FORMULES de PHYSIQUE
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Q5.GYROMAGNÉTISME
-électromagnétisme et particules
La LOI de LORENTZ donne la force à laquelle est soumise une particule dans un champ électromagnétique
F = Q.(Zm.H + v.B)
avec F(N)= force à laquelle est soumise une particule ayant une vitesse v(m/s)
Q(C)= charge de la particule
B(T)= champ d’induction magnétique ambiant
Zm(Ω-sr)= impédance de milieu
H(V/m)= champ d’excitation magnétique
[nota : (Zm.H) = E = le champ d'induction électrique, exprimé en V/m]
MOMENT ÉLECTRIQUE coulombien d'une PARTICULE
Equation aux dimensions du moment électrique coulombien
(moment induit): L.T.I
Symbole de désignation : Mé Unité S.I.+ = le Coulomb-mètre (C-m)
Relations entre unités :
1 Debye vaut 3,335.10-30 C-m
1 e-cm vaut 1,602.10-21 C-m
-définition
Mé = Q.l
où Mé(C/m)= moment électrique coulombien d’une particule chargée (formant dipôle)
Q(C)= charge sur chaque pôle
l(m)= distance entre pôles
-valeurs pratiques
Le moment coulombien de la molécule d'eau est de 1,86 Debye (soit 6,2.10-30 C-m)
Celui de la molécule d'acide chlorhydrique de 1,03 Debye
Pour de plus petites particules, les valeurs sont à ce jour encore assez mal
mesurées (de l’ordre de 10-45 à 10-50 C/m)
MOMENT ÉLECTRIQUE QUADRUPOLAIRE
Le potentiel électrostatique d'excitation produit par un ensemble de particules voisines, est exprimable par un viriel du genre loi de Coulomb :
W = (e / Ω.l).((Z + (K1 / l).y1).cosθ + (K2 / l²).y2).cosθ + …..))
où W(C/m-sr) est le potentiel
e(C) la charge élémentaire
Ω(sr) l'angle solide
Z le numéro atomique
K1,2... les coefficients dipolaires, quadripolaires, etc
y1,2... les polynomes de Legendre
θ(rad) l'angle entre la direction de (l) et l'axe du moment cinétique de la particule globale
l(m) la distance d'interaction
Pour une structure particulaire comportant quatre charges réparties aux quatre sommets du parallélogramme S formant sa structure, on limite le viriel au 2° terme
Et si l'on considère le moment issu du potentiel W, c'est un moment quadrupolaire électrique (cas particulier d’un moment électromagnétique )
C'est Mm= Q. K2
Cas pour un deuton, par exemple: K2 = 2,8.10-31 m²
Cas d'un noyau atomique:
Mm= Z.e.V / lr
avec lr(m)= rayon du noyau
V(m3)= volume du noyau
e(C)= charge élémentaire(1,6021733.10-19 C)
Cas d'un noyau de forme ellipsoïdale (grand axe lb et petit axe la) >>>
Mm = (0,4).e.Z.(lb² - la²)
-facteur gyromagnétique
Quand une particule est soumise à un champ magnétique extérieur, ses nombres quantiques J et S sont perturbés.
On doit alors leur affecter respectivement un coefficient numérique correcteur nommé facteur gyromagnétique
Ce sont 2 nombres (F'g1) pour J et(F'g2) pour S
F'g2 est nommé "facteur de Landé"
Nota: certains utilisent parfois le terme "facteur gyromagnétique"pour désigner l'inverse du rapport gyromagnétique (grandeur dimensionnelle): c'est une erreur car un inverse est un inverse, mais pas un facteur (qui est un nombre scalaire)
NÉCESSITÉ des FACTEURS GYROMAGNÉTIQUES
Ils interviennent dans l'expression de l'énergie :
A*é = μ’.B(J.F’g1+ L+ S.F’g2)
avec A*é(J/sr)= énergie spatiale électromagnétique pour une particule
μ'(J/T-sr)= magnéton
B(T)= champ d’induction magnétique
J, L , S= nombres quantiques
F’g1, F’g2 (2 nombres)= facteurs gyromagnétiques
Ces facteurs F'g varient légèrement (anomalie) car le champ B permet la récupèration de quanta d’énergie perturbatifs (pris à l'énergie du vide, lors de ses fluctuations)
Exemple: la valeur de F’g2 pour l'électron est mesurée = 2,002319 (alors qu'en théorie de Dirac, c'est précisément "2").On suppute que cette différence (d'un gros millième) provient d'une production de l'énergie du vide
Le facteur de Landé pour le proton vaut 5,5867 , pour le neutron = 3,8261 et pour le muon = 2,002 (comme l'électron)
-gyration de particule
Une particule chargée placée dans un champ électromagnétique subit une force de Lorentz: FL = Q.v.B + Q.E + Fe
Q(C) est la charge électrique
v(m/s) est la vitesse
B(T) est le champ d'induction magnétique et E(V/m) le champ électrique d'induction
Fe(N) est la force externe
