Efeito Einstein – de Haas - Einstein–de Haas effect

O efeito Einstein – de Haas é um fenômeno físico no qual uma mudança no momento magnético de um corpo livre faz com que esse corpo gire. O efeito é uma consequência da conservação do momento angular . É forte o suficiente para ser observado em materiais ferromagnéticos . A observação experimental e a medição precisa do efeito demonstraram que o fenômeno de magnetização é causado pelo alinhamento ( polarização ) dos momentos angulares dos elétrons no material ao longo do eixo de magnetização. Essas medidas também permitem a separação das duas contribuições para a magnetização: aquela que está associada ao spin e ao movimento orbital dos elétrons. O efeito também demonstraram a relação próxima entre as noções de momento angular em clássica e em física quântica .

O efeito foi previsto por OW Richardson em 1908. Seu nome é uma homenagem a Albert Einstein e Wander Johannes de Haas , que publicou dois artigos em 1915 reivindicando a primeira observação experimental do efeito.

Descrição

O movimento orbital de um elétron (ou qualquer partícula carregada) em torno de um determinado eixo produz um dipolo magnético com o momento magnético de onde e estão a carga e a massa da partícula, enquanto é o momento angular do movimento. Em contraste, o momento magnético intrínseco do elétron está relacionado ao seu momento angular intrínseco ( spin ) como (ver fator g de Landé e momento de dipolo magnético anômalo ).

Se vários elétrons em uma unidade de volume do material têm um momento angular orbital total de em relação a um determinado eixo, seus momentos magnéticos produziriam a magnetização de . Para a contribuição do spin a relação seria . Uma mudança na magnetização , implica uma mudança proporcional no momento angular , dos elétrons envolvidos. Desde que não haja torque externo ao longo do eixo de magnetização aplicado ao corpo no processo, o resto do corpo (praticamente toda a sua massa) deve adquirir um momento angular devido à lei de conservação do momento angular .

Configuração experimental

Configuração experimental

Os experimentos envolvem um cilindro de um material ferromagnético suspenso com o auxílio de uma fina corda dentro de uma bobina cilíndrica que é usada para fornecer um campo magnético axial que magnetiza o cilindro ao longo de seu eixo. Uma mudança na corrente elétrica na bobina altera o campo magnético que a bobina produz, o que altera a magnetização do cilindro ferromagnético e, devido ao efeito descrito, seu momento angular . Uma mudança no momento angular provoca uma mudança na velocidade de rotação do cilindro, monitorada por dispositivos ópticos. O campo externo interagindo com um dipolo magnético não pode produzir nenhum torque ( ) ao longo da direção do campo. Nestes experimentos a magnetização ocorre ao longo da direção do campo produzido pela bobina magnetizante, portanto, na ausência de outros campos externos, o momento angular ao longo deste eixo deve ser conservado.

Apesar da simplicidade de tal layout, os experimentos não são fáceis. A magnetização pode ser medida com precisão com a ajuda de uma bobina de captação ao redor do cilindro, mas a mudança associada no momento angular é pequena. Além disso, os campos magnéticos ambientais, como o campo terrestre, podem fornecer um impacto mecânico de 10 7 a 10 8 vezes maior no cilindro magnetizado. Os últimos experimentos precisos foram feitos em um ambiente desmagnetizado especialmente construído com compensação ativa dos campos ambientais. Os métodos de medição normalmente usam as propriedades do pêndulo de torção , fornecendo corrente periódica para a bobina de magnetização em frequências próximas à ressonância do pêndulo. As experiências de medir directamente a relação: e derivar o factor de giromagnético adimensional do material a partir da definição: . A quantidade é chamada de razão giromagnética .

História

O efeito esperado e uma possível abordagem experimental foram descritos pela primeira vez por Owen Willans Richardson em um artigo publicado em 1908. O spin do elétron foi descoberto em 1925, portanto, apenas o movimento orbital dos elétrons foi considerado antes disso. Richardson derivou a relação esperada de . O jornal mencionou as contínuas tentativas de observar o efeito em Princeton.

Nesse contexto histórico, a ideia do movimento orbital dos elétrons nos átomos contradizia a física clássica. Essa contradição foi abordada no modelo de Bohr em 1913, e mais tarde foi removida com o desenvolvimento da mecânica quântica .

SJ Barnett , motivado pelo artigo de Richardson, percebeu que o efeito oposto também deveria acontecer - uma mudança na rotação deveria causar uma magnetização (o efeito Barnett ). Ele publicou a ideia em 1909, após o qual prosseguiu os estudos experimentais do efeito.

