Несколько столетий назад родилось понятие магнетизма как физического явления. Оно определялось как форма взаимодействия электрических зарядов, которые постоянно находятся в состоянии движения. Это взаимодействие осуществляется под действием еще одной невидимой силы - магнитного поля. Его удалось вычислить при помощи формул и создать математическую модель.
На рубеже 19 и 20 веков, когда были определены основные понятия в классической квантовой физике, ориентирующейся на физические процессы, происходящие в микромире атомных частиц, родилась квантовая теория магнетизма. Сегодня установлено, что в этом процессе принимают участие квантовые частицы – бозоны и фотоны.
Магнитная восприимчивость
Статья: Квантовая теория магнетизма
Ученые определили, что для каждого тела, заключенного в черный ящик, где есть напряжение на выходе, а не входе подается ток, можно подсчитать его передаточный импеданс. Однако также существует понятие магнитной восприимчивости. Оно характеризуется функцией отклика. Такой отклик подается на магнитное поле. Исследователи полагают, что точно магнитную восприимчивость вычисли очень сложно. Система вычислений будет содержать очень крупные числа, которыми трудно оперировать. В этом случае применяют метод составления анализа магнитной восприимчивости. Он формируется на основе измерений и предполагает большую работу по подготовке.
По ее поведению устанавливают самые важные процессы, которые протекают в изучаемой системе. Потом ее изучают и составляют анализ, где учитываются все подобные процессы. Для реализации программы расчетов необходимо знать о процессах, которые возможны в такой системе, а также их влияния на восприимчивость.
Чтобы определить значение восприимчивости необходимо знать показатели намагниченности. Она создается приложенным магнитным полем. При расчете общим способом, в оборот берется зависимость магнитного поля от пространственных и временных координат. Когда поле находится в зависимости от времени, то вся система находится в тепловом равновесии. Для вычисления функции распределения необходимо учитывать уравнения движения.
В уравнениях Максвелла есть определение магнитного момента. Намагниченность получается на основе усреднения магнитных моментов ионов. Для выполнения усреднения необходимо знать распределение ионных токов. В общем случае расчетов такое понятие неизвестно математиками, поэтому есть объективная сложность во всей теории магнетизма.
Ученые применяют два метода решения этой проблемы:
- метод локализованных моментов;
- метод делокализованных моментов.
При достижении результата намагниченности следует найти среднее значение оператора текущего магнитного момента.
Обобщенная восприимчивость
При рассмотрении понятия восприимчивости обычно берут во внимание среду, где отклик присутствует в равных долях к воздействию. При неоднородной среде отклик зависит от более высоких степеней воздействия.
Затем используют метод вторичного квантования. Магнетизм в металлических субстанциях предстает в виде многочастотного явления. Многочастичная волновая функция удовлетворяет уравнению Шредингера. Коэффициенты в разложенной функции зависят от квантовых чисел. При использовании чисел заполнения статистика учитывается не коэффициентами разложения, а базисными функциями.
Магнитный гамильтониан
Рассматриваемые свойства магнетизма обязаны своим происхождением электронам. Это было подтверждено на экспериментальном уровне. Установлено, что электрон обладает собственным магнитным моментом. При описании движения электрона используются релятивистские способы изучения, а также уравнение Дирака и источники поля.
При исследовании однородного гамильтониана с одним электроном установлено, что взаимодействие идет с электроном и его окружением. Самый простой метод имеют потенциалы с однородным внешним полем. В качестве дополнительных источников изучения используется:
- электрическое квадрупольное поле;
- операторная эквивалентность;
- дипольное магнитное поле;
- другие электроны этого же иона;
- кристаллическое электрическое поле.
В отличие от магнитного гамильтониана, который является прямым и общим, если знать его функции. Однако подобные данные недоступны, поэтому точных расчетов достичь не удается.
Статическая восприимчивость невзаимодействующих систем
Гамильтониан предстает в виде суммы отдельных членов. Для остальных систем существуют не взаимодействующие элементы. Так как явление магнетизма прочно связано с понятиями проводников и диэлектриков, многие математики используют их при составлении квантовой теории магнетизма. Диэлектрики характеризуются распределением заряда, и он неплохо локализован в конкретной ячейке. Эти системы описываются локализованными эффективными спинами. Однако, из-за того, что во многих природных элементах остается непонятой магнитный момент и его распределение, то дальнейшие вычисления также проводятся особыми методами.
Физик Ландау проводит эксперименты над неферромагнитными металлами. На приложенном поле впервые были исследована статическая реакция. Его коллега в это же рассмотрел спиновый парамагнетизм. Сам Ландау предпринял попытки распознать орбитальный диамагнетизм.
При измерении самой восприимчивости существует немало специальных методов. Все они основаны на том, что ест образец с удельной восприимчивостью. Если образец поместить на конец маятника, который висит под прямым углом по отношению к поверхности, то возникнет крутильный момент. Сбалансировать крутильный момент от образца возможно противоположным крутильным моментом. Он достигается при пропускании через элемент системы электрического тока. Оно проходит через соленоид. В остальных случаях измерение сводится к измерению тока, которое равно нулевому смещению. Для материалов с сильномагнитным полем используется магнитометр с вибрирующим образцом.
