости от ядра, где она дает примерно половинный коэффициент, тогда как уже для расстояний порядка 0.5 Бора поправка меньше 1%.

Три удивительных факта о физике магнитов

Пол Саттер — астрофизик из Университета штата Огайо и главный научный сотрудник научного центра COSI. Саттер также ведет программы «Спросите космонавта» и «Космическое радио» и ведет AstroTours по всему миру. Саттер опубликовал эту статью для журнала Expert Voices: Op-Ed & Insights на Space.com.

Магниты и магнитная сила повсеместно присутствуют в нашей повседневной жизни, помогая вести нас по незнакомой территории и прикреплять рисунки наших детей к холодильнику.Но помимо этих общих примеров, магнитные поля всегда кажутся второстепенными в симфонии сил во Вселенной. Конечно, время от времени они могут вызвать выстрелы — например, в чрезвычайно опасной среде магнетара или чрезвычайно полезной среде ЯМР-сканера, — но по большей части они просто существуют, их подталкивают могущественные кузены.

Но, несмотря на их относительную незначительность, они хранят несколько секретов. [Почему магнетары должны вас пугать]

Магниты работают только в движении

Отдельная частица с электрическим зарядом, сидящая в одиночестве и не делающая ничего интересного, будет генерировать электрическое поле.Это поле окружает частицу со всех сторон и указывает другим заряженным частицам, как двигаться в ответ. Если рядом находится частица с таким же зарядом, она оттолкнется. Если противоположно заряженная частица находится далеко, ее осторожно притягивают ближе.

Но если вы приведете в движение этот электрический заряд, произойдет удивительная вещь: появится новое поле! Это странное и экзотическое поле ведет себя странным образом: вместо того, чтобы просто указывать прямо на заряд или от него, оно вращается вокруг него, всегда перпендикулярно направлению движения.Более того, соседняя заряженная частица будет чувствовать это новое поле только в том случае, если эта частица тоже находится в движении, а сила, которую она ощущает, снова перпендикулярна направлению ее движения.

Это поле, которое мы для удобства назовем магнитным полем, таким образом, вызывается движущимися зарядами и влияет только на движущиеся заряды. Но ваш магнит на холодильник не двигается, так что же тогда?

Сам магнит не движется, но материал, из которого он сделан, находится в движении. Каждый атом в этом магните имеет слои и слои электронов, а электроны — это заряженные частицы со встроенным свойством, известным как спин.Вращение — это фундаментально эзотерическое и квантовое свойство (и тема другой статьи), и хотя технически неправильно думать об электронах как о крошечных вращающихся металлических шариках … для целей магнетизма мы можем думать об электронах как о крошечных вращающихся металлических шариках. мячи.

Эти электроны являются движущимися зарядами, и каждый электрон генерирует свое собственное крохотное магнитное поле. В большинстве материалов различная ориентация электронов нейтрализует любое макроскопическое поле, но магниты — это именно те материалы, в которых много электронов выстраиваются аккуратно и аккуратно, создавая магнитное поле, достаточно большое, чтобы что-то приклеить к вашему холодильнику.

Могут существовать монополи

Поскольку все магнитные поля, которые мы видим во Вселенной, генерируются движущимися зарядами, вы никогда не сможете изолировать северный и южный магнитные полюса («монополь») друг от друга. Они всегда идут парами. Если вы возьмете магнит и разрежете его пополам, вы получите два меньших и более слабых магнита — их внутренние электроны все еще кружатся, как и всегда.

Это свойство магнитов было (и остается) настолько известным, что Джеймс Клерк Максвелл — чувак, который понял, что электричество и магнетизм фундаментально взаимосвязаны, — просто впихнул в свои уравнения утверждение «нет такой вещи, как магнитный монополь» и ушел. это при том.И на протяжении десятилетий у нас не было причин подозревать обратное, поэтому мы оставили это в покое.

Но когда наши глаза начали пристально наблюдать за странным и прекрасным субатомным миром, наше растущее понимание квантовой механики внесло некоторые новые морщины в эту идею. И Поль Дирак, пионер квантовой области, заметил кое-что забавное, скрывающееся в глубокой математике этой новой физики.

Если бы, в качестве мысленного эксперимента, существовал магнитный монополь, и если бы вы соединили его с обычным скучным знакомым электрическим зарядом, то они начали бы вращаться.Это вращение фактически не зависит от расстояния; не имеет значения, насколько далеко друг от друга находятся эти две частицы. Но Дирак знал, что угловой момент (импульс, идущий по кругу, как в этой вращающейся паре) равен , квантованному — угловой момент в нашей Вселенной имеет дискретные значения. Это верно для всех вещей, включая нашу особенную пару.

