Познать всесторонне строение вещества, проникнуть в его глубочайшие тайники, изыскать средства, которые позволили бы вмешиваться во внутреннюю жизнь материи и изменять ее, — вот что является одним из самых интересных и волнующих вопросов современной науки.
Весьма тонкие эксперименты, точнейшие приборы, источники энергии колоссальной мощности — ко всему этому приходится прибегать ученым, чтобы вырвать у природы одну из ее величайших тайн. Особенная роль принадлежит здесь магнетизму, который оказался одним из наиболее мощных орудий, позволивших осуществить основные работы по изучению материи.
В современной науке окончательно установился взгляд о прерывном, или зернистом, строении материи. Что это значит? Прерывность строения материи заключается в том, что между отдельными частицами ее — атомами и молекулами — существуют незаполненные промежутки.
Как известно, молекулы большинства веществ состоят из нескольких атомов. Возникает вопрос: что связывает атомы молекул между собой? Можно представить себе атомы в виде кирпичей, из которых воздвигают стены здания. Для того чтобы эти стены были монолитными, строитель пользуется глиной
Отсутствует фрагмент стр. 28
притягиваясь друг к другу, не соединяются в одно непрерывное сплошное тело? Что удерживает их на некотором расстоянии друг от друга? Ответить на этот вопрос поможет нам сравнение со звездным миром.
Представим себе все мироздание в виде гигантской молекулы, атомы которой составляют планеты и звезды. Известно, что Земля представляет собой огромный магнит, окруженный мощным магнитным полем. Предполагают, что и другие небесные тела также окружены магнитными полями и все они притягиваются друг к другу благодаря силам всемирного тяготения. Однако эти небесные тела не сталкиваются между собой, так как совершают непрерывное движение по своим орбитам, направленным в различные стороны. Инерция их движения противодействует силам взаимного притяжения и не дает телам соединиться воедино. Все же столкновения небесных тел иногда случаются в пространстве. Эти столкновения чрезвычайно редки и являются следствием слишком сильного сближения двух или нескольких небесных тел.
Атомы, подобно небесным телам, также находятся в непрерывном движении. Это движение и противодействует тем связывающим внутримолекулярным силам, которые стремятся соединится вместе.
Отсутствует фрагмент стр.28
внутримолекулярным полям, то это позволило бы оказать заметное воздействие на силы, действующие внутри молекул. Таким образом, перед наукой открылась замечательная перспектива: изучать внутримолекулярные силы с совершенно новой стороны — путем взаимодействия внешних и внутримолекулярных полей.
Наш известный ученый проф. П. Л. Капица впервые разработал весьма оригинальный метод получения сверхсильных магнитных полей. Его работы далеко опередили все то, что было достигнуто в этой области другими учеными разных стран.
*
Прежде чем узнать о магнитных полях, полученных проф. Капица, познакомимся с сэром Уильямом Джильбертом из Кольчестера. Это известный английский врач, живший во второй половине XVI в. (1540—1603 гг.).
За три года до смерти он издал свой гениальный труд: «О магните, магнитных телах и великом магните Земли».
В этом труде, о котором Галилей отзывался с величайшей похвалой, заключалось необыкновенное богатство новых идей и фактов. Джильберт установил неразделимость полюсов, указал на свойство одноименных концов магнитов отталкиваться друг от друга, определил направление магнитной стрелки, точно сформулировал разницу между магнитными и электрическими явлениями и ввел термин «электрическая сила». Кроме того, Джильберт впервые рассматривал Землю как большой магнит и изучил множество явлений, связанных с электричеством и электромагнетизмом. Таким образом он положил начало систематическому изучению различных магнитных явлений и справедливо может быть назван отцом современной науки о магнетизме.
Четыре столетия изучения магнитных и электрических явлений привели к грандиозным достижениям в области познания строения и свойств материи. Магнитное поле сыграло здесь основную роль.
Вспомним, что такое магнитное поле. Если у нас в руке находится какой-нибудь магнит в виде стержня или подковы, то, для того чтобы притянуть им железные опилки, его вовсе не следует погрузить в эти опилки. Достаточно лишь приблизить магнит очень близко к опилкам, и последние сами притянутся и «приклеются» к его полюсам. Очевидно, магнит обладает какой-то силой, притягивающей опилки. Эти силы действуют по определенным путям, называющимся магнитными силовыми линиями.
