| |
Тайны постоянного магнита 2
Dragons' Lord
В предыдущей статье по этой теме я рассказал, в основном,
те вещи, которые, обычно, излагают в курсе физики на уровне высшего учебного заведения, лишь давая
несколько иную интерпретацию, всем известных, явлений. Здесь я продолжу знакомить Вас
с другими, наиболее интересными и менее известными фактами, связанными
с магнитом и магнетизмом, как таковыми.
Признаться, очень хочется забыть о существовании электромагнетизма и за центральную фигуру
повествования принять постоянный магнит. Но, статическая сущность "постоянника", не позволяет
проводить исследования его действия и механизма его работы.
В чём сущность любой серии опытов ? - В ИЗМЕНЕНИИ
параметров испытываемой системы, измерений, и последующего анализа изменения либо КПД,
либо любой иной физико-механической сущности процесса. В модели постоянного магнита, изменить
какой бы то ни было показатель, не представляется возможным, ибо на то он и ПОСТОЯННЫЙ. Всё
исследование постоянника заключается в измерении мощности его магнитного излучения (намагниченности), и на этом
заканчивается (в представлении, именно, магнетизма). Электромагнитные системы удобны в
том плане, что можно менять мощность магнитного поля во времени, практически, неограниченно
менять конфигурацию самого создаваемого поля, легко моделировать модели любого масштаба
(в разумных пределах) и т.д... НО ! И это главное, - изучив действие и свойства магнитного
поля в полной мере, необходимо вернуться, и применить знания именно на постоянных магнитах.
Рассматривая постоянный магнит, как источник дармовой энергии (вечной и без топливной), и только
его, - можно строить системы с КПД более единицы. И только так !
И даже, если Вы так не считаете, всё равно, Вам будет интересно почитать эту статью, в которой
я постарался в лёгкой и занимательной форме (как говорили раньше, - в научно-популярной) изложить
исторические, но не очень известные факты, и некоторые размышления с ними связанные.
Геркулесов камень
Величина магнитного поля в международной системе единиц СИ измеряется в теслах (Тл). В 1 Тл
содержится 1000 мТл. Магнитное поле Земли на ее поверхности составляет в среднем
0,05...0,10 мТл; магниты ускорителей создают в зазоре поле порядка 2 Тл. Физики часто
(гораздо чаще, чем можно было бы подумать) пользуются нестандартной системой единиц
СГС, в ней интенсивность магнитного поля, или индукция, измеряется много более мелкими
единицами - гауссами (10 Гс = 1 мТл). Можно поиронизировать, что, мол, в гаусах достижения
современных "магнитостроителей" гораздо больше ;) .
Обычный природный магнитный железняк (магнетит) является достаточно слабым магнитом.
Поле на его поверхности - не больше 5...10 мТл. Уже на расстоянии 1 м стрелка компаса
перестает замечать его существование. Природные магниты (химический состав 31% FeO и 69% Fe2O3),
не везде назывались магнитами в разных странах их называли по-разному: китайцы называли
его чу-ши; греки - адамас и каламита, геркулесов камень; французы - айман; индусы - тхумбака;
египтяне - кость Ора, испанцы - пьедрамант; немцы - магнесс и зигельштейн;
англичане - лоудстоун. Добрая половина этих названий переводится как любящий,
любовник. Так поэтическим языком древних описано свойство магнетита притягивать,
"любить" железо.
Самые старые "документальные" свидетельства о знакомстве людей с магнитами пришли к
нам из Центральной Америки. На городской площади гватемальского городка Демокрасия
стоит дюжина древних фигур, найденных при раскопках городища ольмеков. "Толстые мальчики",
как их называли за округлость и массивность, - символы сытости, благополучия,
плодовитости. Эти скульптуры более трех тысяч лет назад высечены из глыб магнитной породы.
Интересно, что магнитные силовые линии как бы выходят из живота "толстяков"!
Из других древнейших упоминаний о магнитах следует выделить рассказ о часовне
Магомета с магнитным сводом, под которым парит железный сундук с прахом пророка.
Однако европейским путешественникам ни разу не удалось увидеть этой диковины,
посему можно считать это выдумкой, хоть и оригинальной. Гораздо более определенно
можно ссылаться на европейские источники. О магните в той или иной связи писали до
нашей эры Пифагор, Гиппократ, Платон, Эпикур, Аристотель и Лукреций, потом
Плиний, Плутарх, Гален и Птолемей.
Название "магнит", как утверждает Платон, дано магнетиту Еврипидом, называвшим
его в своих драмах "камнем из Магнезии". По другой, значительно более красивой и
известной, но менее правдоподобной притче Плиния (заимствованной им у Никандра)
название дано в честь сказочного волопаса Магниса, гвозди от сандалий и железная
палка которого прилипали к неведомым камням. По-видимому, слово "магнит"
действительно происходит от названия провинции Магнезия (в Греции), жителей
которой звали магнетами. На основании древних текстов, можно сделать вывод, что
древние отлично понимали главное. Кроме магнита есть нечто, его окружающее.
