Человек, попавший в эту лабораторию, вряд ли сразу догадается о её назначении. Он увидит здесь и микроскоп, и чувствительный гальванометр, позволяющий измерять едва уловимые токи, и коротковолновую радиостанцию, и даже металлоплавильную печь. Все эти и другие самые разнообразные приборы служат для изучения одного из важнейших разделов физики — магнетизма.
Магнитная лаборатория Московского университета существует лишь с 1931 г. Несмотря на такой короткий срок, коллектив сотрудников, объединившихся здесь под руководством молодого советского профессора Н. С. Акулова, проделал интересную научную работу, которая имеет крупное народнохозяйственное значение.
Люди знакомы с магнитом уже не первую тысячу лет. Однако магнетизм долгое время оставался одним из наименее изученных явлений природы. Магнитные свойства железа, стали и некоторых других металлов привлекают особое внимание учёных лишь с начала прошлого века, когда была открыта связь между магнитными явлениями и электрическими. Если в переменное магнитное поле поместить проводник, то в нем возникнет ток, и обратно: когда электрический ток проходит по какому-либо проводнику, вокруг него создаётся магнитное поле.
На этом законе электромагнитной индукции основана вся современная электротехника. Но магнитные поля, возникающие вокруг проводников, чрезвычайно слабы, и электрические машины не могли бы действовать, если бы не существовало ещё другое замечательное явление — ферромагнетизм. Оно заключается в следующем. Кусок железа, помещённый хотя бы в слабое магнитное поле, становится сразу мощным магнитом и усиливает это поле в десятки тысяч раз. На этом свойстве железа и других магнитных металлов основано действие всех динамомашин, электромоторов и трансформаторов. В них применяются железные сердечники, которые служат как бы могучими усилителями слабых магнитных полей.
Для объяснения этого явления учёными была выдвинута гипотеза спонтанного (т. е. внутреннего) намагничивания. Согласно этой гипотезе внутри любого куска железа всегда существуют целые области, намагниченные до максимального предела, какой может быть при данной температуре. Эти области создаются в кристалле вечно текущими замкнутыми токами, без всякой затраты энергии извне, подобно тому, как происходит вращение Земли без расхода какой бы то ни было энергии.
Области спонтанного намагничивания не дают заметного внешнего эффекта лишь потому, что их магнитные поля направлены в разные стороны и взаимно уничтожают друг друга. Но достаточно поместить металл хотя бы в слабое внешнее магнитное поле — и области внутреннего намагничивания сливаются в один поток. Внешнее поле как бы организует отдельные «магнитные отряды», действовавшие до сих пор вразнобой, и создаёт в них целеустремлённую могучую армию, причём сила этой армии оказывается в тысячи раз больше той, которая была затрачена на её организацию.
Теория спонтанного намагничивания служила основой для многих важнейших доводов, но практически не была доказана. За эту задачу и взялись сотрудники магнитной лаборатории МГУ. Они решили собственными глазами «увидеть» эти загадочные области. Чтобы исключить всякую случайность и неточность при таких «поисках», необходимо было производить опыты над монокристаллом, т. е. над куском железа, в котором атомы расположены совершенно правильно и равномерно.
Известно, что элементарный кристалл железа представляет собой как бы кубик, состоящий из девяти атомов: восемь расположены по углам и один в центре. Такой кристаллик ничтожно мал. Для опытов применяются крупные монокристаллы, которые состоят из бесчисленного множества правильно расположенных элементарных кристалликов, образующих так называемую кристаллическую решётку.
Крупный монокристалл можно получить из расплавленного металла лишь при особых условиях плавки и охлаждения. Обычные термические печи здесь не годятся. Работники лаборатории впервые в Союзе применили для этой цели электромагнитные высокочастотные печи. Принцип действия таких печей очень интересен. Если в переменное магнитное поле поместить кусок металла, то внутри него будут возникать так называемые переменные токи Фуко. При высокой частоте переменного магнитного поля движение электронов ускоряется настолько, что металл разогревается до плавления.
