Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
электронике, при исследовании взаимодействия атомных частиц, для медицинских и
биологических исследований. Они не поражают размерами, однако с их помощью можно
получить в довольно значительном объеме поле 4…5 Тл, необходимое для
исследований.
Самый впечатляющий и необычный исследовательский электромагнит, который никогда
не был построен, предложил знаменитый американский изобретатель Томас Альва
Эдисон. В начале 90-х годов прошлого столетия он предложил создать мощный
приемник, который бы регистрировал электромагнитные процессы на Солнце. Проект
заключался в следующем. В городе Огдене, штат Нью-Джерси, есть отвесная скала из
магнитного железняка, масса которой не менее 100 млн. т. Если бы обмотать эту
скалу большим количеством проволоки так, чтобы скала играла роль гигантского
сердечника колоссального электромагнита, то с помощью этой обмотки, в силу ее
большой индуктивности, можно было бы следить за изменением магнитного состояния
Солнца.
В настоящее время, конечно, в таком датчике магнитного поля космических тел нет
необходимости. Электромагнитные процессы на Солнце можно хорошо изучать с
помощью радиотелескопов и других приборов, хотя и громоздких, но все-таки в
несколько тысяч раз более легких и удобных, чем магнитная скала. Однако для
своего времени идея Эдисона была удивительно смелой и передовой.
Капица: "краткость — сестра успеха?"
Электромагнит можно перегружать, если увеличить ток, обтекающий обмотку. Форсаж
— это последний резерв на пути достижения сверхсильных полей, поэтому магнитные
рекорды обычно принадлежат создателям импульсных систем.
Это направление берет начало от Вольта, который, заинтересовавшись
электрическими рыбами, попробовал построить что-то подобное живой природе.
Нильский сомик оказался слабым, гораздо лучше рыба "Торпедо" — гигантский
электрический скат. Создавая разряд напряжением 50…60 В, он может убить
зашедшего в воду теленка, электрический угорь Амазонки создает импульс
напряжением до 500 В.
До Вольта уже были известны такие способы создания электричества, как натирание
стекла шерстью, лейденская банка, нагрев турмалина. Сам Вольта научился
электризовать жидкости кипячением и химическими реакциями, потом он построил
вольтов столб, опустив два разнородных металла в едкую жидкость, однако этот
источник не имел с "Торпедо" ничего общего, хотя изобретатель придал своей
конструкции форму рыбы.
Потом природой электрического удара угря занялся Фарадей. 6 декабря 1838 г. он
доложил результаты опытов перед Королевским обществом. Фарадей использовал два
металлических электрода, один конец которых касался рыбы, а к другому были
присоединены медные проводнички. Они, в свою очередь, крепились к небольшому
соленоиду — проволочной спирали, внутри которой помещалась железная проволока.
Во время разряда угря соленоид создавал относительно сильное магнитное поле,
которое намагничивало проволочку. По расположению магнитных полюсов проволочки
Фарадей определял полярность напряжения рыбы. Этот эксперимент долго оставался
экзотическим эпизодом в истории физики. И лишь много лет спустя всерьез начал
заниматься изучением импульсных магнитных полей замечательный советский физик
академик П.Л.Капица.
Петр Леонидович Капица родился в 1894 г. в Кронштадте. Он окончил Петроградский
политехнический институт и в 1921 г. был послан в Лондон в составе первой
советской научно-промышленной делегации. Петр Леонидович и не предполагал тогда,
что долго проживет в Англии, создаст там собственную школу и превратится из
скромного доцента в ученого с мировым именем. Большую роль во всем этом сыграл
другой член делегации, известный физик А.Ф.Иоффе. Это он послал Капицу в
Кембридж просить место в лаборатории знаменитого физика Э.Резерфорда. Однако
Резерфорд заколебался: в его "сургучно-веревочной", хотя и блестящей ядерной
лаборатории уже работало 30 стажеров. Говорят, что Капица тогда заметил: "30 и
31 различаются примерно на 3 %; поскольку Вы всегда предостерегаете против
рабской точности измерений, такая трехпроцентная разница вовсе не будет Вами
замечена". Правильна ли эта версия, сказать трудно, но так или иначе Капица
остался у Резерфорда (с условием не вести "красную пропаганду"), и вскоре
скромный стажер, плохо знающий английский язык, стал близким к Резерфорду
человеком, имеющим свою лабораторию. Вслед за Фарадеем Капица обратился к
импульсным магнитным полям, задумав довести их до небывалой силы.