Конечно, это магнитное поле.
Интересно заметить, что учёные мужи той эпохи выделяли не только материалы, прилипающие
к магниту, но и отталкивающиеся от него, - феамеды (антимагниты). Как показало время,
таких материалов нет, хотя, если брать очень маленькие и незначительные взаимодействия,
то древние были, как ни странно, правы. Сегодня хорошо известно, что есть материалы,
которые магнитом отталкиваются (а Вы не знали ?). К их числу, например, принадлежит медь.
Такие вещества называют диамагнетиками.
Вещества, притягивающиеся к магниту, называют парамагнетиками и ферромагнетиками.
Свойство притяжения в наибольшей степени присуще ферромагнетикам, и в первую очередь
железу, никелю и кобальту. Причиной магнитных свойств единодушно считают вращение
заряженных электронов вокруг ядра атома и собственное вращение электрона вокруг оси (спин).
Всякое движение заряда - это электрический ток, а каждый ток создает магнитное поле.
Об этом, скажем мягко, весьма сомнительном объяснении я уже писал в прошлой статье, поэтому
повторяться не буду.
Магнитные свойства атомов, так же как и все их свойства, находят отражение в
Периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Изменению номера элемента в таблице
Менделева соответствует изменение структуры электронных оболочек атома. Структуры оболочек
ферромагнитных атомов таковы, что все электроны, грубо говоря, вращаются в одну сторону,
создавая сильный суммирующий магнитный момент. В неферромагнитных же атомах магнитные
моменты электронов направлены в разные стороны, что приводит к их взаимной компенсации.
Отмечу, лишь, что для того, чтобы магнит не растерял своё свойство его не надо трясти и
сильно нагревать. Ладно, с этим проехали. Остаётся открытым вопрос : Почему же намагниченные
тела притягиваются ? Скажу сразу, достойного ответа до сих пор НЕ СУЩЕСТВУЕТ, но я приведу
здесь классическое определение, дабы очистить свою совесть и дать Вам то, что надо опровергнуть
или изменить и уточнить со временем.
Теория утверждает, что всякая система пытается принять такое положение, в котором ее
потенциальная энергия будет минимальной. "Добрые" и сильно умные дяди-теоретики нагородили
архисложные формулы, говорящие о том, что суммарная энергия двух магнитов, касающихся
один другого, меньше, чем энергия магнитов, разнесенных на некоторое расстояние.
Поскольку система должна занять энергетически наиболее "низкое" положение, магниты
притягиваются. То же самое можно сказать о магните и куске железа. Вот такие пироги. Замечу,
и это не однократно проявлялось на практике, что теоретически можно доказать ВСЁ, ЧТО УГОДНО,
даже то, что не существует и быть, вообще, не может.
Рукотворные магниты
Теперь плавно переходим в позднее средневековье. Говорят, настоятель Оксфордского собора
никак не мог взять в толк, что от него хочет этот знаменитый Фарадей. Он пришел просить,
чтобы ему отдали на исследование железную палку флюгера собора. Сняв оную и произведя
"обмер" верхнего и нижнего концов железного стержня, Фарадей впервые обнаружил тот факт,
что бывший ранее немагнитный материал можно намагнитить, т.е. сам факт намагничивания и
создания искуственного магнита. Хотя, если по совести, то намагничивать умели на много
веков ранее того момента. Но мне почему-то хочется считать именно так ;) .
Искусственные магниты, полученные методом натирания, стали изготовлять в Англии еще
в XVIII веке. При изготовлении магнитов не все сорта железа вели себя одинаково - в одном
случае быстро получали желаемый результат, в другом - намагниченность была ничтожной.
Легконамагничивающиеся вещества, как правило, так же легко и размагничиваются (чистое железо);
труднонамагничивающиеся вещества (сталь) остаются сильнонамагниченными и после
удаления внешнего магнитного поля. Первые вещества обычно называют магнитомягкими,
вторые - магнитожесткими.
Один из самых сильных естественных магнитов был, по преданию, у Ньютона - в его
перстень был вставлен магнит, поднимавший предметы, масса которых была в 50 (!) раз
больше массы самого магнита. В конце прошлого века заметили, что добавка к железу 3%
вольфрама примерно в 3 раза улучшает свойства искусственных магнитов. Добавка кобальта
улучшает свойства еще в 3 раза. Лучшим предвоенным магнитным сплавом был сплав
альнико на базе алюминия, никеля и кобальта. С помощью магнитов из альнико можно
было поднимать железные предметы массой, в 500 раз превышающей массу самого магнита.
При измененной технологии (при спекании порошкообразного альнико) удалось поднять предмет,
масса которого превосходила массу магнита в 4450 раз.