Le mouvement résultant se décompose en une partie de rotation uniforme dite GYRATION et une autre composante de translation (du centre de la rotation) avec une vitesse dite d’entraînement
1.le rayon de gyration est ly = m.v / Q.B
où ly(m)= rayon de gyration, m(kg)= masse de la particule, v(m/s)= vitesse de la particule
B(T)= composante perpendiculaire du champ d'induction magnétique
Q(C)= charge de la particule
2.la fréquence de gyration est fy = Q / 2m.B
-gyromagnétisme
Le gyromagnétisme concerne l'ensemble des phénomènes où interviennent conjointement la gravitation et l'électromagnétisme -au niveau particulaire-
On utilise surtout les notions suivantes :
La PÉRIODE GYROMAGNÉTIQUE
est la durée de révolution d'une particule
tg = mé².lé² / T.e
tg(s)= période gyromagnétique
T(Wb/m)= potentiel d'induction magnétique
e(C), lé(m) et mé(kg) sont respectivement charge, rayon et masse de la particule
LERAPPORT GYROMAGNÉTIQUE
est le rapport entre la charge électrique Q(C) supportée par un élément de masse.m(kg) c'est : g' (C/kg)= Q / m voir chapitre spécial rapport gyromagnétique
LES FACTEURS GYROMAGNÉTIQUES
sont deux correctifs qu'il est nécessaire d'appliquer aux caractéristiques des particules, quand elles sont soumises à un champ magnétique extérieur.En effet cela affecte alors leur moment cinétique et leurs vibrations.
Le premier facteur gyromagnétique est symbolisé F'g1
Le second facteur gyromagnétique est symbolisé F'g2 et est nommé "facteur de Landé"
Voir chapitre spécial facteurs gyromagnétiques
: certains dénomment "facteur gyromagnétique" l'inverse du rapport gyromagnétique: c'est grotesque
-magnéton
Un magnéton est un moment électrocinétique, quand il s'agit de particules
Synonyme: moment magnétique angulaire ou moment magnétique intrinsèque
ou moment magnétique de spin
Mais ce n'est absolument pas un moment dipolaire ampèrien (qui lui, n'est pas angulaire, ayant comme dimension = L².I)
Equation aux dimensions du magnéton : L².I.A -1 Symbole : μ '
Unité d'usage : l'électronvolt par Tesla-stéradian, qui vaut 1,602.10-19 J/T-sr
Une particule non chargée électriquement a un moment cinétique, car elle est en rotation
Quand une particule est chargée, elle présente le susdit moment cinétique + un nouveau moment, créé par la rotation de la charge qu'elle porte et qu'on nomme magnéton
Le magnéton est donc le complément (en électromagnétisme) du moment cinétique (en mécanique)
DEFINITION du MAGNETON
μ' = E / H’ = E.Ω / B
avecμ'(J/T-sr)= magnéton d’une particule dont la magnétisation est H’(T-sr)
E(J)= son énergie potentielle
B(T)= champ d’induction magnétique
Ω(sr)= angle solide dans lequel se déroule le phénomène (égal à 4p sr seulement si tout l’espace est concerné et si l’on est dans le système d’unités S.I.+)
Le magnéton est aussi le moment d'un
FLUX d'excitation magnétique (B') >>> μ' = l.B'
RELATION avec la MECANIQUE
μ' = Q.Mci / 2m
où μ'(J/T-sr)= magnéton d’une particule de charge Q(C) et de masse m(kg)
Mci(J-s/sr)= moment cinétique intrinsèque de la particule
En physique quantique, Q et Mci ont des valeurs particulières, bien déterminées et alors la formule devient : μ' = n.e.h/ 2m
(car Q est devenue n fois la charge unitaire e = 1,602.10-19Coulomb et Ma est devenu h = moment cinétique quantifié, dit "constante de Planck réduite", valant 1,054.10-34J-s/rad
-relation gyromagnétique
La formule ci-dessus indique la liaison entre la gravitation et l'électromagnétisme sous la forme
Q / m qui est le rapport gyromagnétique
On peut donc écrire μ' = Mci.g' où g'(C/kg)= rapport gyromagnétique
COUPLAGE
Quand une particule est complexe, il y a des infra-particules qui tournent autour d'un noyau central (lui-même rotatif) et alors, le moment cinétique devient nécessairement le groupage (couplage) entre ceux des divers éléments particulaires
Il en est de même pour la partie électriquement chargée : le moment intrinsèque (structure de base) doit être couplé aux moments magnétons des composants et tout cela forme un «magnéton global» μ' = Mg / αé où Mg(A-m²)= moment magnétique total de la particule
et αé la constante de couplage de l’électromagnétisme
VALEURS PARTICULIÈRES DE MAGNÉTONS