Итак, вот что интересно: используя это рассуждение, Дирак понял, что если квантовать угловой момент, то заряды на этих частицах также должны быть квантованы.И поскольку этот эффект не зависит от расстояния, если бы во всей Вселенной существовал единственный магнитный монополь, то это напрямую привело бы к квантованию заряда, что мы принимали как экспериментальный факт без теоретического обоснования… до тех пор.

Магниты — ключ к специальной теории относительности

Связь между электричеством и магнетизмом, открытая Джеймсом Клерком Максвеллом, была не только поверхностной. Он понял, что это две стороны одной медали — электромагнетизма.Изменяющееся электрическое поле может создавать магнитное поле, и наоборот. Более того, явление, известное как свет, — это просто то, что происходит, когда электричество и магнетизм начинают колебаться друг от друга.

Альберт Эйнштейн, большой поклонник работ Максвелла, сделал еще один шаг вперед. Он понял, что существует связь между электричеством, магнетизмом и движением. Начни снова с того же одинокого электрического заряда с его утомительным электрическим полем. Что, если вы начнете пробегать мимо него?

Что ж, с вашей точки зрения, заряд должен двигаться.А что делают движущиеся обвинения? Правильно — они создают магнитные поля. Таким образом, не только электрическое и магнитное поля — две стороны одной медали, но вы можете преобразовать одно в другое, просто перемещаясь. А это также означает, что разные наблюдатели будут расходиться во мнениях относительно того, что они видят: какой-то неподвижный наблюдатель может видеть электрическое поле, а более мобильный наблюдатель обнаружит тот же самый источник, создающий магнитное поле.

Именно такое мышление привело Эйнштейна к тому, что мы теперь называем специальной теорией относительности, краеугольным камнем современной науки.И мы должны благодарить за это скромное магнитное поле.

Узнайте больше, послушав серию «Как работают магниты?» в подкасте «Спроси космонавта», доступном в iTunes и в Интернете по адресу http://www.askaspaceman.com. Спасибо Дэну Х., Дэвиду Х. и @BrendaHattisbur за вопросы, которые привели к этой статье! Задайте свой вопрос в Twitter, используя #AskASpaceman, или подписавшись на Paul @ PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter. Следуйте за нами в Twitter @Spacedotcom и на Facebook. Оригинальная статья о космосе.com.

Изучение квантовых явлений в магнитных системах для понимания экзотических состояний материи — ScienceDaily

Помимо состояний материи, о которых мы все знаем и к которым мы привыкли, которые соответствуют твердым телам, жидкостям и газам, могут быть созданы более экзотические состояния. в особых материалах в особых условиях. Такие состояния представляют большой интерес для физиков, потому что они помогают им получить более глубокое понимание квантовых явлений, что имеет ключевое значение для ученых и инженеров при внедрении новейших технологий.

Конденсат Бозе-Эйнштейна — одно из таких состояний вещества, которое возникает при очень низких температурах. В этом состоянии большинство составляющих частиц конденсата находятся в так называемом «основном состоянии», которое является состоянием с самой низкой энергией, и микроскопические квантовые явления можно легко наблюдать. Интересно, что это состояние также может проявляться квазичастицами, которые не являются реальными частицами, но представляют коллективные микроскопические возбуждения в системе и, таким образом, могут использоваться для описания системы в упрощенном, но очень полезном виде.Магноны, тип квазичастиц, который проявляется в магнитных материалах, представляют собой коллективные возбуждения, исходящие от электронов в кристалле. Магнонцы обычно могут прыгать между разными участками кристалла; однако в некоторых соединениях и под действием магнитного поля они могут быть захвачены в своего рода ловушку-22, в результате чего они проявляют жесткую кристалличность. Это очень интересное квантовое явление, называемое «кристаллизацией магнонов», когда магноны находятся в «фрустрированном» состоянии.

Чтобы исследовать этот специфический эффект, группа ученых под руководством профессора Хидеказу Танака из Токийского технологического института работала над характеристикой магнитных возбуждений, возникающих в магнитном изоляторе с химической формулой Ba2CoSi2O6Cl2. Они провели эксперименты по рассеянию нейтронов, в которых нейтронные пучки были выпущены на кристаллы Ba2CoSi2O6Cl2 при разных энергиях и углах, чтобы определить свойства кристаллов. Основываясь на результатах этих экспериментов, команда продемонстрировала, что кристаллизация магнонов происходит в Ba2CoSi2O6Cl2, и приписала происхождение этого упорядоченного состояния фундаментальным электронным взаимодействиям в материале с квантово-механической точки зрения.«До недавнего времени экспериментальные исследования кристаллизации магнонов ограничивались соединением Шастри-Сазерленда, SrCu2 (BO3) 2, и это исследование является попыткой изучить это увлекательное квантовое явление на другом материале», — отмечает профессор Танака.