Еще более сильные магниты изготовляют из сплава магнико, в состав которого входят
железо, кобальт, никель и некоторые другие добавки. Созданные на основе этого сплава
"порошковые" магниты могут поднимать груз железа массой, более чем в 5000 раз превышающей
их собственную. Еще более сильными являются так называемые оксидно-бариевые магниты. Вас
ещё не мутит от таких мощностей ?...
Сплав ЮНКД-ЗБТ, например, кроме железа содержит алюминий (Ю), никель (Н), кобальт (К),
медь (Д), титан (Т). Пропорции подобраны таким образом, чтобы слитки разной формы обладали
наибольшей магнитной индукцией, их структуру можно по заказу делать то однородной, то
анизотропной, в ней проращиваются в заданном направлении игольчатые кристаллы, тепловые и
электромагнитные волны помогают металлофизикам варьировать свойства заготовок, добиваясь
объемного распределения их качеств. В итоге удается создать магниты с весьма высокой
подъемной силой. Сплав кобальта с редкоземельными элементами позволяет, например, поднять
груз 200 г на 1 г массы магнита. Самый большой в мире постоянный магнит весит 2 т. С его
помощью создается магнитное поле интенсивностью 0,11 Тл в объеме примерно 10 л. Такой
магнит применяют во вспомогательном оборудовании ядерного реактора Чикагского университета.
Искусственные магниты можно также получить, натирая куском магнитного железняка в одном
направлении железные бруски или просто прислоняя ненамагниченный образец к постоянному
магниту. Интересно, что этим способом можно получить искусственные магниты гораздо более
сильные, чем исходные.
Дальше рассказ мой будет переплетаться с фактами чисто электрическими, ибо не легко разорвать
две силы, - электрические и магнитные. Ничего плохого я в этом не вижу, так как узнать об
электричестве, что нибудь новенькое (или хорошо забытое старенькое), - весьма и весьма, для
современного естествоиспытателя, не безинтересно.
У современных ученых есть некоторые основания утверждать, что "придумано было
электричество" три-четыре тысячи лет назад и что "придумали золотить и серебрить
электричеством" в то же самое время. Доказательством, возможно, могут служить "странные"
предметы, найденные археологами в засохшем и отвердевшем иле неподалеку от берегов
Тигра, южнее Багдада.
Что представляли собой эти странные предметы ? И, собственно, чем они странны ? Дело в том,
что археологи долгое время не могли понять их назначения. Небольшие сосуды из отожженной
глины имели весьма необычную "начинку" - разъеденные медные цилиндрики и железные бруски.
Исследовав цилиндрики, археологи пришли к выводу, что разъедание, скорее всего, результат
воздействия или уксусной, или лимонной кислот, хорошо известных в то время. Однако самое
неожиданное находилось на дне сосудов - это был небольшой и невзрачный на вид слой битума,
того самого битума, который и сегодня иногда используют в качестве электрической изоляции.
Ученые рассуждали так: если в сосуд с кислотой помещали медную и железную пластины,
разделенные изоляцией (битумом), то это было не что иное, как древнейший химический
источник тока. Источник, честь открытия которого отдана нами человеку, жившему на три
тысячи лет позже ! По мнению некоторых ученых, золотое покрытие вавилонских украшений
сделано настолько тонко, что всякий метод нанесения золота, кроме гальванического, исключается !
Принято считать, что об электричестве человечество узнало в тот момент, когда дочь Фалеса
из Милета, наблюдателя и философа-материалиста, пытаясь очистить свое янтарное веретено
от приставших к нему мелких пылинок и ниточек, заметила, что, счищенные, они снова спешат
прильнуть к нему... Видимо, свойство янтаря притягивать мелкие тряпочки, нитки, солому
было весьма хорошо известно и до Фалеса, и не только в Милете. Этим притяжением
объясняются, очевидно, и названия янтаря у разных народов: электрон - притягивающий к
себе (Греция), харпакс - грабитель (Рим); кавуба - притягивающий к себе мякину (Персия) и т.п.
Гилберт разъединяет
Вильям Гилберт (1540 г.р.) делает ряд ценных открытий, впрочем, оказывается не в силах
их объяснить (знакомо, да ?). Что было известно до Гилберта ? Пьер Перегрин (1269 г.)
впервые говорит о полюсах магнитов, о притяжении ("совокуплении") разноименных полюсов
и отталкивании одноименных, об изготовлении искусственных магнитов путем натирания
железа естественным природным магнитом, о проникновении магнитных сил через стекло и воду,
о компасе. Ибн-Рушда (Аверроэса) высказал мнение, что естественный магнит искажал ближайшее
к нему пространство в соответствии с его формой, то есть отсыл на то, что магнит имеет,
окружающее его, магнитное поле.
