Magneettinen momentti

Magneetin magneettinen momentti on suure, joka määrittää voiman, jonka magneetti voi kohdistaa sähkövirtaan, ja vääntömomentin, jonka magneettikenttä siihen kohdistuu. Sähkövirtasilmukalla, sauvamagneetilla, elektronilla, molekyylillä ja planeetalla on kaikilla magneettinen momentti.

Sekä magneettimomenttia että magneettikenttää voidaan pitää vektoreina, joilla on suuruus ja suunta. Magneettimomentin suunta osoittaa magneetin etelänavasta pohjoisnapaan. Myös magneetin tuottama magneettikenttä on verrannollinen sen magneettiseen momenttiin. Tarkemmin sanottuna termi magneettinen momentti viittaa yleensä järjestelmän magneettiseen dipolimomenttiin, joka tuottaa ensimmäisen termin yleisen magneettikentän moninapaislaajennuksessa. Kappaleen magneettikentän dipolikomponentti on symmetrinen sen magneettisen dipolimomentin suunnan suhteen, ja se pienenee kappaleen etäisyyden käänteiskuutiona.

Kaksi momentin määritelmää

Oppikirjoissa käytetään kahta toisiaan täydentävää lähestymistapaa magneettisten momenttien määrittelyyn. Ennen 1930-lukua ilmestyneissä oppikirjoissa ne määriteltiin magneettinapojen avulla. Uusimmissa oppikirjoissa ne määritellään ampeeristen virtojen avulla.

Magneettinavan määritelmä

Fyysikot esittävät materiaalien magneettisten momenttien lähteet napoina. Pohjoinen ja eteläinen napa ovat analogia sähköstaatiossa esiintyville positiivisille ja negatiivisille varauksille. Tarkastellaan sauvamagneettia, jonka magneettiset navat ovat yhtä suuret mutta vastakkaisen napaisuuden omaavat. Kumpikin napa on magneettisen voiman lähde, joka heikkenee etäisyyden kasvaessa. Koska magneettinavat ovat aina pareittain, niiden voimat kumoavat osittain toisensa, sillä kun toinen napa vetää, toinen hylkii. Tämä kumoutuminen on suurinta, kun navat ovat lähellä toisiaan eli kun sauvamagneetti on lyhyt. Sauvamagneetin tietyssä avaruuden pisteessä tuottama magneettivoima riippuu siis kahdesta tekijästä: sekä sen napojen voimakkuudesta p {\displaystyle p} $p$ että vektorista l {\displaystyle \mathbf {l} }, joka erottaa ne toisistaan $\mathbf {l}$ . Momentti määritellään seuraavasti

m = p l . {\displaystyle \mathbf {m} =p\mathbf {l} . } $\mathbf {m} =p\mathbf {l} .$

Se osoittaa etelänavalta pohjoisnavalle. Analogiaa sähköisiin dipoleihin ei pidä viedä liian pitkälle, koska magneettisiin dipoleihin liittyy kulmamomentti (ks. magneettinen momentti ja kulmamomentti). Magneettiset navat ovat kuitenkin erittäin hyödyllisiä magnetostaattisissa laskelmissa, erityisesti ferromagneetteja koskevissa sovelluksissa. Magneettinapoja käyttävät käytännön toimijat esittävät magneettikentän yleensä irrotatiivisella kentällä H {\displaystyle \mathbf {H} } $\mathbf {H}$ vastaavasti kuin sähkökenttä E {\displaystyle \mathbf {E} } $\mathbf {E}$ .

Virtasilmukan määritelmä

Oletetaan, että tasomaisessa suljetussa silmukassa kulkee sähkövirta I {\displaystyle I} ja sen vektoripinta-ala S {\displaystyle \mathbf {S} } $\mathbf {S}$ ( x {\displaystyle x} , y {\displaystyle y} Tämän vektorin koordinaatit z {\displaystyle z} ja z {\displaystyle z} $z$ ovat silmukan projektioiden pinta-aloja y z {\displaystyle yz} -alueelle. $yz$ , z x {\displaystyle zx} $zx$ ja x y {\displaystyle xy} $xy$ -tasot). Sen magneettinen momentti m {\displaystyle \mathbf {m} } $\mathbf {m}$ , vektori, määritellään seuraavasti:

m = I S . {\displaystyle \mathbf {m} =I\mathbf {S} . } $\mathbf {m} =I\mathbf {S} .$

Konvention mukaan vektorialueen suunta ilmoitetaan oikean käden otesäännön avulla (oikean käden sormien kiertäminen virran suuntaan silmukan ympäri, kun kämmen "koskettaa" silmukan ulkoreunaa, ja suora peukalo osoittaa vektorialueen ja siten magneettisen momentin suunnan).