Эта оригинальная печь, в которой могут нагреваться только металлы, состоит из необычного соленоида — нескольких витков полой медной трубки. По соленоиду проходит высокочастотный ток. Чтобы его витки сами не разогревались, по трубке непрерывно протекает холодная вода. Внутри соленоида под влиянием высокочастотного тока создаётся быстропеременное магнитное поле. В этом поле плавится любой металл; в то же время сюда можно спокойно опустить палец, не боясь обжечься; можно поместить кусок льда — и его таяние даже не ускорится.
 |
Заинтересовавшись работой магнитной
лаборатории Московского университета, Арк-Синус решил сам познакомиться с
явлениями магнетизма. Его особенно заинтересовала высокочастотная печь, в
которой плавятся металлы, а лёд даже не тает. Зная, что человек может безопасно
находиться в этой печи, если на нем нет никаких металлических предметов,
Арк-Синус, сняв очки, забрался внутрь соленоида. «Включайте!» бодро крикнул он,
но тут же выскочил, как ошпаренный. Он забыл про металлическую пломбу во рту.
Пломба расплавишь и чуть не прожгла доктору рот. |
Чтобы получить высокочастотный ток, питающий эту печь, пришлось построить в лаборатории мощную коротковолновую установку. Она отличается от обычной радиостанции лишь тем, что её ток идёт не в антенну, а в соленоид. Мощность станции — 5 киловатт — достаточна, чтобы вести радио разговор даже с Америкой.
Когда высокочастотная печь была готова и отрегулирована, наступил второй этап работы — плавка металла и «добыча» монокристаллов. Этот процесс производится с величайшей осторожностью. Тигелёк с металлом помещается в кварцевой трубке. Трубка наполняется водородом, который защищает металл от окисления, и вставляется в соленоид. Включается ток — и в течение трех минут металл уже расплавлен. Теперь для получения крупного монокристалла тигелёк необходимо очень осторожно охладить. Медленное и совершенно равномерное охлаждение было достигнуто с помощью простого приёма: трубка с тигельком устанавливалась на диск, плавающий в сосуде с водой. Вода из сосуда стекала по капле. Таким образом уровень воды понижался совершенно равномерно и крайне медленно, а вместе с ним так же медленно и незаметно опускалась кварцевая трубка с тигельком, переходя из высокочастотной печи в более «холодную», электрическую. В течение 36 часов тигелёк опускается на 20 сантиметров и за это время остывает с 1600° до 400°.
После такого охлаждения в тигельке получается крупнозернистый слиток металла. Достаточно протравить его кислотой и границы зёрен становятся видны невооружённым глазом. Наиболее крупные монокристаллы вырезают, и придают им правильную форму многогранника, кубика или шарика.
Сотрудники лаборатории научились добывать монокристаллы размером в крупную горошину — до 8 миллиметров в диаметре. Подобные монокристаллы считаются большой редкостью. В адрес Московского университета поступают запросы от американских научных институтов с просьбой прислать образцы таких кристаллов или указать метод их получения. До сих пор крупные монокристаллы умели выплавлять только в Германии и в Японии, но и там их изготовляли единицами.
*
Получение крупных кристаллов явилось большим успехом магнитной лаборатории, но это был только первый этап работы. На монокристаллах предстояло проверить законы магнетизма, подобно тому, как на отдельных кубиках бетона изучают свойства целой плотины.
Теперь можно было приступить к «поискам» областей спонтанного намагничивания. Для этой цели надо было изолировать монокристалл от посторонних магнитных сил: только при таком условии можно обнаружить ничтожно слабое действие областей внутреннего намагничивания. Но как избавиться от всепроницающего земного магнетизма, силы которого проявляются всюду?
Эта задача была решена очень просто, примерно по тому же принципу, по какому уравновешивают тяжесть тела, привязывая к нему воздушный шар. Роль «уравновешивающего шара» сыграл специально подобранный соленоид: его магнитное поле равно по силе действию земного магнетизма на монокристалл, но имеет обратное направление. Эти две величины взаимно уничтожаются, и таким образом внутри соленоида образуется небольшое пространство, свободное от всяких магнитных влияний. Стрелка компаса вела себя там, как обыкновенная не намагниченная иголка.
