Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
охлаждающие вещества (например, жидкий азот, жидкий водород) и другие материалы
обмоток (например, натрий, запрессованный в тонкую стальную трубку). Результаты
проведенных экспериментов были многообещающими, но превзойти достигнутое пока
никто не смог.
Чаще всего такие магниты питаются от собственной энергетической установки,
вырабатывающей постоянный ток мощностью несколько тысяч киловатт. Когда этой
мощности недостаточно (как это получилось с рекордным соленоидом Кольма), на вал
машин насаживают маховик. Накопив в нем достаточную энергию, можно, как это было
сделано П.Л.Капицей, в течение короткого времени снимать с генераторов мощность,
превышающую номинальную в несколько раз.
В настоящее время генераторы, предназначенные для кратковременного питания
крупных электромагнитов, могут иметь массу роторов до нескольких сотен тонн.
В Королевском радарном центре Великобритании источником питания соленоидов
служили мощные аккумуляторные батареи, снятые с подводной лодки.
В поисках новых путей Кольм разработал конструкцию соленоида, названного им
гидромагнитом. Соленоид состоит из соосных труб, между которыми в радиальном
направлении поступает какая-нибудь хорошо проводящая электричество жидкость,
например жидкий натрий или жидкое серебро. Обе трубы помещены в небольшое
магнитное поле. Поступающая жидкость пересекает силовые линии поля, и в ней
наводится электродвижущая сила (ЭДС), под действием которой в жидкости начинает
течь электрический ток, совпадающий по направлению с током, создающим поле
возбуждения. Таким образом, сама жидкость становится обмоткой соленоида.
Магнитное поле, которое можно получить с помощью этой "обмотки", зависит от
скорости перемещения жидкости, ее электропроводности и значения поля
возбуждения. Кольм рассчитал, что в гидромагните, наполненном расплавленным
серебром, при температуре 1000 °C в магнитном поле 6 Тл при расходуемой
мощности 70 тыс. кВт и скорости поступления серебра 200 л/с можно получить
магнитное поле 40Тл.
Однако, если отвлечься от прочих трудностей, достижение столь грандиозных полей
приводит к тому, что материалы обмотки под действием давления магнитного поля
начинают течь. В соленоиде Кольма на 25 Тл давление, как уже говорилось, в 3
раза превышает давление на дне глубочайшей океанской впадины. А давление растет
пропорционально квадрату напряженности поля. При увеличении напряженности поля
чуть больше чем в 3 раза давление возрастает в 10 раз.
При поле напряженностью 100 Тл магнитные усилия эквивалентны тем, которые
развиваются в жерле пушки при выстреле. Держать такое поле — это все равно, что
задержать взорвавшийся в казенной части пушки снаряд таким образом, чтобы и
снаряд не вылетел, и пушка не разорвалась.
А обязательно ли рост напряженности поля связан с ростом давления?
Электромагнитная сила может быть рассчитана как векторное произведение плотности
тока в обмотке на индукцию магнитного поля (это та же самая лоренцева сила,
которая отклоняет частицы в ускорителях). Разработана конфигурация обмоток и
соленоидов, в которых почти полностью отсутствуют усилия. Такие обмотки и
соленоиды называют бессиловыми. Недавно была построена крупная бессиловая
система для исследования термоядерных реакций, работающая на несколько ином
принципе: в ней усилия с обмоток соленоида переносятся на массивную стальную
несущую конструкцию.
При изучении вопроса о возможности создания бессиловых обмоток советские и
американские ученые пришли к выводу, что эта проблема совсем не безнадежна.
Рассмотрим, например, обмотку, выполненную в виде длинной спирали с большим
шагом. Такая обмотка создает два поля (поле, конечно, одно, но для удобства его
часто раскладывают на осевую и радиальную составляющие, которые дают в сумме
действительное поле): суммарное поле, направленное вдоль оси (осевое), и поле,
окружающее каждую проволочку в отдельности (кольцевое). Осевое поле обмотки
стремится разорвать ее; поле, окружающее обмотку, стремится ее сжать. Таким
образом, усилия, направленные в разные стороны, взаимно уничтожаются.
Более приемлемой, возможно, окажется другая обмотка. Ее можно выполнить из
нескольких слоев, причем обмотка во внутреннем слое почти параллельна оси, а во
внешнем — почти перпендикулярна к ней. В такой обмотке переход от осевого поля к
кольцевому осуществляется постепенно, и усилия сжатия распространяются
равномерно на все слои. Эта система — прообраз мощных систем будущего, в которых
магнитные поля колоссальной напряженности будут сочетаться с изяществом и
ажурностью конструкции.
Логическим развитием тенденции охлаждения соленоидов стал уход в зону предельно
низких температур. У Биттера охлаждение витков водой позволяло повысить
пропускаемые по ним токи, ни о какой экономии энергии речи не было, ибо потери
росли быстрее, чем ток. При низких температурах снижалось сопротивление
проводников и вместе с ним выделение тепла током. Наконец, произошло невероятное
событие — почти у абсолютного нуля (-273 °C) электропроводность некоторых
металлов росла до бесконечности! "Виновником" оказался Генке Камерлинг-Оннес.
В жизни Камерлинг-Оннеса ничто, казалось, не предвещало мировой славы. Известный
ученый, опубликовавший в специальной литературе многочисленные работы по
радиоактивности, термодинамике и сжижению газа, обладающий скорее инженерным
складом ума, чем аналитическим. Но в 1911 г. одним весенним утром он вошел в
лабораторию обычным заведующим кафедрой, а вышел первооткрывателем
сверхпроводимости. Один день принес ему бессмертие. Вот как это произошло.
До того было неясно, как должно изменяться электрическое сопротивление металлов
при снижении их температуры.
Ученые придерживались трех различных точек зрения:
Из классической теории электромагнетизма известно, что сопротивление проводника
падает с уменьшением температуры. Объяснить это явление можно довольно просто.
Электрический ток — это поток свободных электронов, проходящих сквозь
кристаллическую решетку металла. При высоких температурах вследствие теплового
колебания атомов кристаллической решетки вероятность столкновения электронов с
решеткой велика. Это препятствует движению электронов и создает сопротивление
току. При низких температурах, когда амплитуда колебаний атомов в решетке
уменьшается, вероятность столкновения электронов с решеткой становится меньше и
ток встречает, таким образом, меньшее сопротивление. При абсолютном нуле, когда
решетка уже неподвижна, сопротивление проводника равно нулю.
Сопротивление току сохранится и при абсолютном нуле, поскольку и тогда некоторые
электроны будут сталкиваться с решеткой, тем более что кристаллические решетки,
как правило, не являются идеальными — в них всегда есть дефекты и включения
примесей.
Сопротивления металлов при приближении температуры к абсолютному нулю должны
возрастать, так как в силу конденсации электронов на решетке (грубая аналогия —
образование капелек воды на холодной ложке, поднесенной к горячему чаю) их число
при охлаждении непрерывно снижается, вследствие чего электропроводность
(определяемая числом свободных электронов) уменьшается (электропроводность —
величина, обратная удельному сопротивлению).
Действительно, трудно представить себе еще какой-нибудь вариант. Но… Весной
1911 г. Камерлинг-Оннес 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