Jos silmukka ei ole tasomainen, momentti saadaan seuraavasti

m = I ∫2 r × d r . {\displaystyle \mathbf {m} ={\frac {I}{2}}\int \mathbf {r} \times {\rm {d}}\mathbf {r} . } $\mathbf {m} ={\frac {I}{2}}\int \mathbf {r} \times {\rm {d}}\mathbf {r} .$

Yleisimmässä tapauksessa, kun kyseessä on mielivaltainen virtajakauma avaruudessa, tällaisen jakauman magneettinen momentti voidaan määrittää seuraavan yhtälön avulla:

m = ∫12 r × J d V , {\displaystyle \mathbf {m} ={\frac {1}{2}}}\int \mathbf {r} \times \mathbf {J} \,{\rm {d}}V,} $\mathbf {m} ={\frac {1}{2}}\int \mathbf {r} \times \mathbf {J} \,{\rm {d}}V,$

jossa r {\displaystyle \mathbf {r} } $\mathbf {r}$ on sijaintivektori, joka osoittaa origosta tilavuuselementin sijaintiin, ja J {\displaystyle \mathbf {J} } $\mathbf {J}$ on virran tiheysvektori kyseisessä paikassa.

Yllä olevaa yhtälöä voidaan käyttää minkä tahansa liikkuvien varausten muodostaman kokonaisuuden, kuten pyörivän varatun kiinteän kappaleen, magneettisen momentin laskemiseen korvaamalla se seuraavasti

J = ρ v , {\displaystyle \mathbf {J} =\rho \mathbf {v} ,} $\mathbf {J} =\rho \mathbf {v} ,$

jossa ρ {\displaystyle \rho } $\rho$ on sähkövarauksen tiheys tietyssä pisteessä ja v {\displaystyle \mathbf {v} } $\mathbf {v}$ on kyseisen pisteen hetkellinen lineaarinen nopeus.

Esimerkiksi ympyrärataa pitkin liikkuvan sähkövarauksen tuottama magneettinen momentti on seuraava

m = q12 r × v {\displaystyle \mathbf {m} ={\frac {1}{2}}}\,q\,\mathbf {r} \times \mathbf {v} } \times \mathbf {v} } $\mathbf {m} ={\frac {1}{2}}\,q\,\mathbf {r} \times \mathbf {v}$ ,

jossa r {\displaystyle \mathbf {r} } $\mathbf {r}$ on varauksen q {\displaystyle q} sijainti ympyrän keskipisteeseen nähden ja v {\displaystyle \mathbf {v} } $\mathbf {v}$ on varauksen hetkellinen nopeus.

Virtasilmukkamallia käyttävät harrastajat esittävät magneettikentän yleensä solenoidikentän B avulla {\displaystyle \mathbf {B} } $\mathbf {B}$ , analogisesti sähköstaattisen kentän D {\displaystyle \mathbf {D} kanssa. } $\mathbf {D}$ .

Solenoidin magneettinen momentti

Edellä esitetyn virtasilmukan yleistys on monikierroksinen kela eli solenoidi. Sen momentti on yksittäisten kierrosten momenttien vektorisumma. Jos solenoidissa on N {\displaystyle N} $N$ identtistä kierrosta (yksikerroksinen käämi),

m = N I S . {\displaystyle \mathbf {m} =NI\mathbf {S} . } $\mathbf {m} =NI\mathbf {S} .$

Kolmiulotteinen kuva solenoidista.

Momentti m {\displaystyle \mathbf {m} } $\mathbf {m}$ tasomaisen virtasilmukan, jonka pinta-ala on S {\displaystyle S} $S$ ja virta I {\displaystyle I} .

Sähköstaattinen analogia magneettiselle momentille: kaksi vastakkaista varausta, jotka on erotettu toisistaan äärellisellä etäisyydellä.