Но приготовления к опыту на этом не окончились. Учёные рассуждали так: если области спонтанного намагничивания действительно существуют, то они должны проявить себя хотя бы ничтожно слабыми магнитными силовыми линиями, выходящими наружу из кристалла. Чтобы обнаружить эти линии, надо найти чрезвычайно мелкий порошок, обладающий магнитными свойствами,
Такое вещество было найдено. Это был крокус, порошок окиси железа (ржавчины), который можно растереть в мельчайшую пыль, так что отдельные крупинки станут меньше микрона. Пыль крокуса, взмученная в спирте, образует как бы коллоидный раствор, так называемую суспензию. Стеклянную кювету с такой суспензией поместили в соленоид, изолировав её от магнитного поля Земли. Затем в кювету опустили монокристалл.
Примерно через полчаса кристалл был вынут.
Если бы областей спонтанного намагничивания не существовало, то частицы крокуса осели бы на тщательно отполированной поверхности монокристалла равномерно. Однако крокус расположился характерным мозаичным узором, который можно было различить даже при небольшом увеличении, примерно в 25 раз.
Так впервые было наглядно доказано существование областей внутреннего намагничивания. Опыты повторялись потом много раз. «Расшифровывая» узоры крокуса, работники лаборатории научились даже определять форму и расположение этих областей.
Глубоко теоретические исследования неожиданно дали замечательный практический результат. Однажды, производя опыты с очередным кристаллом, работники лаборатории заметили, что в одном месте характерный узор крокуса был нарушен. Заинтересовавшись этим явлением, проф. Акулов и его ближайший сотрудник доц. Дегтяр протравили кристалл и обнаружили в нем мельчайшую крупинку шлака. Магнитные силовые линии, стремясь обойти это препятствие, вышли наружу; над тем местом, где металл был загрязнён, порошок осел заметным пятном.
 |
Протягивая магнитные силовые линии внутри
куска, стали, доктор глубокомысленных наук Арк-Синус внезапно натолкнулся на
постороннее немагнитное включение. «Обойду сторонкой», решил неунывающий
Арк-Синус. Сначала все шло благополучно, но, протягивая последние линии,
Арк-Синус был вынужден вылезть с ними на поверхность кристалла. Тут-то его и
обнаружили с помощью магнитного порошка — крокуса. |
Этот случай натолкнул проф. Акулова на мысль, что с помощью крокуса можно определять мельчайшие нарушения в структуре металла. Так родился новый метод исследования железа и стали — магнитная металлография. Этот метод особенно ценен для изучения кислотоупорных сталей, которые не поддаются обычному исследованию посредством травления.
После целого ряда опытов решено было испробовать новый метод для обнаруживания скрытых дефектов в различных стальных изделиях. В 1933 г. проф. Акулов впервые применил новый способ дли нахождения так называемых «трещин усталости» в вагонных осях. Эти трещины нередко бывают причиной железнодорожных аварий. Опыты дали блестящие результаты: крокус позволил обнаруживать самые скрытые трещины. Внешне они были совсем незаметны, но, когда по такой оси ударяли молотом, она ломалась по линии, отмеченной крокусом.
Вскоре новый метод был испытан и на одном московском заводе, производящем ответственные стальные изделия. Бичом этого завода были закалочные трещины, настолько мелкие, что их не всегда удавалось различить даже в сильную лупу.
Вот на этом заводе впервые в Союзе проф. Акулов и доц. Дегтяр установили первые аппараты массовой магнитной дефектоскопии. Стальные изделия, предварительно намагниченные, целыми партиями погружались в раствор крокуса. Там, где была скрытая трещина, не различимая в лупу, крокус оседал ярко-красной линией, которую можно было увидеть невооружённым глазом даже на расстоянии нескольких метров. Скорость контроля увеличилась во много раз.
В 1935 г. по приказу наркома тяжёлой промышленности новый метод дефектоскопии введён почти на всех крупных заводах, изготовляющих ответственные стальные детали. Так магнитная дефектоскопия, зародившаяся в стенах Московского университета, начала свою самостоятельную жизнь. Коллектив исследователей перешёл к новым работам.