Einstein e de Haas publicaram dois artigos em abril de 1915 contendo uma descrição do efeito esperado e os resultados experimentais. No artigo "Prova experimental da existência das correntes moleculares de Ampère" eles descreveram em detalhes o aparato experimental e as medições realizadas. Seu resultado para a relação entre o momento angular da amostra e seu momento magnético (os autores o chamaram ) foi muito próximo (dentro de 3%) do valor esperado de . Percebeu-se posteriormente que seu resultado com a incerteza cotada de 10% não era consistente com o valor correto que está próximo de . Aparentemente, os autores subestimaram as incertezas experimentais.

SJ Barnett relatou os resultados de suas medições em várias conferências científicas em 1914. Em outubro de 1915, ele publicou a primeira observação do efeito Barnett em um artigo intitulado "Magnetização por rotação". Seu resultado para foi próximo do valor certo de , o que foi inesperado na época.

Em 1918, JQ Stewart publicou os resultados de suas medições, confirmando o resultado de Barnett. Em seu artigo, ele estava chamando o fenômeno de 'Efeito Richardson'.

Os experimentos a seguir demonstraram que a razão giromagnética para o ferro é de fato próxima, em vez de . Este fenômeno, apelidado de "anomalia giromagnética", foi finalmente explicado após a descoberta do spin e introdução da equação de Dirac em 1928.

Literatura sobre o efeito e sua descoberta

Relatos detalhados do contexto histórico e as explicações do efeito podem ser encontrados na literatura. Comentando sobre os artigos de Einstein, Calaprice em The Einstein Almanac escreve:

52. "Experimental Proof of Ampère's Molecular Currents" (Experimenteller Nachweis der Ampereschen Molekularströme) (com Wander J. de Hass). Deutsche Physikalische Gesellschaft, Verhandlungen 17 (1915): 152-170.

Considerando a hipótese de Ampère de que o magnetismo é causado pelos movimentos circulares microscópicos de cargas elétricas, os autores propuseram um projeto para testar a teoria de Lorentz de que as partículas em rotação são elétrons. O objetivo do experimento era medir o torque gerado por uma reversão da magnetização de um cilindro de ferro.

Calaprice escreve ainda:

53. "Prova experimental da existência de correntes moleculares de Ampère" (com Wander J. de Haas) (em inglês). Koninklijke Akademie van Wetenschappen te Amsterdam, Proceedings 18 (1915-16).

Einstein escreveu três artigos com Wander J. de Haas sobre o trabalho experimental que fizeram juntos nas correntes moleculares de Ampère , conhecido como efeito Einstein – De Haas. Ele imediatamente escreveu uma correção no artigo 52 (acima) quando o físico holandês HA Lorentz apontou um erro. Além dos dois artigos acima [isto é, 52 e 53], Einstein e de Haas co-escreveram um "Comentário" no artigo 53 no final do ano para o mesmo periódico. Esse tópico estava apenas indiretamente relacionado ao interesse de Einstein pela física, mas, como escreveu ao amigo Michele Besso : "Na minha velhice, estou desenvolvendo uma paixão pela experimentação".

O segundo artigo de Einstein e de Haas foi comunicado aos "Anais da Academia Real Holandesa de Artes e Ciências" por Hendrik Lorentz, que era o sogro de de Haas. De acordo com Frenkel, Einstein escreveu em um relatório para a Sociedade Física Alemã: "Nos últimos três meses, realizei experimentos juntamente com de Haas-Lorentz no Imperial Physicotechnical Institute que estabeleceram firmemente a existência de correntes moleculares de Ampère." Provavelmente, ele atribuiu o nome hifenizado a de Haas, não significando tanto de Haas quanto HA Lorentz .

Medições e aplicações posteriores

O efeito foi usado para medir as propriedades de vários elementos ferromagnéticos e ligas. A chave para medições mais precisas era uma melhor blindagem magnética, enquanto os métodos eram essencialmente semelhantes aos dos primeiros experimentos. Os experimentos medem o valor do fator g (aqui usamos as projeções dos pseudovetores e no eixo de magnetização e omitimos o sinal). A magnetização e o momento angular consistem nas contribuições do spin e do momento angular orbital : , .

Usando as relações conhecidas , e , onde é o factor g para o momento magnético anómalo do electrão, pode-se derivar a relativa rotação contribuição para a magnetização como: .

Para o ferro puro, o valor medido é , e . Portanto, no ferro puro 96% da magnetização é fornecida pela polarização dos spins dos elétrons , enquanto os 4% restantes são fornecidos pela polarização de seus momentos angulares orbitais .

Veja também

Referências

links externos

  • "O único experimento de Einsteins" [1] (links para um diretório da Home Page do Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Alemanha [2] ). Aqui está uma réplica do aparato original no qual o experimento Einstein – de Haas foi realizado.