Понимание упорядочения магнонов и их влияния на микро- и макроскопические магнитные свойства кристаллов может дать исследователям ценную информацию для корреляции физики конденсированного состояния с принципами квантовой механики.«Эта работа показывает, что крайне неудовлетворенные квантовые магниты служат площадкой для взаимодействия квантовых частиц», — заключает профессор Танака. Согласно рекомендациям ученых, потребуются дополнительные исследования для дальнейшего понимания системы Ba2CoSi2O6Cl2 и более глубокого проникновения в квантовую механику и ее потенциальные приложения.

История Источник:

Материалы предоставлены Токийским технологическим институтом . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

экспериментаторов наблюдают странное магнитное явление, впервые предсказанное в 1930-х гг.

Ученые экспериментально наблюдали физическую концепцию, которая была впервые теоретизирована в 1931 году и которая может привести к важным приложениям в квантовых вычислениях и даже в изучении теории струн. Может быть.

Команда исследователей со всего мира работала вместе, чтобы открыть эти так называемые струны Бете — по сути, особого поведения, которое может перемещаться между частицами, подобно тому, как спортивная толпа создает «волну».Но более глубокое понимание математики, лежащей в основе этих вещей, может стать ключом к решению еще более глубоких вопросов о нашей Вселенной.

«Это важная фундаментальная физика», — сказал Gizmodo ведущий автор Чжэ Ван из Центра им. Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе в Германии.

Сами по себе струны Бете не имеют ничего общего с «теорией струн», предложенной теорией, предназначенной для понимания самой глубокой природы физики. Их поведение основано на врожденном свойстве частиц, называемом вращением, которое описывается уравнениями, очень похожими на вращение.Магнетизм — это результат спинов электронов, которые могут иметь значение «вверх» или «вниз», а также то, как они выстраиваются.

Исследователи изучили базовую модель этих спинов — молекулы, чьи спины могут принимать одно из двух значений, когда они расположены на прямой линии, в которой их спины могут указывать либо в одном направлении, либо в противоположных направлениях вдоль линии. Ученые могут отслеживать поведение магнонов — мест, где один спин направлен не так, как остальные, и ведет себя как их собственная маленькая магнитная частица.

G / O Media может получить комиссию

Думайте об этом как о шеренге болельщиков на спортивном матче, когда «волна» проходит мимо. Допустим, каждый человек — частица, и руки вверх означают одно состояние вращения, а руки вниз — другое состояние вращения. Магнон — это единая единица «волны», когда один человек поднимает и опускает руки за раз, путешествуя по проходу. Струна Бете — это, по сути, состояние двух или трех человек, поднимающих и опускающих руки, которые всегда перемещаются вместе.

Уравнения немецкого физика Ганса Бете предсказали такое коллективное поведение электронов, пытаясь решить некоторые из самых ранних проблем квантовой механики. Другие теоретики, такие как Минору Такахаши и Мишель Годен, с тех пор усовершенствовали теорию. Чжэ Ван какое-то время работал над этими «системами спиновых цепочек» — по сути, над кристаллами в магнитном поле, где есть цепочки магнитных частиц — проходы на спортивной игре — где «волна» может быть вызвана импульсным инфракрасным излучением. света и изучается путем изменения силы внешнего магнитного поля.

Ван получил экспериментальный результат, который выглядел интересным, но он не совсем понял его. После встречи с физиком-теоретиком на конференции он вскоре понял, что открыл это явление. «Оказалось, что это был большой сюрприз, — сказал он мне, — это были состояния струны». Ван и его команда опубликовали свои результаты сегодня в Nature.

Очень важно найти какое-то чувство порядка в одной из этих цепочек из многих частиц. Возможно, этими строками Бете можно управлять, например, для хранения данных.И между этими частицами и реальной теорией струн, предполагаемой теорией всего, что пытается связать гравитацию и квантовую физику, существует, по-видимому, однозначное соответствие. «Я все еще работаю над этим, — сказал Ван, — но мы надеемся, что есть какой-то способ понять состояние струны, чтобы понять теорию струн». Это похоже на то, как некоторые физики надеются изучать полуметаллы Вейля, чтобы лучше понять гравитацию.