Работникам лаборатории предстояло решить ещё один, казалось бы, чисто теоретический, вопрос: направлены ли области спонтанного намагничивания в монокристалле хаотично во все стороны, или же в их расположении есть какая-то закономерность. Ещё до начала исследований проф. Акулов на основе теоретических рассуждений пришёл к выводу, что эти области расположены по трём взаимно перпендикулярным осям кристаллической решётки. При этом параллельно каждой оси идут две области намагничивания, имеющие взаимно противоположные направления. Таким образом, в монокристалле области внутреннего намагничивания располагаются всего по шести направлениям. Как раз по этим направлениям кристалл должен легче всего намагничиваться. Во всех других направлениях кристалл также может намагничиваться, но для этого приходится затрачивать значительно больше энергии.
 |
Как расположены области спонтанного
намагничивания? Этот вопрос не давал покоя Арк-Синусу. Проникнув в молекулярные
недра монокристалла, доктор глубокомысленных наук с помощью особого компаса
обнаружил, что эти области ориентированы в шести направлениях — в ту и другую
сторону по трём осям кристаллической решётки. |
Это свойство неодинаковой магнитной проницаемости вещества носит название анизотропии (от греческих слов «анизоз» — неравный и «тропо» — направляю).
Проф. Акулову удалось установить закон, который позволяет вычислять, какое количество энергии надо затрачивать, чтобы намагнитить кристалл в любом избранном направлении. Этот же закон даёт возможность определить, как будут меняться в зависимости от выбранного направления и другие физические свойства металла — его механическая прочность, электропроводность, теплопроводность и пр. Закон проф. Акулова был проверен на множестве опытов с помощью самых различных приборов. Один из основных аппаратов, наглядно доказывающих существование магнитной анизотропии, действует следующим образом. Между полюсами электромагнита на особых стержнях укрепляется шарик монокристалла. Стержни устроены так, что шарик имеет возможность вращаться вокруг своей оси, но не может отклоняться вбок и «прилипать» к полюсам электромагнита.
Как только в электромагнит включается ток, шарик сам собой несколько поворачивается. Он устанавливается так, что силовые магнитные линии совпадают с одним из рёбер кристаллической решётки. Чтобы теперь повернуть шарик, приходится затратить некоторое усилие. При этом он поворачивается как бы скачком и ровно на 90°, как поворачивается, например, рычажок выключателя.
При помощи этого прибора, названного анизометром, можно точно измерить усилие, с каким монокристалл стремится повернуться в магнитном поле. Для этого кристалл соединяется с так называемыми крутильными весами. Поворачиваясь, он с большей или меньшей силой закручивает тонкую упругую проволочку этих весов. Вместе с монокристаллом поворачивается небольшое зеркальце. По отражённому от него лучу можно точно отметить угол поворота. Этот угол тем больше, чем сильнее закручивается проволочка.
Все эти опыты велись с монокристаллом. Но вот однажды проф. Акуловым и доц. Брюхатовым был взят обычный кусок железа, в котором кристаллы расположены беспорядочно. Крутильные весы и на этот раз отметили определенный поворот, т. е. ясно выраженную анизотропию. Казалось бы, хаотично расположенные кристаллы должны были действовать в разные стороны, по басне «Лебедь, Щука и Рак». Однако в этом хаосе всегда находится одно направление, по которому ориентировано относительно большее количество осей кристаллов.
Известно, например, что при прокатке железа его кристаллы как бы выстраиваются в одном направлении. Металл получает как бы «волокнистую» структуру, подобно структуре дерева. Проф. Акулов и доц. Брюхатов пришли к выводу, что эта волокнистость должна отразиться и на магнитных свойствах металла. Из прокатанной железной ленты были вырезаны диски. Как и предполагалось, магнитная проницаемость вдоль волокон оказалась заметно выше, чем в других направлениях. Это дало возможность заранее предсказать важнейшие свойства стальных изделий,
Ещё интереснее были опыты с образцами закалённой стали. В ней во время закалки происходят существенные изменения. При высокой температуре сталь состоит из кристаллов вязкого и мягкого немагнитного вещества, так называемого аустенита. Если эту сталь быстро охладить, аустенит превращается в более хрупкий, но зато твёрдый мартенсит, обладающий магнитными свойствами. Пластинка стали с большим количеством и мартенсита поворачивает крутильные весы на несколько градусов, в то время как такой же образец из аустенита смещает грани зеркальца едва заметно.