Yksiköt

Magneettisen momentin yksikkö ei ole kansainvälisen yksikköjärjestelmän (SI) perusyksikkö, ja se voidaan esittää useammalla kuin yhdellä tavalla. Esimerkiksi virtasilmukan määritelmässä pinta-ala mitataan neliömetreinä ja I {\displaystyle I} ampeereina, joten magneettinen momentti mitataan ampeeri-neliömetreinä ( A m {\displaystyle2 {\text{A m}}^{2}}} ${\text{A m}}^{2}$ ). Momenttiin kohdistuvan vääntömomentin yhtälössä vääntömomentti mitataan newtonmetreinä ja magneettikenttä teslaa, joten momentti mitataan N.m per Tesla ( N.m T - 1{\displaystyle {\text{N.m T}}^{-1}} ${\text{N.m T}}^{-1}$ ). Nämä kaksi esitystapaa ovat ekvivalentteja:

A m =2 N.m T -1 . {\displaystyle \,{\text{A m}}^{2}=\,{\text{N.m T}}^{-1}. } $\,{\text{A m}}^{2}=\,{\text{N.m T}}^{-1}.$

CGS-järjestelmässä on useita erilaisia sähkömagnetismiyksiköitä, joista tärkeimmät ovat ESU, Gaussin ja EMU. Näiden joukossa on kaksi vaihtoehtoista (ei-ekvivalenttia) magneettisen dipolimomentin yksikköä CGS:ssä:

(ESU CGS) 1 statA-cm² = 3,33564095×10^-14 (m-A² tai N.m/T)

ja (useammin käytetty)

(EMU CGS ja Gaussian-CGS) 1 erg/G = 1 abA-cm² = 10^-3 (m-A² tai N.m/T).

Näiden kahden ei-ekvivalentin CGS-yksikön suhde (EMU/ESU) on täsmälleen yhtä suuri kuin valon nopeus vapaassa avaruudessa, ilmaistuna cm/s.

Kaikki tässä artikkelissa esitetyt kaavat ovat oikeita SI-yksiköissä, mutta muissa yksikköjärjestelmissä kaavoja on ehkä muutettava. Esimerkiksi SI-yksiköissä virtasilmukalla, jonka virta on I ja pinta-ala A, on magneettinen momentti I×A (ks. alla), mutta Gaussin yksiköissä magneettinen momentti on I×A/c.

Joidenkin alkeishiukkasten luontaiset magneettiset momentit ja spinit
Hiukkanen	Magneettinen dipolimomentti SI-yksiköissä (10 ⁻²⁷J/T)	Spin-kvanttiluku (dimensioton)
elektroni	-9284.764	1/2
proton	14.106067	1/2
neutroni	-9.66236	1/2
muoni	-44.904478	1/2
deuteroni	4.3307346	1
triton	15.046094	1/2

Magneettisen momentin ja magnetoitumisen käsitteiden välisestä suhteesta katso magnetoituminen.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on magneetin magneettinen momentti?

V: Magneetin magneettinen momentti on suure, joka määrittää voiman, jonka magneetti voi kohdistaa sähkövirtaan, ja vääntömomentin, jonka magneettikenttä siihen kohdistuu.

K: Millä esineillä on magneettinen momentti?

V: Sähkövirtasilmukalla, sauvamagneetilla, elektronilla, molekyylillä ja planeetalla on magneettinen momentti.

K: Miten sekä magneettinen momentti että magneettikenttä voidaan ottaa huomioon?

V: Sekä magneettimomenttia että magneettikenttää voidaan pitää vektoreina, joilla on suuruus ja suunta.

K: Mihin suuntaan magneettimomentti osoittaa magneetissa?

V: Magneettimomentin suunta osoittaa magneetin etelänavasta pohjoisnapaan.

K: Mikä on magneetin magneettimomentin ja magneettikentän välinen suhde?

V: Magneetin tuottama magneettikenttä on verrannollinen sen magneettiseen momenttiin.

K: Mitä termillä magneettinen momentti yleensä tarkoitetaan?

V: Tarkemmin sanottuna termi magneettinen momentti viittaa yleensä järjestelmän magneettiseen dipolimomenttiin, joka tuottaa ensimmäisen termin yleisen magneettikentän moninapaiseen laajennukseen.

K: Miten kohteen magneettikentän dipolikomponentti käyttäytyy, kun etäisyys kohteesta kasvaa?

V: Kappaleen magneettikentän dipolikomponentti on symmetrinen sen magneettisen dipolimomentin suunnan suhteen, ja se pienenee kappaleen etäisyyden käänteiskuutiona.