До Гилберта было известно и явление "старения магнитов". Так, алхимик Гебер (XII век)
документально засвидетельствовал этот факт. К другим важнейшим догильбертовским событиям
можно отнести открытие в XIV веке магнитного склонения, обнаруженные Колумбом в 1492 г.
изменения склонения магнитной стрелки на одной и той же параллели, а также открытие магнитного
наклонения Георгом Гартманом (Нюрнберг, 1544 г.).
В течение 18 лет Гилберт на собственные деньги ставит бесчисленное количество опытов.
Именно он, впервые в истории, задолго до Бэкона, провозгласил опыт критерием истины и
все положения проверял в процессе специально поставленных экспериментов.
Изготовив из магнетита шар-терреллу ("маленькую Землю"), Гилберт заметил, что этот шар
по магнитным свойствам сильно напоминает Землю. У терреллы так же, как и терры (Земли),
оказались северный и южный полюсы, экватор, изолинии, магнитное наклонение. Эти свойства
позволили Гилберту провозгласить Землю "большим магнитом". До Гильберта о магнетизме Земли
никто не подозревал.
Он открыл, что при нагревании магнита выше некоторой температуры его магнитные свойства
исчезают; впоследствии эта температура (588°С) была названа точкой Кюри, в честь Пьера Кюри.
Гилберт открыл, что, когда приближают к одному полюсу магнита кусок железа, другой полюс
начинает притягивать сильнее (изобретатели, обратите внимание на это свойство !). Он первым
сказал, что магнит со "шлемом" или "носом", т.е. магнит, вправленный в арматуру из мягкого
железа, притягивает гораздо сильнее. Эта идея
была запатентована лишь через 250 лет после смерти Гилберта. Гилберт открыл, что предметы
из мягкого железа, в течение долгого времени лежащие неподвижно, приобретают намагниченность
в направлении север - юг. Процесс намагничивания ускоряется, если по железу постукивать
молотком.
Гилберт открыл экранирующее действие железа (читайте об этом эффекте в статье об альтернаторах,
я провёл довольно доскональное исследование этого вопроса). Гилберт высказал гениальную
мысль о том, что действие магнита распространяется подобно свету. Очень важным в учении
Гилберта представляется то, что он, по-видимому, первым отличил электрические явления от
магнитных, вскрыв их различную природу. Гилберту удалось разделить магнитные и электрические
явления, которые с тех пор стали исследовать раздельно.
Франклин, Ломоносов, Араго изучают
Гилберт обнаружил довольно много веществ, которые, как и янтарь, могут притягивать мелкие
кусочки материи и пылинки. Манипулируя с этими и подобными веществами, любознательный
бургомистр немецкого города Магдебурга Отто фон Герике изготовил странную машину - это
был шар из серы, приводимый во вращение несложным механизмом. Вращающийся шар касался
металлической цепочки, присоединенной к длинному металлическому бруску, подвешенному
на веревках. Если шар при вращении придерживали ладонями, то на нем накапливался значительный
электрический заряд, отводимый цепочкой к бруску. Шары из серы изготовляли следующим образом :
из стекла выдували тонкий шарообразный сосуд, в который заливали расплавленную серу. Когда
сера остывала, стекло разбивали и получали шар из серы. (К сожалению, Герике слишком уважал
ученых своего времени, чтобы вращать просто стеклянный шар. Ему нужен был шар из серы,
поскольку именно о ней писал Гилберт. Об электрических свойствах стекла было тогда
известно очень мало. А ведь если бы бургомистр попробовал тереть ладонями стеклянный шар,
он бы получил более мощную машину !) С помощью шара из серы Отто фон Герике удалось провести
очень эффектные опыты: при трении шара о ладони между руками и бруском проскакивали искры,
причем некоторые из них были довольно крупными. Машина Герике получила сразу же очень
широкое распространение, и неудивительно, что с ее помощью удалось обнаружить много
электрических эффектов.
Один из необычных случаев произошел в знаменитой Лейденской лаборатории. Студент по имени
Канеус использовал машину Герике для того, чтобы "зарядить электричеством" воду в стеклянной
колбе, которую он держал в ладонях. Зарядка осуществлялась при помощи цепочки, подсоединенной
к бруску машины. Цепочка спускалась через горлышко колбы в воду. По истечении некоторого
времени Канеус решил убрать свободной рукой цепочку - вынуть ее из сосуда. Прикоснувшись к
цепочке, он получил страшный электрический удар, от которого чуть не умер.
Оказалось, что в сосудах такого типа электричество может накапливаться в очень больших
количествах. Таким образом была открыта так называемая лейденская банка -
простейший конденсатор.
И на родине Гильберта продолжались исследования электричества. Этим занимался Ньютон, его
лаборант научился передавать заряд лейденской банки по влажной веревке.