Вот история восхождения молодого советского физика в Кембридже, в Кавендишской
лаборатории Резерфорда, описанная им самим в письмах к матери О.И.Капице.
"12 августа 21-го года.
…Вчера в первый раз имел разговор на научную тему с профессором Резерфордом.
Он был очень любезен: повел к себе в комнату, показывал приборы. В этом
человеке, безусловно, есть что-то обаятельное, хотя порою он и груб".
"1 ноября 21-го года.
…Результаты, которые я получил, уже дают надежду на благополучный исход моих
опытов. Резерфорд доволен, как передавал мне его ассистент. Это сказывается на
его отношении ко мне. Когда он меня встречает, всегда говорит приветственные
слова. Пригласил в это воскресенье пить чаи к себе, и я наблюдал его дома. Он
очень мил и прост… Но… когда он недоволен, только держись, так обложит, что
мое почтение".
Для изучения свойств альфа-частиц П.Л.Капица предложил помещать камеру Вильсона
в магнитное поле. В нем траектория заряженной частицы искривляется, причем
радиус искривления зависит от импульса частицы.
"29 ноября 1922-го года.
Для меня сегодняшний день до известной степени исторический… Вот лежит
фотография — на ней только три искривленные линии — полет альфа-частицы в
магнитном поле страшной силы. Эти три линии стоили профессору Резерфорду 150
фунтов стерлингов, а мне и Эмилю Яновичу — трех с половиной месяцев усиленной
работы. Но вот они тут, и в университете о них все знают и говорят. Странно:
всего три искривленные линии! Крокодил очень доволен этими тремя искривленными
линиями. Правда, это только начало работы, но уже из этого первого снимка можно
вывести целый ряд заключений, о которых прежде или совсем не подозревали, или же
догадывались по косвенным фактам. Ко мне в комнату — в лабораторию — приходило
много народу смотреть три искривленные линии, люди восхищались ими…"
"4 декабря 1922-го года.
Я эти дни был что-то вроде именинника, 2-го в субботу был прием у проф. Дж.
Томсона по случаю приезда голландского физика Зеемана. Конечно, надо было
напялить смокинг. Я говорил с Зееманом, и меня представляли примерно таким
образом, что это, дескать, такой физик, который решает такие проблемы, которые
считаются невозможными (для решения). И эти генералы меня трепали около 20
минут, пока я не ушмыгнул в угол… Сегодня Зееман и лорд Релей (сын) были у
меня в лаборатории и смотрели мою работу…"
"15 июня 1923-го года.
Вчера был посвящен в доктора философии… Мне так дорого стоил этот миг, что я
почти без штанов. Благо Крокодил дал взаймы, и я смогу поехать отдохнуть…"
Проведя серию экспериментов в магнитных полях до 43 тыс. Э (4,3Тл), Капица решил
распространить измерения на более сильные поля. Для этого необходимо было
создать соленоиды, поле которых превышало бы прежнее примерно в 10 раз.
Основные трудности при создании сильных полей заключаются в том, что для этого
необходим источник тока огромной мощности, кроме того, существует опасность
разрушения соленоида при нагревании. Для решения этих проблем Капица предложил
создавать сильные магнитные поля на очень короткое время в течение которого
можно еще провести необходимые измерения и в то же время избежать разрушения
соленоида.
Известно, что любая обмотка обладает тепловой инерцией: она не может мгновенно
нагреться до температуры плавления даже под влиянием очень большого тока. В
системах, работающих кратковременно, упрощается проблема источника сильного
тока. Поэтому в качестве такого источника можно использовать устройства,
способные дать мгновенный мощный разряд, следующий за относительно
продолжительным периодом зарядки. Таких устройств довольно много. Можно,
например, использовать электрическую энергию, накопленную в конденсаторной
