Магнитный момент
Магни́тный моме́нт, векторная физическая величина, характеризующая магнитные свойства замкнутого контура, обтекаемого электрическим током, или другого, эквивалентного ему в магнитном смысле, физического объекта (например, отдельного атома или другой системы движущихся зарядов). Для замкнутого контура с током магнитный момент определяется выражениемгде – геометрическая поверхность произвольной формы, ограниченная контуром с током, – малый элемент этой поверхности, который можно принять за часть плоскости, – единичный вектор, направленный перпендикулярно к в сторону, согласующуюся с направлением протекания тока по правилу правого винта. Величина и направление магнитного момента не зависят от выбора поверхности , и для контура с током , целиком лежащего в плоскости, где – площадь части плоскости, ограниченной контуром с током, – единичный вектор, направленный перпендикулярно в сторону, согласующуюся с направлением протекания тока по правилу винта.
Размерность магнитного момента в Международной системе единиц СИ (SI) – А ∙ м2, или Вб ∙ м, или Дж/Тл; в системе единиц СГС – эрг/Гс; .
На расстояниях, больших по сравнению с геометрическими размерами контура с током, его магнитное поле перестаёт зависеть от формы контура и определяется только значением его магнитного момента. Вектор магнитной индукции в вакууме задаётся в этом случае выражением (полностью аналогичным выражению для напряжённости электрического поля, создаваемого дипольным моментом): где – радиус-вектор, проведённый от магнитного момента в точку пространства, в которой определяют ; и – единичные векторы, направленные по и соответственно; – угол между векторами и ; – магнитная постоянная. Величина вектора индукции магнитного поля определяется выражением: На объект с магнитным моментом , находящийся в магнитном поле с магнитной индукцией , действует механический вращающий момент , стремящийся повернуть объект так, чтобы его магнитный момент оказался направленным вдоль вектора .
В однородном магнитном поле на магнитный момент, кроме вращающего момента, действует также сила где – единичные векторы соответствующих координатных осей; и – проекции векторов и на ось , и – на ось , и – на ось .
Магнитным моментом обладают отдельные атомы и молекулы, что обусловлено движением электронов в них – т. е. внутриатомными микроскопическими токами, как это предположил А. Ампер (1826). Он опирался на опыты Ш. Кулона, исследовавшего законы силового взаимодействия постоянных магнитов и установившего невозможность отделения противоположных магнитных полюсов друг от друга (т. е. отсутствие в природе отдельных магнитных зарядов как источников магнитного поля, аналогичных электрическим зарядам – источникам электрического поля).
Как показал опыт, магнитными моментами обладают также и элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны и др.), подчиняющиеся законам не классической, а квантовой механики. Квантовая механика предсказывает (и это предсказание находится в полном соответствии с экспериментом), что величины магнитных моментов отдельных элементарных частиц (собственные магнитные моменты) и электронов в атомах, движущихся в своих электронных оболочках (орбитальные магнитные моменты), а также значения проекций магнитных моментов на внешнее магнитное поле могут принимать только вполне определённые дискретные значения (в отличие от классических макроскопических магнитных моментов).
Собственный магнитный момент электрона, связанный с его квантовой характеристикой – спином, равен магнетону Бора. После уточнений Международной системы единиц СИ (SI) (2019), сделавших значения некоторых фундаментальных констант точно определёнными, магнетон Бора равен (с погрешностью в двух последних значащих цифрах): где – заряд электрона (точное значение), – масса электрона, – постоянная Планка (точное значение). Проекция орбитального магнитного момента на направление внешнего магнитного поля также кратна .
Магнитный момент атомных ядер в тысячи раз меньше магнитного момента электронов.