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.

---

батарее, работающей при разрядке практически в режиме короткого замыкания. Можно

воспользоваться магнитной энергией, накопленной в магнитном поле трансформатора.

По расчетам Капицы, для получения магнитного поля 50 Тл понадобится

трансформатор с малым числом витков на вторичной обмотке, с сердечником длиной

2…3 м и диаметром 30…40 см.

Модельный эксперимент с использованием магнитного поля трансформатора был без

промедления проведен П.Л.Капицей вместе с известным английским физиком

П.М.С.Блэкеттом. Эксперимент оказался неудачным. Выяснилось, что быстро

механически разорвать первичную цепь трансформатора почти невозможно: при

разрыве появляется дуга, и энергия намагниченного железа, вместо того чтобы

обрушиться лавиной во вторичную цепь, возвращается в первичную и выделяется в

дуге.

Конденсаторы также оказались непригодными, поскольку в то время они были весьма

несовершенны и громоздки.

П.Л.Капица обратился к аккумуляторным батареям. Их тоже пришлось специально

конструировать, поскольку необходимо было, чтобы их собственная емкость и

активное сопротивление были бы минимальными. С помощью новых аккумуляторных

батарей при их коротком замыкании удалось мгновенно получить ток 7 тыс. А и

мощность 1000 кВт. Разряжая батарею на один из соленоидов с внутренним диаметром

1 мм, П.Л.Капица получил на 0,003 с (пока соленоид не разрушился) магнитное поле

50 Тл. С помощью этой батареи было испытано множество соленоидов самых

разнообразных конструкций. В одном из соленоидов, навитом медной лентой, можно

было проводить измерения в поле до 13 Тл. Когда же этот соленоид поместили на

время опыта в жидкий азот, оказалось возможным проводить регулярные измерения в

магнитном поле с индукцией 25 Тл. Это было тем максимумом, которого удалось в то

время добиться с помощью аккумуляторов. Для получения больших полей необходимо

было искать другой, более мощный источник электроэнергии, который должен был

давать мощность порядка 50 тыс. кВт в течение времени, пока обмотка не нагреется

до 150 °C (тепловой предел электроизоляции), т. е. в течение 0,01 с.

В январе 1923 г. в Лондоне П.Л.Капица познакомился с молодым советским инженером

М.П.Костенко, в то время работавшим в Англии. Костенко, как и Капица, был

инженером-электромехаником по образованию и окончил тот же Политехнический

институт. Вскоре они подружились. Петр Леонидович предложил своим новым друзьям

супругам Костенко вместе съездить в отпуск во Францию. Он помог им получить

французские визы, и они вместе отпраздновали в Париже День взятия Бастилии.

Интересно, что в то время Костенко как раз занимался теми вещами, которые могли

заинтересовать Капицу, — он разрабатывал, в частности, электромагнитный молот и

электромагнитную пушку — специализированные электромеханические системы, важным

элементом которых была электрическая машина, работающая в режиме короткого

замыкания.

Для опытов Капицы нужны были большие токи на весьма небольшие моменты времени. И

он подумывал о токах короткого замыкания. Костенко, уже работавший с

генераторами, действующими в условиях коротких замыканий (электромагнитный

молот), предложил использовать для этой цели большие всплески тока, возникающие

при внезапном коротком замыкании синхронных генераторов. В качестве нового

источника большой мгновенной мощности можно было взять быстроходный синхронный

генератор, чтобы использовать в течение небольшого промежутка времени запасенную

ранее электромагнитную и кинетическую энергию ротора.

Костенко мастерски подобрал параметры необходимого генератора, получив

максимально возможные для машины заданных габаритов всплески тока и

соответствующие магнитные поля.

Капица ознакомил с проектом руководителя Кавендишской лаборатории. Профессор

Резерфорд высоко оценил идею эксперимента и даже предположил возможность

создания с помощью "ударного генератора" магнитных полей порядка 700 Тл (!) и

тем самым, воздействовав на внутреннее поле атома и заставив все электроны

вращаться в одной плоскости, "сплющить атом".