Можно проделать весьма простой опыт, который наглядно убеждает в существовании магнитных силовых линий. Возьмите кусок плотной бумаги, насыпьте на него тонким слоем железные опилки и поднесите снизу магнит. После легкого встряхивания опилки располагаются в определенном порядке, показывающем четкий рисунок магнитных силовых линий.
 |
| Магнитные силы действуют по определенным путям, насыпающимся магнитными силовыми линиями. Эти линии сосредоточены в каком-то ограниченном пространстве, которое называется магнитным полем. |
Силовых линий в магните имеется бесчисленное множество, и все они действуют в каком-то ограниченном пространстве. Это пространство, в котором можно обнаружить действие магнитных силовых линий, и называется магнитным полем.
Описанный опыт с опилками можно проделать и без постоянного магнита. Для этого нужно взять соленоид, т. е. свитую в спираль (катушку) проволоку, и пропустить через него электрический ток. При этом мы получим магнитное поле, состоящее из магнитных силовых линий, подобно полю постоянного магнита.
Поле соленоида можно усилить, если внутрь катушки поместить плотно входящий железный стержень — так называемый сердечник. В момент замыкания электрического тока соленоид с сердечником становится сильным магнитом, во много раз превосходящим постоянный магнит. Такой соленоид с железным сердечником называется электромагнитом.
*
Во время своих опытов по изучению свойств альфа-частиц радиоактивных тел проф. Капица встал перед необходимостью создать магнитные поля, гораздо более сильные, чем те, которые можно было получить при помощи уже существовавших методов.
Над созданием сверхсильных магнитных полей ученые и инженеры работают уже очень давно. Однако все многочисленные попытки разрешить эту проблему не приводили к желаемым результатам.
Казалось бы, что наилучшим и, пожалуй, единственным средством для этого мог послужить электромагнит. Можно было бы воспользоваться также и соленоидом. Однако ни тот, ни другой не смогли привести к цели. В электромагните с железным сердечником явление так называемого «насыщения» железа магнетизмом кладет предел усилению поля. Применение соленоида встречает другую трудность: уже при получении полей обычной силы требуется электрический ток, в несколько тысяч раз более сильный, чем для электромагнита, — и здесь дает себя знать тепловое действие тока. В быту мы часто сталкиваемся с проявлением этого действия в электрических лампочках и различных электронагревательных приборах, как например, утюг, чайник, плита и т. д. Тепловое действие увеличивается при усилении тока. И вот чтобы получить очень сильное магнитное поле при помощи соленоида, через него нужно пропускать ток огромной силы, но выделяющееся при этом тепло расплавило бы любой материал, из которого сделан соленоид. Нагревание соленоида очень быстро кладет предел усилению поля. Пользуясь обычным соленоидом, можно создать поле силой, не превышающей 2 тыс. гаусс.
Известный французский ученый Перрен предложил охлаждать соленоид в жидком воздухе, т. е. при температуре около минус 190°. Но подсчеты показали, что для охлаждения соленоида, дающего поле в 100 тыс. гаусс (при диаметре поля всего в 1 см), потребовался бы колоссальный расход жидкого воздуха — 25 кг/сек. Это полтонны в минуту. Для этого нужно было бы построить огромный завод, оборудованный большим количеством высокопроизводительных установок по сжижению воздуха. Кроме того, получение жидкого воздуха обходится чрезвычайно дорого, и поэтому непрерывное охлаждение, предложенное Перреном, помимо технических трудностей, еще в высшей степени не экономично.
Проф. Капица нашел способ, как получить сверхсильное магнитное поле. Он решил создать поле при помощи соленоида на столь короткое время, чтобы ток не успел еще выделить большого количества тепла. При этом, естественно, надо было резко снизить и время, необходимое для эксперимента со сверхсильным магнитным полем. Речь здесь шла уже о сотых долях секунды.
Человеческое зрение не в состоянии, конечно, наблюдать явления, протекающие за такой весьма короткий промежуток времени. Но здесь проф. Капица воспользовался достижениями современной фотографии, которая позволяет легко осуществить наблюдения подобных мгновенных процессов.
