Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)

• Название: Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
• Автор: Владимир Карцев
• Издательство: Энергоатомиздат
• Жанр: Физика
• Год: 1988
• ISBN: 5-283-02929-8

В популярной и занимательной форме рассказывается об истории решения проблемы, волнующей в равной степени и ученых, и инженеров. Эта проблема — получение сильных магнитных полей. Известно, что чем большее магнитное поле удается создать в машине, тем меньшие габариты она имеет и дешевле стоит. Ученые разработали несколько эффективных способов получения сильного магнитного поля. Об успехах и неудачах на этом пути и рассказывается в книге.

Для учащихся старших классов, читателей, интересующихся историей и современными достижениями науки и техники.

---

Электричество-де не поддается никакому математическому описанию, так как

"электричество — это собственный гнев, собственное бушевание тела, его гневное

Я, которое проявляется в каждом теле, когда его раздражают". Ректором

Берлинского университета был в те годы Георг Вильгельм Фридрих Гегель.

Первые магниты были сделаны "как бог на душу положит". Однако не любая форма

давала хороший результат. Случайно получилось так, что Стерджен для своего

первого магнита выбрал очень удачную — подковообразную — форму (подковообразные

магниты изготовляют до сих пор). Отсутствие опыта и элементарной методики

расчета магнитов привело к тому, что некоторые разновидности магнитов,

предложенные в то время, были бы, на наш взгляд, просто абсурдными. Так,

трехлапый магнит не мог бы успешно работать, так как магнитные потоки каждого

стержня противодействовали бы друг другу — поток одного стержня замыкали на

втором стержне, где он действовал навстречу потоку этого стержня.

Негодной, на современный взгляд, оказывается и очень часто использовавшаяся

конструкция, один магнит в которой составлен из трех более мелких и намотанных

отдельно. Ясно, что в промежутках между этими маленькими магнитами магнитные

поля двух соседних стержней взаимно уничтожаются.

Лабораторные магниты того периода изготовлялись "на глазок". Никакой теории,

которая позволила бы заранее предсказать свойства магнитов, не существовало.

Первый вклад в теорию расчета электромагнитов внесли русские ученые Э.X. Ленц и

Б.С.Якоби, указавшие на связь подъемной силы электромагнита и произведение силы

тока в катушках на число витков обмотки.

После Ленца и Якоби крупный вклад в теорию расчета магнитов внесли англичане

братья Гопкинсоны, которые предложили метод учета насыщения — явления, давно

замеченного проектировщиками магнитов и заключающегося в том, что в магните

заданной формы после некоторого предела увеличением тока в катушках нельзя

повысить его подъемную силу. Современная теория связывает это явление с тем, что

при достижении некоторого намагничивающего тока элементарные магнитики (диполи)

железа (ферромагнетика), ранее расположенные беспорядочно, в основном

ориентированы в одном направлении и при дальнейшем усилении намагничивающего

тока существенного увеличения числа магнитиков, ориентированных в одном

направлении, не происходит. Насыщение стали привело к тому, что индукция

магнитного поля первых магнитов не превышала 2 Тл.

Наступила новая эра усиления мощности магнитов, но не путем увеличения их

размеров, а посредством совершенствования их формы и борьбы с насыщением.

Нельзя сказать, чтобы эта борьба была очень успешной. За сто лет этой

напряженной войны физиков с непокорной "насыщающейся" сталью индукция магнитного

поля в магнитах возросла всего лишь в два с половиной раза. Над этой проблемой

работали многие видные физики и электротехники.

Что могли физики противопоставить природе? Только очень точный учет и полное

использование природных свойств материалов. И вот появляются магниты с короткими

коническими полюсами, массивными стальными магнитопроводами и громадными

катушками.

Масса магнитов быстро увеличивается — теперь в большей степени за счет катушек.

Если в 1881 г. самый большой в мире лабораторный магнит весил около 1 т, то в

1930 г. — уже около 120 т.

Первым отметку "5 Тл" пересек в 1903 г. магнит профессора Грея в Глазго. Ему

удалось это сделать, применив мощные катушки, близко придвинутые к коническим

полюсам.

Интересная идея была высказана французским ученым Перро в 1914 г.: он предложил

кроме двух обычных катушек, расположенных на полюсах, использовать третью,

охватывающую собой рабочую зону машин. Индукция магнитного поля магнита Перро

достигла 5,1 Тл. К 1914 г. профессор Беккерель (младший) в Парижском музее

естественной истории создал магнит, индукция магнитного поля которого возросла

до 5,5 Тл, три других самых мощных магнита того времени — Вейсса в Цюрихе,

Кайзера в Бонне и Эймса в США — работали на уровне 4,5 Тл.