Наблюдая за поворотом зеркальца и отражённому пучку света, проф. Акулов пришёл к мысли, что с помощью анизометра можно не только исследовать готовые закалённые образцы, но даже проследить весь процесс закалки на ходу и записать его на фотобумагу.
Для этой цели в нижней части анизометра были поставлены две маленькие печи для отжига и закалки, похожие по внешнему виду на бокальчики. Эти печи двигаются на особых автоматических качелях. Кусочек стали спокойно висит на стержнях крутильных весов между полюсами электромагнита, а печи поочерёдно подходят под него снизу и затем, поднимаясь, как бы надеваются на образец.
Стенки печей не мешают действию магнитных силовых линий, и анизометр продолжает работать в течение всей закалки. Сначала на образец «надевается» электрическая печь и разогревает его до нужной температуры. При этом магнитные свойства стали уменьшаются, а при известной температуре (точка Кюри) совсем исчезают. Затем подъезжает второй бокальчик, наполненный маслом. В нем происходит закалка стали. В металле появляются кристаллы мартенсита, вследствие чего образец стремится повернуться во внешнем магнитном поле. Этому препятствует упругость нити. Чем больше аустенита перейдёт в мартенсит, тем значительнее будет угол поворота. Свет, отражённый от зеркальца крутильных весов, падает на вращающийся ролик фотобумаги и чертит на ней кривую линию, по которой можно «прочитать» весь ход образования мартенсита, другими словами, весь процесс закалки.
*
Изучая магнитные свойства металлов, работники лаборатории проникали в самые неизведанные области, раскрывали самые сокровенные явления, происходящие в молекулярных недрах вещества. В то же время их исследования имели большое практическое значение. Особенной сложностью и точностью отличались опыты, связанные с изучением магнитострикции. Этим малоизвестным термином обозначается свойство ферромагнитных металлов изменять свою форму при намагничивании.
Отчего это получается? Проф. Акулов дал теоретическое объяснение этому малоисследованному явлению.
Представим себе, что происходит с элементарным кристалликом железа в тот момент, когда он окажется в области спонтанного намагничивания. Электроны его атомов, расположенных в углах куба, начнут действовать друг на друга, как маленькие магнитики: одни из них притягиваются, другие взаимно отталкиваются. В результате кристалл теряет свою строгую форму куба, он чуть заметно растягивается в одном направлении и соответственно сжимается в другом, поперечном. Кубик превращается в параллелепипед, грубо говоря, становится подобен кирпичику.
В нейтральном куске железа различные области спонтанного намагничивания ориентированы беспорядочно, но под влиянием внешнего магнитного поля все они выстраиваются в одном направлении, при этом Кристаллы оказываются «растянутыми» в одну сторону. Весь намагничиваемый предмет несколько удлиняется в одном направлении и сжимается в другом, поперечном.
 |
Решив заняться изучением магнетизма, Арк-Синус
загромоздил свой и без того тесный кабинет всевозможными приборами и образцами.
Однажды, пробираясь к своему столу, Арк-Синус застрял между стеной и концом
большой железной балки, на которую были намотаны витки провода. В эту минуту
сынишка Арксинуса неожиданно включил ток. Стержень намагнитился и, удлинившись
вследствие магнитострикции, прижал доктора к стене так, что тот не мог ни
охнуть, ни вздохнуть. Природная находчивость спасла Арк-Синуса. Он дотянулся
рукой до ближайшего витка проволоки и порвал его. Ток прекратился, и стержень
мгновенно вернулся в своё прежнее немагнитное состояние. |
Это удлинение почти незаметно, но исключительно велико по мощности. Подобно тому как железный стержень, расширяясь от нагревания, может сломать на своём пути любое препятствие, сила магнитострикции очень велика. Этим пользуются для подводной ультразвуковой сигнализации. На большой глубине огромное давление воды не позволяет применить обычную мембрану для посылки ультразвуковых волн, вода просто прижмёт её к магниту. В таких условиях мембрану может «раскачать» специальный никелевый стержень, на котором намотаны витки провода. Пропуская по этим виткам высокочастотный ток, заставляют стержень непрестанно перемагничиваться. То удлиняясь, то укорачиваясь, стержень «толкает» мембрану и вызывает ультразвуковые волны даже в самой плотной водяной среде.