Первоначально проф. Капица разработал такой тип аккумулятора, который можно было заряжать в течение нескольких минут, а потом сразу разрядить, замкнув накоротко через соленоид. В момент замыкания через соленоид проходил ток в 6—7 тыс. ампер, давая магнитные поля силой до 80 тыс. гаусс. Таким образом, поля, полученные при помощи этого метода, уже превосходили все то, что удавалось получать другим ученым.
В дальнейшем, развивая свой метод, проф. Капица отказался от аккумуляторов, заменив их мощным электрогенератором переменного тока. Этот генератор, находящийся сейчас в нашем Институте физических проблем, построен в Англии.
Основное внимание при постройке генератора было уделено значительному усилению тех частей, которые подвержены большому напряжению при замыкании тока. Силы, возникающие при коротком замыкании, настолько велики, что в этот момент скорость вращения ротора генератора, совершающего 3 тыс. оборотов в минуту и весящего 2,5 т, замедляется на 10%. Это замедление происходит в течение крайне незначительного промежутка времени — всего в 0,01 сек. Поэтому оно равносильно внезапному удару огромной силы.
 |
| Генератор переменного тока, с помощью которого получаются сверхсильные магнитные поля. |
Ток от генератора подводится по кабелям к соленоиду, расположенному на расстоянии 20 м от генератора. Отделить генератор от соленоида надо было потому, что иначе сильный удар в результате внезапного замедления ротора сотрясал бы соленоид и все приборы. Ясно, что в таких условиях никакие наблюдения не были бы возможны. Если же соленоид отнесен на некоторое расстояние от генератора, то сотрясение передается ему позднее, чем электрический ток, и этого незначительного промежутка достаточно, чтобы закончить эксперимент до толчка.
Большие трудности пришлось преодолеть при конструировании соленоида. Во время замыкания тока в соленоиде возникают огромные силы, действующие от центра во все стороны и стремящиеся разорвать соленоид. Для поля в 400 тыс. гаусс эта сила достигает 100 т.
После ряда экспериментов проф. Капица изготовил достаточно прочный соленоид следующим образам. Он сделал обмотку из медно-кадмиевой проволоки, которая имеет на 10% меньшую проводимость, чем красная медь, но зато в четыре раза прочнее ее. Сечение проволоки — квадратное. Наматывалась она под сильным натяжением, чтобы вся катушка была более компактной и прочной. Отдельные витки соленоида изолировались друг от друга слюдой. Поверх катушки была надета особая обойма из марганцовистой бронзы. Все это затягивалось бандажом из стальной ленты, намотанной во много слоев. Все пустоты в соленоиде были залиты жидким бакелитом, который затем, при нагревании до 150°, под давлением затвердевает.
 |
| Соленоид, сконструированный проф. Капица, дли получения сверхсильного магнитного поля. |
Однако даже соленоиды такой весьма солидной конструкции несколько расширялись под действием сильного магнитного поля, и в результате получались разрывы проволоки в местах, подвергнутых наибольшему напряжению. Эти недостатки удалось окончательно устранить следующим образом. Обмотка соленоида была изготовлена из двух частей — внутренней и внешней. Внутренняя часть, сделанная в виде отдельной спирали, связывалась с остальной частью обмотки при помощи пружинистых скользящих контактов.
При внутреннем диаметре в 1 см такой соленоид дает магнитное поле в 325 тыс. гаусс, нагреваясь всего лишь до 115°. При этом используется только лишь четверть мощности генератора. Если же использовать всю мощность генератора, такой соленоид должен дать вдвое более сильное магнитное поле. Усиление поля вдвое вызовет и вдвое более сильное нагревание соленоида, причем вчетверо возрастет разрывающая сила.
В случае сильного нагревания соленоида его можно предварительно охлаждать. Это охлаждение ничего общего не имеет с непрерывным охлаждением, предложенным Перреном, и легко осуществимо.
Сверхсильные магнитные поля дают возможность изучать целый ряд явлений, затрагивающих основные проблемы физики, например: определение момента инерции электрона, изучение сверхпроводимости металлов в магнитном поле, исследование явления так называемой магнитной восприимчивости, исследование линий спектра в магнитном поле и др.
Замечательные работы проф. Капица по созданию сверхсильных магнитных полей ставят нашу страну на ведущее место в области изучения природы и свойств материи.
Комментариев нет:
Отправить комментарий