В конечном счете, это экспериментальное наблюдение, но не результат потрясения.Это странное физическое явление, которое только что наблюдали. Ван сказал мне, что впереди еще много работы. «Это первое наблюдение в эксперименте. Я бы сказал, что есть еще несколько шагов, которые нужно сделать, чтобы получить окончательные заявки ».

[Природа]

Обновление 02.08.18 9:00 утра: Физик Иммануэль Блох из Института квантовой оптики Макса Планка сказал Gizmodo: «Это действительно хорошее спектроскопическое доказательство состояний струны Бете в квантовых магнитах». Он продолжил: «Было бы здорово увидеть еще более длинные струны, поскольку они были бы еще более экзотическими новыми квантовыми объектами, движущимися в твердотельной среде.Он задавался вопросом, почему меня это заинтересовало.

магнетизм | Национальное географическое общество

Магнетизм — это сила, проявляемая магнитами, когда они притягиваются или отталкиваются друг от друга. Магнетизм вызывается движением электрических зарядов.

Каждое вещество состоит из крошечных единиц, называемых атомами. В каждом атоме есть электроны, частицы, несущие электрические заряды. Вращаясь, как волчки, электроны вращаются вокруг ядра или остова атома. Их движение генерирует электрический ток и заставляет каждый электрон действовать как микроскопический магнит.

В большинстве веществ одинаковое количество электронов вращается в противоположных направлениях, что нейтрализует их магнетизм. Вот почему такие материалы, как ткань или бумага, считаются слабомагнитными. В таких веществах, как железо, кобальт и никель, большинство электронов вращаются в одном направлении. Это делает атомы в этих веществах сильно магнитными, но они еще не магниты.

Чтобы стать намагниченным, другое сильномагнитное вещество должно войти в магнитное поле существующего магнита.Магнитное поле — это область вокруг магнита, обладающая магнитной силой.

Все магниты имеют северный и южный полюса. Противоположные полюса притягиваются друг к другу, а одни и те же полюса отталкиваются. Когда вы протираете кусок железа по магниту, северные полюса атомов в железе выстраиваются в одном направлении. Сила, создаваемая выровненными атомами, создает магнитное поле. Железка стала магнитом.

Некоторые вещества могут намагничиваться электрическим током.Когда электричество проходит через катушку с проволокой, создается магнитное поле. Однако поле вокруг катушки исчезнет, ​​как только отключится электрический ток.

Геомагнитные полюса

Земля — ​​это магнит. Ученые не до конца понимают, почему, но они думают, что движение расплавленного металла во внешнем ядре Земли порождает электрические токи. Токи создают магнитное поле с невидимыми силовыми линиями, протекающими между магнитными полюсами Земли.

Геомагнитные полюса не совпадают с Северным и Южным полюсами. Магнитные полюса Земли часто перемещаются из-за активности далеко под поверхностью Земли. Смещение геомагнитных полюсов фиксируется в породах, которые образуются, когда расплавленный материал, называемый магмой, проникает сквозь земную кору и изливается в виде лавы. Когда лава остывает и превращается в твердую породу, сильно магнитные частицы внутри породы намагничиваются магнитным полем Земли. Частицы выстраиваются вдоль силовых линий в поле Земли.Таким образом, камни фиксируют положение геомагнитных полюсов Земли в то время.

Как ни странно, магнитные записи горных пород, образовавшихся в одно и то же время, похоже, указывают на разные местоположения полюсов. Согласно теории тектоники плит, скальные плиты, составляющие твердую оболочку Земли, постоянно перемещаются. Таким образом, плиты, на которых застывала порода, переместились, так как породы зафиксировали положение геомагнитных полюсов. Эти магнитные записи также показывают, что геомагнитные полюса менялись на противоположный вид — сотни раз с момента образования Земли.

Магнитное поле Земли не движется быстро и часто не меняется. Следовательно, это может быть полезным инструментом, помогающим людям сориентироваться. Сотни лет люди использовали магнитные компасы для навигации по магнитному полю Земли. Магнитная стрелка компаса совпадает с магнитными полюсами Земли. Северный конец магнита указывает на северный магнитный полюс.

Магнитное поле Земли доминирует в области, называемой магнитосферой, которая охватывает планету и ее атмосферу.Солнечный ветер, заряженные частицы от Солнца, прижимает магнитосферу к Земле со стороны, обращенной к Солнцу, и растягивает ее в форме капли на теневой стороне.