Магнитный момент

Мы видели, что величина магнитного поля характеризуется напряженностью. Чем больше напряженность магнитного поля, тем сильнее оно действует на внесенный в него магнит. Однако сила, с которой действует магнитное поле на различные магниты, помещенные поочередно в одну и ту же точку поля, оказывается различной. Следовательно, существует величина, при помощи которой характеризуются магнитные качества самого магнита. Такой величиной является магнитный момент (или магнитный дипольный момент) магнита. Чтобы составить представление о магнитном моменте магнита, отвлечемся несколько в сторону от изложения физики магнитных явлений.

Представим себе три шарика, один из которых находится на дне лунки, второй – на вершине возвышенности и третий – на горизонтальной плоскости (рис. 10). Поскольку у всех трех шариков отвесная линия, проведенная из центра их тяжести, проходит через точку опоры, то все три шарика будут находиться в состоянии равновесия. Однако эти равновесные состояния носят различный характер. Если шарик, находящийся в лунке, мы отклоним от положения равновесия, то, предоставленный в дальнейшем самому себе, шарик будет двигаться к положению, которое он занимал прежде, т. е. ко дну лунки.

При выводе шарика из положения равновесия мы поднимали его вверх, что увеличивало его потенциальную энергию. Предоставленный самому себе, шарик двигался к месту, в котором его потенциальная энергия минимальна. Такой вид равновесия, при котором тело, выведенное из положения равновесия, само к нему возвращается, носит название устойчивого. Тело находится в состоянии устойчивого равновесия в том случае, если потенциальная энергия его минимальна, т. е. если во всех соседних точках она больше.

Если вывести из состояния равновесия шарик, находящийся на вершине возвышенности, а затем предоставить его самому себе, то он уже не вернется в прежнее положение, а наоборот, будет от него удаляться. Равновесие в этом случае будет неустойчивым, а потенциальная энергия максимальной, т. е. будет иметь большее значение, нежели потенциальная энергия в любой соседней с вершиной точке. В третьем случае, при перемещении шарика по горизонтальной плоскости, потенциальная энергия его меняться не будет. Такой вид равновесия называется безразличным.

Теперь рассмотрим поведение магнитной стрелки в магнитном поле. Пусть магнитное поле направлено так, как показано на рис. 11, и ось магнитной стрелки составляет с направлением поля угол, равный а. Если предоставить стрелку самой себе, то она начнет поворачиваться до тех пор, пока не установится в направлении поля, т. е пока угол между осью стрелки и направлением поля не станет равным нулю.

В этом положении магнитная стрелка установится и будет находиться в состоянии равновесия. Если ее вывести из этого состояния, т. е. отклонить на некоторый угол и затем предоставить самой себе, то стрелка вновь вернется в прежнее положение, при котором ось ее будет совпадать с направлением поля.

Равновесие, при котором ось стрелки совпадает с направлением магнитного поля, будет устойчивым равновесием и, следовательно, в этом состоянии потенциальная энергия магнитной стрелки будет минимальной.

Чтобы отклонить магнитную стрелку от состояния устойчивого равновесия, требуется совершить некоторую работу. Работа эта будет, очевидно, тем больше чем больше угол, на который поворачивается стрелка чем больше напряженность магнитного поля и, наконец работа будет зависеть от качества самой магнитной стрелки или, как говорят, от ее магнитного момента. За единицу магнитного момента принимают магнитный момент такого магнита, для поворота оси которого на 90° от направления поля напряженностью в 1 эрстед требуется затратить работу, равную одному эргу.

Каждый магнит обладает вполне определенным магнитным моментом равным произведению, характеризующим магнитный заряд на одном из его полюсов, на расстояние l между полюсами µ=ml
Вполне определенным магнитным моментом обладают также и соленоид, и круговой ток. Магнитный момент кругового тока определяется формулой

µ = 0,1 iS (4)
где i – сила тока в амперах, S- площадь, обтекаемая током, в квадратных сантиметрах, или

µ = -1/c x iS (5)
если i выражено в абсолютных электростатических единицах.