Наиболее дальновидному исследователю пришла в голову мысль о том, что и сверкающая молния,
раскалывающая грозовое небо, - это грандиозная электрическая искра, полученная с помощью
исполинской лейденской банки... Этим исследователем оказался американец
Бенджамин Франклин (1706...1790). Пользуясь словами батарея, конденсатор, проводник,
заряд, разряд, обмотка, мы вряд ли помним о том, что Франклин был первым, кто дал названия
всем этим предметам и явлениям. Всего семь лет он занимался физикой (с 1747 по 1753 г.), но
его вклад в науку оказался огромным.
Француз Далибар первым получил "молнию с небес", установив громоотвод на горе (10 мая 1752 г.),
но ясно, что первооткрывателем был Франклин. В 1753 г. Франклин поставил и свой знаменитый
эксперимент с воздушным змеем. В том же году аналогичные эксперименты провели М.В. Ломоносов
и Г.В. Рихман. Рихман хотел количественно оценить явление электризации при разряде молнии.
Неосторожно наклонившись слишком близко к стержню своей "громовой машины", Рихман был
поражен молнией в голову (ох, берегите парни головы ;) .
Много позднее итальянец Вольта на опыте показал, что пламя свечи создает столб теплого
воздуха, электропроводность которого повышена. Сам ученый построил эффектный электрометр
со свечой, вдохновляясь, как он говорил, примером древнеегипетских жрецов.
Кто бы мог подумать, что именно электричество порождает столь разные и столь могучие
эффекты - и молнию, и магнетизм ?
Правильное направление мыслям ученых о природе магнетизма, как и в случае электричества,
дала молния. В начале XIX столетия французский ученый Франсуа Араго выпустил книгу
"Гром и молния". В этой книге содержится несколько любопытнейших записей, некоторые из них,
быть может, и привели к тому, что приятель Араго, французский физик Андре-Мари Ампер,
впервые дал устоявшееся объяснение магнетизму.
Вольта скептически относился к теории "животного электричества" Гальвани (1780 г.).
Иногда его можно было увидеть за странным занятием: он брал две монеты или два
кружочка - обязательно из разных металлов - и... клал их себе в рот: одну на язык,
другую под язык. Если после этого монеты или кружочки соединяли проволочкой, Вольта
чувствовал солоноватый вкус - тот самый вкус, но гораздо слабее, что можем почувствовать
мы, лизнув одновременно два контакта батарейки. Из опытов, проведенных раньше с машиной
Герике и электрофором, Вольта знал, что такой вкус вызывается электричеством. Положив
один на другой множество кружков (свыше ста), Вольта получил довольно мощный источник
электричества - вольтов столб. Присоединив к верхнему и нижнему концам столба
проводнички и взяв их в рот, Вольта убедился в том, что этот источник, в отличие от
машины Герике и электрофора, действует длительно.
Вслед за этим Вольта сделал еще одно изобретение - он создал электрическую батарею,
пышно названную "короной сосудов" и состоявшую из многих последовательно соединенных
цинковых и медных пластин, опущенных попарно в сосуды с разбавленной кислотой.
20 марта 1800 г. Вольта сделал доклад о своих исследованиях в
Лондонском Королевском обществе. Можно считать, что с этого дня
источники постоянного электрического тока - вольтов столб и батарея
стали известны многим физикам и их начали широко применять.
В России тоже довольно быстро узнали об открытии Вольта. Одна из самых гигантских и
мощных электрических батарей того времени, состоящая из 3000 "кружков", была построена
русским профессором В.В. Петровым, открывшим с помощью этой батареи прославившую его
электрическую дугу. Уже в 1808 г. известный английский физик сэр Гемфри Дэви осуществил
электрическое дуговое освещение на практике. Электричество начало свое победное шествие
по всему миру. Особенно быстро развивалось электрическое освещение.
Очень близко к решению проблемы подошел Дэви. Ему удалось установить, что электрическая
дуга отклоняется под действием магнита. Это уже была связь, но связь робкая, тонкая, связь,
которой не придали должного значения. Магнитная стрелка впервые повернулась под действием
тока в опытах итальянского физика Романьози: в 1802 г. Романьози заметил, что при поднесении
компасной стрелки к вольтову столбу она чуть заметно отклоняется. Иногда никакого эффекта
не наблюдалось. Романьози не смог понять того, что стрелка отклонялась лишь тогда, когда
вольтов столб замкнут на нагрузку, другими словами, лишь тогда, когда по нему течет ток.
Открыть это выпало на долю Ганса Христиана Эрстеда.
Эрстед объединяет
Когда 43-летний копенгагенский профессор Ганс Христиан Эрстед (1777...1851) разослал
европейским коллегам свой ставший сразу знаменитым "Памфлет" о действии электрического
тока на магнитную иглу - всего четыре странички на латинском языке - и когда многие ученые
смогли с ним познакомиться, их удивлению не было границ. Неужели ток действует на
магнит столь странно ?
