Mômen lưỡng cực từ

Bài viết về
Điện từ học
Điện Từ học Lịch sử Giáo trình
Tĩnh điện Chất cách điện Chất dẫn điện Cảm ứng tĩnh điện Điện ma sát Điện thông Điện thế Điện trường Điện tích Định luật Coulomb Định luật Gauss Độ điện thẩm Mômen lưỡng cực điện Mật độ phân cực Mật độ điện tích Phóng tĩnh điện Thế năng điện
Tĩnh từ Định luật Ampère Định luật Biot–Savart Định luật Gauss cho từ trường Độ từ thẩm Lực từ động Mômen lưỡng cực từ Quy tắc bàn tay phải Từ hóa Từ thông Từ thế vectơ Từ thế vô hướng Từ trường
Điện động Bức xạ điện từ Cảm ứng điện từ Dòng điện Foucault Dòng điện dịch chuyển Định luật Faraday Định luật Lenz Lực Lorentz Mô tả toán học của trường điện từ Phương trình Jefimenko Phương trình London Phương trình Maxwell Tenxơ ứng suất Maxwell Thế Liénard–Wiechert Trường điện từ Vectơ Poynting Xung điện từ
Mạch điện Bộ cộng hưởng Dòng điện Dòng điện một chiều Dòng điện xoay chiều Điện dung Điện phân Điện trở Định luật Ohm Gia nhiệt Joule Hiện tượng tự cảm Hiệu điện thế Lực điện động Mạch nối tiếp Mạch song song Mật độ dòng điện Ống dẫn sóng điện từ Trở kháng
Phát biểu hiệp phương sai Tenxơ điện từ (tenxơ ứng suất–năng lượng) Dòng bốn chiều Thế điện từ bốn chiều
Các nhà khoa học Ampère Biot Coulomb Davy Einstein Faraday Fizeau Gauss Heaviside Henry Hertz Joule Lenz Lorentz Maxwell Ørsted Ohm Ritchie Savart Singer Tesla Volta Weber
x t s

Mômen từ, hay mômen lưỡng cực từ (magnetic dipole moment) là đại lượng vật lý, đặc trưng cho độ mạnh yếu của nguồn từ. Trong trường hợp đơn giản là một dòng điện kín, mômen lưỡng cực từ được định nghĩa bởi:

${\displaystyle \mathbf {m} =I\iint _{S}d\mathbf {a} }$

với ${\displaystyle d\mathbf {a} =r^{2}\sin \theta \,dr\,d\theta }$ là vi phân véctơ diện tích (có độ lớn là diện tích, chiều là véctơ pháp tuyến của mặt đó, xác định từ quy tắc bàn tay phải, ${\displaystyle I}$ là cường độ dòng điện. Trong trường hợp một điện tích chuyển động quay, mômen từ sẽ được cho bởi biểu thức:

${\displaystyle \mathbf {m} ={\frac {1}{2}}\iiint _{V}\mathbf {r} \times \mathbf {J} \cdot r^{2}\sin \theta \,dr\,d\theta \,d\phi }$

với ${\displaystyle \mathbf {J} }$ là mật độ dòng điện.

Trong vật lý nguyên tử, vật lý hạt nhân, người ta dùng khái niệm mômen từ của các hạt, có đơn vị là magneton Bohr (hay Bohr magneton, ký hiệu là ${\displaystyle \mu _{B}=}$). Mômen từ của các hạt liên quan đến chuyển động nội tại của các hạt (chuyển động spin) hoặc mômen từ của nguyên tử được tạo ra từ mômen từ tổng cộng của các hạt (chuyển động spin) và chuyển động trên quỹ đạo của các hạt. Trong một hệ hạt, mômen từ được xác định bởi tổng mômen từ của các hạt thành phần.

Mômen từ có thể giải thích bằng mô hình một thanh nam châm thẳng có các từ cực nằm ở 2 đầu và ngược dấu nhau. Mỗi từ cực là một nguồn tạo ra lực từ có độ lớn giảm dần theo khoảng cách. Khi 2 cặp đơn cực từ này kết hợp với nhau thành một cặp, các lực tương tác sẽ ngược chiều nhau và tạo nên mômen lưỡng cực, tỉ lệ với độ lớn của đơn cực từ và khoảng cách giữa chúng:

${\displaystyle \mu =p.d}$

và ở đây, ${\displaystyle \mu }$ chính là mômen lưỡng cực từ Bất cứ một vật thể mang điện nào khi chuyển động quay đều tạo ra mômen từ, mômen từ cũng là đặc trưng của các hạt cơ bản. Mômen từ của một hệ xác định trên một đơn vị thể tích hay một đơn vị khối lượng tạo ra độ từ hóa. Đơn vị của mômen từ là ${\displaystyle A.m^{2}}$

Khi một vật thể có mômen từ m đặt trong từ trường có cảm ứng từ B, sẽ có một mômen lực tác dụng lên mômen lưỡng cực từ cho bởi:

T = m × B

Mômen lực này khiến cho các mômen lưỡng cực từ có xu hướng định hướng theo chiều từ trường. Đây là nguyên lý hoạt động của la bàn hay nhiều loại động cơ điện.

Do lực từ tác động lên môment từ là lực thế, các mômen từ nằm trong từ trường cũng có thế năng:

U = -m.B

Nếu mômen từ nằm trong từ trường không đều, nó vừa chịu mômen lực vừa chịu lực đẩy hoặc kéo F:

${\displaystyle \mathbf {F} =-\nabla \cdot U=\nabla \cdot (\mathbf {m} .\mathbf {B} )}$

Lực hút đẩy này lý giải lực hút đẩy giữa các nam châm.

Điện tử trong nguyên tử có mômen từ tạo nên do đóng góp của 2 thành phần:

• Mômen từ quỹ đạo: được tạo ra khi điện tử chuyển động quanh hạt nhân. Theo cơ học lượng tử, giá trị này bị gián đoạn và có độ lớn:

${\displaystyle \mu _{l}={\sqrt {l(l+1)}}\mu _{B}}$

hình chiếu của nó lên trục của từ trường sẽ nhận giá trị:

${\displaystyle \mu _{l}=m_{l}\mu _{B}}$

với ${\displaystyle l,m_{l}}$ là số lượng tử quỹ đạo và số lượng tử từ.

• Mômen từ spin: do điện tử có moment riêng spin (xem bài Spin).

Và mômen từ tổng cộng của điện tử trong nguyên tử sẽ là:

${\displaystyle m=-g_{J}.J.\mu _{B}}$

với ${\displaystyle J}$ là mômen tổng cộng tạo nên từ 2 mômen spin và quỹ đạo

${\displaystyle g_{J}=1+{\frac {J(J+1)+S(S+1)-L(L+1)}{2J(J+1)}}}$ là thừa số Landé, ${\displaystyle L,S}$ là các số lượng tử quỹ đạo và spin.

Mômen từ hạt nhân được tạo nên từ mômen từ riêng của các hạt thành phần cấu tạo nên hạt nhân (proton, neutron..)

• Độ từ hóa
• Từ tính