18.8 Струми Фуко. Скін-ефект

Струми Фуко або вихрові струми – це замкнені електричні струми, що виникають у масивних провідниках при зміні магнітного потоку, який їх пронизує. Струми Фуко замикаються безпосередньо в масі провідника.

Відповідно до закону Джоуля-Ленца струми Фуко нагрівають провідники, у яких вони виникають, що приводить до втрат енергії. Для їхнього зменшення магнітопроводи (наприклад, у трансформаторах) виготовляють не із суцільного куска, а з ізольованих одна від одної окремих пластин. Однак у ряді випадків теплова дія струмів Фуко корисна – їх застосовують, наприклад, в індукційних печах.

Вихрові струми виникають також у провіднику, по якому тече змінний струм, що приводить до нерівномірного розподілу густини струму по його перерізі: усередині провідника густина струму зменшується, а на поверхні збільшується. Струми високої частоти практично течуть у тонкому поверхневому шарі, усередині ж провідника струму немає. Це явище називається скін-ефектом. Скін-ефект використається для поверхневої термічної обробки металевих деталей; проводи у високочастотних лініях роблять порожнистими, оскільки їхня серцевина виявляється зайвою.

19. Магнітні властивості речовин

19.1. Гіпотеза Ампера

При розгляданні магнітних властивостей речовин звичайно замість такого поняття, як "речовина" вживають термін "магнетик", щоб підкреслити здатність будь-якої речовини намагнічуватися в зовнішньому магнітному полі. Явище намагніченості полягає у виникненні всередині магнетика власного магнітного поля при вміщенні його в зовнішнє магнітне поле.

Для пояснення цього явища Ампер висунув гіпотезу про існування всередині речовини мікроскопічних (атомних, молекулярних) струмів. Кожний з таких струмів створює в деякій точці всередині магнетика магнітне поле з індукцією . Сумарне магнітне поле в розглядуваній точці відповідно до принципу суперпозиції дорівнює векторній сумі, тобто . За відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти частинок (атомів, молекул) орієнтовані хаотично, тому векторна сума . З накладанням поля виникає переважна орієнтація магнітних моментів у напрямку поля, тому , тобто речовина намагнічується.

Після створення планетарної моделі атома Бора-Резерфорда мікроскопічні кругові струми стали зв'язувати з електронами, які обертаються по орбітах, що дало змогу кількісно описати магнітні властивості речовин.

19.2. Магнітні моменти атомів

Електрон, що обертається по круговій орбіті, може бути описаний як виток зі струмом, магнітний момент якого визначається формулою (17.22).

Сила струму, обумовлена обертанням електрона по орбіті із частотою , може бути представлена у вигляді

,

де e — заряд електрона.

Тоді орбітальний магнітний момент електрона

.

Момент імпульсу обертового електрона (або орбітальний механічний момент)

.

Тоді відношення магнітного моменту електрона до його орбітального механічного моменту (гіромагнітне відношення)

.

(19.1)

Рис. 19.1

Знак "–" указує, що вектори й напрямлені в протилежні боки (рис. 19.1).

Оскільки атоми (молекули) містять не один електрон, а більше їх число, то орбітальний магнітний момент атома знаходиться як векторна сума орбітальних магнітних моментів всіх його електронів.

Експериментально існування магнітних моментів у атомів було вперше встановлено в магнітно-механічному досліді Ейнштейна і де Гааза (1915 р.).

За відсутності магнітного поля магнітні моменти окремих атомів орієнтовані хаотично і, отже, хаотично орієнтовані й орбітальні механічні моменти електронів. При накладанні магнітного поля магнітні моменти атомів орієнтуються паралельно зовнішньому полю, а їх орбітальні механічні моменти — у протилежному напрямку. В результаті сумарний механічний момент атомів зразка стає відмінним від нуля. Тоді відповідно до закону збереження моменту імпульсу (див. §3), сам зразок почне обертатися в такому напрямку, щоб компенсувати відмінний від нуля механічний момент атомів. Ефект надзвичайно малий, однак, використовуючи явище механічного резонансу, Ейнштейн і де Гааз змогли виміряти гіромагнітне відношення.

Рис. 19.2

Більш точно виміряти гіромагнітне відношення можна, використовуючи явище електронного парамагнітного резонансу, відкритого в 1943 р. Е. К. Завойским. Це явище полягає в наступному. Помістимо зразок у постійне магнітне поле B=const, у результаті чого відбувається його намагнічування, тобто магнітні поля атомів орієнтуються уздовж поля. Точніше, така орієнтація являє собою прецесійне обертання магнітних моментів атомів навколо напрямку вектора магнітної індукції (рис. 19.2). Кутова швидкість прецесії (див. Додаток 4)

.

(19.2)

Далі на зразок направляють високочастотне електромагнітне випромінювання, частоти якого змінюють. Коли частота випромінювання стає рівній частоті прецесії (19.2), відбувається резонансне поглинання випромінювання, що й фіксується.

На підставі цих і інших дослідів було встановлено, що електрон крім орбітального магнітного моменту має також власний магнітний момент або спін. Таким чином, магнітний момент атома — це векторна сума орбітальних і спінових магнітних моментів всіх його електронів:

.

або

.

(19.3)

Рис. 19.3

Орбітальний і спіновий магнітні моменти, взагалі кажучи, вносять різний внесок у загальний магнітний момент атома. Залежно від співвідношення цих моментів всі речовини можна розбити на два класи слабко та сильно магнітні (рис. 19.3).

В атомів слабко магнітних речовин спінові моменти електронів скомпенсовані, тобто . Магнітні властивості таких речовин визначаються значенням орбітального магнітного моменту атомів, при цьому для діамагнетиків , а для парамагнетиків .

Магнітні властивості сильно магнітних речовин (феромагнетики тощо визначаються насамперед спіновими магнітними моментами атомів () – орбітальні магнітні моменти атомів істотного не впливають на магнітні властивості цих речовин.