Идея всеобщей связи не давала Эрстеду покоя. В 1813 г. во Франции выходит его труд
"Исследования идентичности химических и электрических сил". В нем Эрстед впервые высказывает
идею о связи вольтова электричества и магнетизма. Он пишет : "Следует испробовать, не
производит ли электричество... каких-либо действий на магнит..." Его соображения были -
простыми : электричество рождает свет - искру, звук - треск, наконец, оно может производить
тепло - проволока, замыкающая зажимы лейденской банки, нагревается. Не может ли электричество
производить магнитных действий? Говорят, Эрстед не расставался с магнитом.
Идея связи электричества и магнетизма носилась в воздухе, и многие лучшие умы Европы были
ею увлечены. Еще Франц Ульрих Теодор Эпинус подмечал их сходство, а француз Франсуа Араго
потратил много лет для сбора таинственных, на первый взгляд, историй о кораблях, сокровищах
и необычных небесных явлениях, в которых он тоже видел эту ускользающую связь.
Араго, собравший множество фактов, свидетельствующих о связи молнии с магнетизмом,
чувствовал, что он на пороге нового открытия. Радость и досада - вот, возможно, те чувства,
которые он испытал, когда узнал решение долго не дававшейся ему задачи, решение, найденное
Эрстедом.
15 февраля 1820 г. Эрстед, читал студентам лекции по физике. На лабораторном столе находились
вольтов столб, провод, замыкающий его, зажимы и компас. В то время, когда Эрстед замыкал цепь,
стрелка компаса вздрагивала и поворачивалась по направлению к проводу. Это было первое
непосредственное подтверждение связи электричества и магнетизма. Это было то, что так
долго искали все европейские и американские физики. Решение проблемы было потрясающе просто.
Следует сказать, что отклонение стрелки компаса в лекционном опыте было весьма незначительным,
и поэтому в июле 1820 г. Эрстед снова повторил эксперимент, используя более мощные батареи.
Эффект был значительно сильнее, причем тем сильнее, чем толще проволока, которой он замыкал
контакты батареи. (Чем больше диаметр проволоки, тем меньше ее сопротивление и, стало быть,
больше ток короткого замыкания.) Кроме того, он выяснил одну странную вещь, не укладывающуюся в
ньютоновские представления о действии и противодействии. Выражаясь его же словами, "магнитный
эффект электрического тока имеет круговое движение".
То, что открылось ему, было новой тайной, не укладывающейся в рамки ньютоновских законов и
прямо нарушающей третий из них: направления возмущающей силы - электричества (определяемого
направлением провода) и силы реакции - магнетизма (определяемого направлением магнитной стрелки)
были у Эрстеда перпендикулярны. Ученые, сгрудившиеся у лабораторного стола Эрстеда, впервые
видели "противодействие", не противоположное по направлению "действию".
Памфлет Эрстеда вышел в свет 21 июля 1820 г. Я не случайно точно указываю дату. Дальнейшие
события развивались в весьма непривычном для неторопливой тогда науки темпе. Уже через
несколько дней памфлет появился в Женеве, где в то время находился с визитом Араго. Первое
же знакомство с опытом Эрстеда показало ему, что найдена разгадка задачи, над которой бился
и он, и многие другие. Араго возвращается в Париж потрясенный. На первом же
заседании Академии, на котором он присутствовал сразу по возвращении, 4 сентября 1820 г.
он делает устное сообщение об опытах Эрстеда. Записи, сделанные в академическом журнале
рукой протоколиста, свидетельствуют, что академики просили Араго уже на следующем заседании,
11 сентября, т.е. через неделю, показать всем присутствующим опыт Эрстеда.
Сообщение Араго слушал и внезапно побледневший академик Ампер. Он, должно быть, почувствовал
в тот момент, что пришла его пора перед лицом всего мира принять из рук Эрстеда эстафету
открытия. Он долго ждал этого часа, успел состариться, превратиться из юноши в солидного
профессора. И вот час пробил - 4 сентября 1820 г. Ампер понял, что должен действовать.
Через две недели он сообщил о рождении электродинамики.
Железо обзаводится "помощником"
До XVIII века cлова "магнит" и "железо" были синонимами. Затем на авансцену уверенно
вышел электрический ток, он стал хозяином положения. А железо ? Уже "мягкое", а не
"жесткое", оно превратилось в своеобразный усилитель магнитного поля, повышая его в сотни раз !
Мало кому заметный, но поистине радикальный переворот от железа к железу с током
совершился в 20-е годы прошлого столетия в лабораториях ученых.
После опубликования памфлета Эрстеда многие заинтересовались проблемами электромагнетизма :
в том же 1820 г. Араго продемонстрировал проволоку с током, облепленную железными опилками,
а Ампер доказал, что спираль с током - соленоид - обладает всеми свойствами природного магнита,
притягивая мелкие железные предметы. Что касается первого электромагнита, т.е. катушки,
обтекаемой током и содержащей внутри железный сердечник, то его изобретения пришлось ждать
еще пять лет. Это устройство создал Вильям Стерджен.