Костенко и Капица стали соавторами предложенного ими устройства и получил 30

июня 1926 г. английский патент. Импульсный генератор был изготовлен и с большим

успехом испытан.

В качестве мощного источника тока П.Л.Капица и М.П.Костенко предложили

использовать электрогенератор номинальной мощностью 2 тыс. кВт, который в режиме

короткого замыкания не сгорал, как обычные генераторы, а выдавал без аварийных

последствий в течение 0,01 с мощность 50 тыс. кВт. Этот генератор был построен

фирмой "Метрополитен Виккерс" по расчетам М.П.Костенко, П.Л.Капицы и Майлса

Уокера. Генератор приводился во вращение специальным электродвигателем,

получавшим энергию от аккумуляторных батарей.

Масса ротора генератора составляла 2,5 т, диаметр его 50 см. Большой момент

инерции ротора позволял обойтись без специального маховика. Генератор давал

переменный ток, что было очень существенно, поскольку большой ток короткого

замыкания был нужен лишь на небольшой промежуток времени. Если бы генератор

давал постоянный ток, то по прошествии 0,01 с этот постоянный ток громадной силы

должен быть выключен, а это само по себе — сложнейшая проблема. Переменный ток,

как известно, два раза в течение каждого периода сам проходит через нулевое

значение, и выключить генератор, когда ток проходит нулевое значение, не

представляет особого труда. Нужно только строго синхронизировать момент

прохождения тока через нуль с моментами включения и выключения генератора на

короткое замыкание. Сделать это абсолютно точно невозможно: момент выключения

может совпадать с таким временем, когда ток в обмотке еще не равен нулю. Поэтому

П.Л.Капице "на всякий случай" пришлось сконструировать выключатель на ток 5 тыс.

А (амплитуда тока 30 тыс. А), отключающий цепь за 0,0001 с. Этот выключатель сам

по себе — подлинное произведение инженерного искусства.

Соленоид, на который обрушился колоссальный ток короткого замыкания генератора,

представлял собой катушку из медной проволоки квадратного сечения. В последующих

экспериментах медь была заменена сплавом меди с кадмием, обладающим большей

механической прочностью при несколько повышенном электросопротивлении. Когда ток

генератора проходил через катушку, в ней развивались грандиозные механические

усилия, достигающие нескольких десятков тонн. Чтобы эти усилия не разорвали

обмотку, она снаружи скреплялась прочной стальной лентой, воспринимающей усилия.

Это, однако, было не все. Под влиянием мощных сил катушка немного разматывалась,

и концы ее отрывались от тех электровводов, через которые к катушке подавался

ток. Катушка за катушкой "погибали" вследствие второстепенного явления уже после

того, как были преодолены, казалось бы, все основные трудности. Устранение

"мелочей" заняло несколько месяцев. Наконец решение было найдено. Капица создал

обмотку, которая могла "дышать", т. е. автоматически расширяться. Один из

контактов был сделан подвижным и сам после нескольких испытаний занимал то

положение, которое ему "больше нравилось".

Другой серьезной трудностью была краткость времени, в течение которого можно

было производить измерения. Ведь магнитное поле существовало в соленоиде всего

0,01 с, и за это время все эксперименты надо было начать и закончить. Кроме

того, работу осложняли микроземлетрясения, происходящие при резком торможении

генератора в тот момент, когда его обмотка замыкалась накоротко. Несмотря на то,

что генератор был установлен на массивном фундаменте, покоящемся на скальном

основании на виброустойчивой подушке, волна микроземлетрясения искажала

результаты измерений. Чтобы этого не происходило, П.Л.Капица нашел весьма

изящный выход. Он расположил соленоид с объектом исследования в другом конце

зала на расстоянии 20 м от генератора. Волна землетрясения, движущаяся со

скоростью звука в данной среде, проходила 20 м за 0,01 с и достигала соленоида

уже к тому времени, когда измерения проведены.

В момент короткого замыкания температура в обмотке очень сильно повышается, а

затем постепенно выравнивается. Расчеты показали, что эта температура должна

превышать температуру Солнца. Это дало повод профессору Эддингтону шутливо