Les magnétons varient en fonction du rapport (Q / m) donc à charge égale, la plus grosse particule a le plus petit magnéton
-pour l'électron, portant la plus petite des charges (une seule charge élémentaire) le magnéton est dit magnéton de Bohr (ou quantum magnétique) et sert de référence. Il vaut :
μ'B= [e.h / 2mé] soit μ'B= 9,2740154.10-24 J/T-sr (ou 5,788 .10-17eV / T-sr)
Mais le magnéton de l'électron réellement mesuré est = 9,28477.10-24J/T-sr (donc 1,00115965 fois μ'B)(cette anomalie est due aux quanta d’énergie perturbatifs, issus des fluctuations du milieu universel -dit aussi “vide”-)
-le magnéton théorique d’un nucléon (particule formée de plusieurs constituants) est dit "magnéton nucléaire" et vaut (μ'N) = 5,0508.10-27J/T-sr (ou 3,152.10-20 eV / T-sr)
-le magnéton réel d'un proton (qui est un cas de nucléon) est cependant plus petit, car influencé par les précessions :c'est μ'p= 2,7928473.μ'N soit 1,410.10-26 J/T-sr
-le magnéton du neutron (qui est un autre cas de nucléon) est μ'n= 9,662.10-27J/T-sr
-le magnéton du deuton est μ'd= 4,3367.10-27J/T-sr
-le magnéton du muon est μ'm= 4,4905.10-26J/T-sr
-rapport gyromagnétique
RÔLE du RAPPORT GYROMAGNÉTIQUE
On sait que les équations d'interaction de la gravitation et de l'électromagnétisme sont similaires (que ce soient les flux, les champs, les potentiels, etc)
Et c'est normal, car une charge électrique est portée par une particule massique, donc elle s'y superpose en respectant les mêmes structures et lois. La seule chose qui change dans ces équations est la permutation de la masse par la charge électrique et un principe de répulsion au lieu d'attraction
Il est donc commode d'utiliser un rapport comparatif entre les notions électrique et massique et ce rapport entre la charge (électrique) d’un corps et sa masse est nommé :
En macro-électricité >>> charge spécifique voir chapître spécial
En micro-électricité >>> rapport gyromagnétique (ou constante gyromagnétique) ou magnetogyric en anglais
Equation aux dimensions : M-1.T.I Symbole de désignation : γ'
Unité S.I + : Coulomb par kilog (C/kg) et parfois le Mégahertz par Tesla (valant 106 C/kg)
DEFINITION du RAPPORT GYROMAGNETIQUE
γ' = Q / m
où γ'(C/kg)= rapport gyromagnétique d’un élément de masse m(kg) chargée de Q(C)
Pour les particules on compare des notions proportionnelles à ces mêmes (charge et masse) et qui sont le moment magnétique angulaire (dit magnéton) et le moment cinétique intrinsèque
alors γ' devient = μ' / Mcs où μ'(J/T-sr)= magnéton et
Mcs(J-s/rad)= moment cinétique de spin (ou intrinsèque, qui est la plupart du temps Dirac h écrit h)
Si on trouve la formule écrite γ' = μ' / 2Mcs le facteur 2 provient d'un changement d'unités de moment cinétique
RELATION avec les FACTEURS DE MILIEU
4γ'= (G /(ζ'o)1/2 et 4γ' = (G.εo)1/2
γ'(C/kg)= rapport gyromagnétique du vide (valeur 2,15.10-11C/kg)
ε0(F/m-sr)= permittivité du vide (8,854187817.10-12 F/ m)
et ζ' l'inductivité du vide (= 1,129.1011 m/F)
G(m3-sr/kg-s²)= constante de gravitation (8,385.10-10 m3-sr/kg-s²)
CAS D'ESPÈCES de RAPPORTS GYROMAGNÉTIQUES
pour proton (= 9,580.107C/kg)
pour électron (= 1,759.1011C/kg),
pour muon (= 8,501.108C/kg)
pour molécule de N² (=1,9.108 C/kg),
pour molécule de O² (= 3,6.108 C/kg),
pour molécule de Pt (= 5,8.108 C/kg),
pour molécule de P (= 108 C/kg)
Mais pour le vide, c'est (2,15.10-11 C/kg)
RAPPORT PSEUDO-GYROMAGNÉTIQUE
En imagerie I.R.M (ex R.M.N) on voit parfois utiliser un pseudo rapport gyromagnétique qui est (γ' divisé par 2∏) et qu'on ose exprimer en unité créée pour la circonstance, dite
radian /seconde-Tesla !
C'est une erreur, car il n'y a aucune raison d'amener le radian (notion angulaire) dans un rapport gyromagnétique, qui est une (charge / masse)
L'unité de rapport gyromagnétique est et reste toujours le C/kg (ou -si l'on veut compliquer- le Hertz par Tesla-) et ce qu'ils appellent abusivement le radian par seconde-Tesla veut tout simplement dire 6,28 fois Coulombs/kg, donc leur unité vaut 6,28 unités légales)
Les noyaux des corps utilisés en I.R.M ont des rapports gyromagnétiques compris entre 1 et 25.108 Coulombs/kg (ou Hz/T)