Первый в мире электромагнит, продемонстрированный Стердженом 23 мая 1825 г. Обществу искусств,
представлял собой согнутый в подкову лакированный железный стержень длиной 30 и диаметром
1.3 см, покрытый сверху одним слоем изолированной медной проволоки. Электроэнергией
он снабжался от гальванической батареи (вольтова столба). Электромагнит удерживал на весу
3600 г и значительно превосходил по силе природные магниты такой же массы.
Джоуль, экспериментируя с самым первым магнитом Стерджена, сумел довести его подъемную силу
до 20 кг. Это было в том же 1825 г. В 1828 г. лондонский часовой мастер Воткинс изготовил
электромагнит, который поднимал 30 кг. Тогда же профессор Молл из Утрехта, взяв за основу
конструкцию Воткинса, изготовил магнит, "поднимавший наковальню массой 60 кг".
В 1832 г. Стерджен изготовил магнит, поднимавший 160 кг, но уже в том же году Марш создал
магнит, способный поднять более 200 кг. Однако Стерджен не собирался терять первенства.
По его заказу в 1840 г. был выполнен электромагнит, способный поднять уже 550 кг ! К тому
времени у Стерджена нашелся очень сильный соперник за океаном. В апреле 1831 г. профессор
Йельского университета Джозеф Генри (его именем названа единица индуктивности) построил
электромагнит массой около 300 кг, поднимавший около 1 т. Все эти магниты по конструкции
представляли собой подковообразные стержни, обмотанные проволокой.
Джоуль в ноябре 1840 г. создал магнит собственной конструкции, в виде толстой стальной
трубы, разрезанной вдоль оси. Сечение этого магнита было очень большим, магнит оказался
компактным и поднимал 1,3 т. В то же время Джоуль построил магнит совершенно новой
конструкции - притягиваемый груз испытывал действие не двух полюсов, как обычно, а
значительно большего количества, что позволило резко увеличить поднимаемый груз.
Магнит массой 5,5 кг удерживал груз массой 1,2 т.
В то время немецкий учитель Георг Симон Ом выдумывает свой гениальный "закон Ома".
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.
Дальнейшее повествование я позволю себе опустить, по причине практической
ненадобности сего материала "практикам" альтернативной физики. Всё, что
происходило и происходит после 20-х годов нашего столетия, - бесконечная гонка,
абсолютно не нужно естествоиспытателям. Позволю себе назвать лишь несколько
фамилий, внёсших беспорный вклад в развитие электромагнетизма. Это такие
учёные, как Капица, Резерфорд, Костенко, Ландау, Курчатов и многие другие.
Сверхпроводимость
Отдельно стоит упомянуть о Гейке Камерлинг-Оннесе (1853...1926), открывшем эффект
сверхпроводимости.
Весной 1911 г. Камерлинг-Оннес ( он учился у знаменитых Кирхгофа (правила Кирхгофа)
и Бунзена (горелка Бунзена) ) заморозил ртуть в сосуде Дьюара, содержащем жидкий гелий.
Затем он пропустил через ртуть ток и наблюдал за стрелками измерительных приборов,
показывающих сопротивление, которое, как и следовало ожидать, постепенно снижалось по
мере падения температуры. Такое соотношение между сопротивлением и температурой
сохранялось до тех пор, пока температура не снизилась до 4,12 К. Внезапно электрическое
сопротивление ртути исчезло; не осталось даже сопротивления, обусловленного столкновениями
электронов с дефектами и примесями решетки.
Камерлинг-Оннес повторил эксперимент. Он взял очень загрязненную ртуть, у которой
остаточное сопротивление, вызываемое примесями, должно быть очень явно выражено.
Однако вблизи той же температуры (4,12 К) сопротивление ртути почти также внезапно
исчезло. Как увеличить сопротивление столбика ртути, довести его до того значения,
которое было бы зарегистрировано приборами? Очевидно, нужно увеличить длину столбика
и уменьшить его сечение. Камерлинг-Оннес изготовил столбик ртути толщиной менее
человеческого волоса и длиной 20 см. Измерив теперь сопротивление, он поразился :
стрелки приборов не сдвинулись с места. Нуль. Открыта сверхпроводимость !
Наиболее известное и, видимо, ценное свойство сверхпроводников - отсутствие
электрического сопротивления постоянному току. Результаты прямых измерений говорят
о том, что оно меньше сопротивления металлов при нормальной температуре по крайней
мере в 1023 раз.