Следует отметить, что создание Беккерелем магнита с индукцией поля 5,5 Тл, было

воспринято физиками всего мира как большая сенсация. "Гигантский", "мощнейший",

— писали об этом электромагните газеты. Увеличение индукции магнитного поля лишь

на 10 % стоило многих трудов и ухищрений. Однако самое главное заключалось в том,

что для изготовления полюсов магнита был использован новый материал — сплав

железа с кобальтом, который насыщается при индукции на несколько процентов

большей, чем ранее применяемые материалы. Потребляя мощность 22 кВт,

электромагнит в междуполюсном промежутке создавал поле, магнитная индукция

которого составляла 5,5 Тл. При замене феррокобальтовых наконечников железными

индукция полей снижалась до 5,2 Тл.

Если расстояние между полюсами было 2 мм и полезный объем 14 мм3 (т. е. объем, в

который можно было поместить лишь небольшой образец), то индукция магнитного

поля достигла 5,9 Тл. Когда полезный объем был уменьшен до 0,5 мм3 (полюсы, по

сути дела, соприкасались), индукция поля возросла до 6,5 Тл. Обмотка

электромагнита состояла из тысячи витков медной трубки, по сечению которой шел

ток, а по полости — охлаждающая вода. Магнит охлаждался так хорошо, что мог

работать круглые сутки. Другие магниты, не имевшие искусственного охлаждения, не

могли вследствие сильного нагрева работать подряд более 2 ч.

Беккерель хотел при помощи этого магнита уточнить некоторые неясности теории

эффекта Зеемана. "Хорошо известно", — говорил Беккерель, — что в этом явлении

есть еще кое-что непонятное — это "кое-что" вызвано недостатком зоркости наших

инструментов" С помощью нового мощного магнита Беккерель хотел повысить эту

"зоркость", сделать более отчетливыми неясные места теории.

Все физики могли видеть, с каким трудом были получены дополнительные 0,5 Тл, тем

не менее некоторые из них полагали, что весь вопрос заключается в стоимости и

размерах магнита. Сделать магнит колоссальным, вложить в него массу денег — и

можно получить сколь угодно большое магнитное поле.

Надежду на то, что электромагнит гораздо большей мощности, возможно в 100 Тл,

будет построен в ближайшие годы, выразили на Международном конгрессе электриков

в 1914 г. директор международного бюро мер и весов Гийом и профессор физики в

Сорбонне Перрен. Они полагали, что по стоимости электромагнит будет равен

мощному дредноуту (12…14 млн. дол.) и потребует для создания нескольких лет.

Однако даже такой ценой не удалось бы повысить индукцию поля электромагнитов до

100 Тл или, что то же самое в единицах другой системы измерений (СГС) — до 1

млн. Гс. Даже сейчас такое стационарное поле — недостижимая мечта физиков. И

виновно в этом не в последнюю очередь насыщение.

В 30-е годы в Белль-Ви, близ Парижа, вступил в строй самый большой из всех

построенных ранее лабораторных магнитов. Этот магнит был создан Французской

академией наук для изучения магнетизма. Кроме огромной массы он имел полюсные

наконечники из особого сплава — пермендюра, обладающего несколько большей

индукцией насыщения, чем сталь. Это позволило достичь большого поля. Но и оно

составляло лишь 5,2 Тл при произведении силы тока на количество витков, равном

500 тыс. А. Длина магнита 630 см, высота 275 см, масса 120 т.

В 1934 г. в университете шведского города Упсала вступил в строй новый мощный

магнит. Он отличался от французского тем, что полюсы его имели значительно

большую конусность, а катушки и сам полюс меньшую высоту. Этот электромагнит,

рассчитанный Дрейфусом, оказался гораздо эффективней французского. Он весил

всего лишь 30 т, но с его помощью при том же объеме можно было получить поле

примерно 5,8 Тл. В этом магните полюсы притягивались с силой более 60 т.

С тех пор было построено много мощных электромагнитов, но парижский и упсальский

до сего времени остаются рекордсменами — первый по массе, второй — по

эффективности.

Сейчас почти в каждой физической лаборатории имеется электромагнит: магниты

используются для изучения свойств веществ в сильных полях, для испытания новых

материалов, в современных уникальных измерительных приборах, в квантовой

электронике, при исследовании взаимодействия атомных частиц, для медицинских и