Итак, всякий кусок железа во время намагничивания изменяет свою форму, растягиваясь в одном направлении и сжимаясь в другом. Но существует ещё другое, не менее интересное явление «обратной магнитострикции». Всякое растяжение или сжатие куска металла, в свою очередь, изменяет его магнитное состояние. Работники лаборатории проделали множество сложных опытов, с помощью которых установили законы этого явления.
Растягивая или сжимая металл, мы несколько нарушаем форму его кристаллов, а вместе с тем изменяем направление областей спонтанного намагничивания, проще говоря, вызываем внутри куска железа целые магнитные бури. Конечно, эти бури слишком ничтожны, чтобы их можно было наблюдать непосредственно. Однако сотрудники лаборатории нашли способ уловить и даже измерить их с помощью гальванометра. Это оказалось возможным потому, что всякие магнитные явления тесно связаны с электрическими.
Представим себе, например, что нам надо исследовать работу фермы моста под влиянием нагрузки. Для этого обмотаем какую-нибудь часть фермы сначала одним проводом, а затем поверх него другим, превратив её, таким образом, в сердечник трансформатора с двумя катушками; внутренней и наружной. Первую соединим с источником переменного тока, а вторую с чувствительным гальванометром. Согласно закону электромагнитной индукции ток, проходя по первой обмотке, намагнитит сердечник, т. е. исследуемую часть фермы. Вокруг неё появится силовое магнитное поле. Действуя на витки наружной обмотки, это поле вызовет в ней электрический ток. Стрелка гальванометра отклонится на некоторый угол.
Но вот по мосту проезжает грузовик. Ферма испытывает растяжение. Это вызывает в ней некоторую «перестройку» областей внутреннего намагничивания. Изменится и ток, индуктируемый во второй катушке прибора. Вследствие этого стрелка гальванометра сдвинется с места, показывая изменение нагрузки на ферму. Как бы ни было ничтожно изменение магнитной проницаемости, современные гальванометры позволяют уловить его и таким образом измерить растяжение, которое испытала ферма от проехавшего грузовика.
 |
Для изучения явлений обратной магнитострикции
Арк-Синус изобрёл сверхчувствительный супергальванометр. Усевшись на мосту,
Арк-Синус решил измерить этим прибором прочность мостовой фермы на растяжение.
На мосту ещё не появлялся ни один грузовик, как вдруг стрелка гальванометра
заволновалась без всякой видимой причины. Только после долгих поисков удивлённый
Арк-Синус заметил усевшуюся на перилах моста птичку, которая и вызвала
возмущение его сверхчувствительного прибора. |
Подобным же способом можно измерить динамические нагрузки различных ответственных деталей, как, например, коленчатых валов, стрел экскаватора, подъёмных кранов и т. п. Несомненно, этому новому методу, который недавно разработан магнитной лабораторией МГУ, принадлежит огромное будущее.
*
Лаборатория, руководимая проф. Акуловым, является крупнейшей магнитной лабораторией в Советском Союзе. Здесь объединились молодые доценты и аспиранты Московского университета Е. И. Кондорский, М. В. Дегтяр, Н. Л. Брюхатов, Д. И. Волков, Л. В. Киренский, Г. С. Юрин и др. Некоторые «воспитанники» лаборатории с успехом работают в других научных институтах, как, например, Н. И. Ерёмин, С. Я. Сиголаев, С. Д. Энтин и др. Многие из сотрудников лаборатории известны своими трудами и изобретениями не только у нас, но и за границей. Коллективно решая самые сложные научные проблемы, молодые исследователи умело сочетают глубокую научную теорию с живой практикой. Это стиль, отличающий советскую науку, самую передовую науку в мире.
Комментариев нет:
Отправить комментарий