Как показал американский ученый Купер, электроны в сверхпроводящем состоянии образуют
пары. Образование этих пар становится возможным, когда взаимодействие электронов
проводимости, имеющих антипараллельные спины (грубо говоря, вращающиеся в разные стороны),
с решеткой приводит к возникновению между ними сил притяжения, преодолевающих силы
электрического отталкивания. На основании предположения Купера были разработаны
теория сверхпроводимости БКШ, названная по фамилиям авторов Дж. Бардина, Купера,
Шриффера, и теория Н.Н. Боголюбова. На разрыв куперовских пар требуется затратить
некоторую энергию. В результате этого энергия сверхпроводящих электронов на некоторое
значение меньше энергии нормальных электронов. Эту разницу называют энергетической
щелью. Это так называемый фотонный механизм образования куперовских пар. Расчеты
показывают, что такой механизм может обеспечить сверхпроводимость при температурах,
ни в коем случае не превышающих 50 К.
После, гораздо позже, были найдены и другие материалы проводников, "включающие"
свою сверхпроводимость при температуре 20 Кельвинов. Рекорд перехода в сверхпроводящее
состояние у сплава ниобия с германием (24 К) продержался почти 10 лет. В апреле 1986 г.
ученые Цюрихского филиала фирмы IBM в Швейцарии Дж. Беднорц и А. Мюллер, исследуя керамику
при низких температурах, обнаружили в ней сверхпроводимость при 30 К ! Настоящий бум
начался в начале 1987 г. Из лабораторий США, КНР, СССР с лихорадочной скоростью стали
поступать новые и новые сверхсенсационные сообщения. Температура сверхпроводящего
перехода росла буквально на глазах ! 35... 40... 92 К. Это уже выше температуры кипения
жидкого азота.
11 марта 1987 г. советскими физиками на одном из образцов керамики удалось получить
температуру сверхпроводящего перехода 102 К. Перейден рубеж, еще полгода назад
казавшийся немыслимым ! Впервые обнаружен нефотонный механизм образования куперовских
пар, предсказанный четверть века назад. Ученые штурмуют "комнатные температуры" -
около 0°С.
Не беря во внимание керамику, оказалось, что сплавы гораздо лучше подходят для явления
сверхпроводимости, чем чистые металлы. В 1961 г. американский физик Дж. Кунцлер,
исследует сплав ниобия с
оловом; уже через несколько лет открытие Кунцлером сверхпроводимости у Nb3Sn.
Хорошие свойства наблюдаются у таких сплавов, например, как Nb3Ge,
V3Ga и др.
Отмечу, что основной проблемой в данной области, является "отключение" сверхпроводящих
свойств проводника при воздействии на него сверхбольших магнитных полей. Известный физик
Кеезом, бывший в то время директором Лейденской лаборатории, объявил, что максимальные
токи, которые при наличии магнитного поля выключают сверхпроводимость в сплаве свинца
с висмутом, ничтожно малы. Приговор был вынесен.
В истории сверхпроводящих магнитов произошло, быть может, самое драматическое событие.
Впоследствии оказалось, что Кеезом сделал то, чего не имел права делать: он
экстраполировал данные, полученные им в слабых полях, на область сильных полей.
К несчастью, Кеезом был слишком авторитетен. Едва узнав о его результатах, физики
оставили надежду построить сверхпроводящий магнит и занялись другими проблемами.
Между тем в настоящее время известно, что критический ток для сплава свинец-висмут в
полях до 2 Тл достаточно высок для того, чтобы создать довольно мощные сверхпроводящие
магниты. Авторитет Кеезома стоил физике очень дорого: постройка сверхпроводящих
магнитов была отложена почти на 30 лет. Лишь после того, как в 1961 г. Кунцлер и его
сотрудники объявили, что кусочек проволоки из сплава ниобия с оловом (Nb3Sn) оставался
сверхпроводящим в поле 8,8 Тл, даже в том случае, когда одновременно по этой проволоке
пропускали ток плотностью 1000 А/мм2, началась новая эра в истории
сверхпроводимости.
Среди современных материалов есть, например, такие сплавы, как ниобий-цирконий-титан и
ниобий-титан. Они хорошо поддаются обработке и из них сравнительно легко получить проволоку.
Однако наиболее перспективные сверхпроводящие материалы (сплавы ниобий-олово и
ванадий-галлий) чрезвычайно хрупки (например, сплав ванадий-галлий легко растирается в
порошок пальцами). Поэтому такие соединения приходится упаковывать в гибкие трубки или
наносить на гибкую подложку.
Я не претендую на полное авторство всего вышесказанного. Данная
статья написана по материалам книги Владимира КАРЦЕВА "Магнит за три тысячелетия", который,
в свою очередь перерыл не один десяток других интересных книжек.
Я, со свойственной мне
практичностью, капитально отлил воды, и оставил только самое нужное
и интересное, попутно разбавляя своими комментариями, и временами, изменяя точку зрения
рассказчика, на мою собственную. Надеюсь, Вы узнали многое из
того, что бы Вам хотелось узнать ;) .
| |
