Магніт за три тисячоліття
Залізо заводиться «помічником»
До XVIII століття слова «магніт» і «залізо» були синонімами. Потім на авансцену впевнено вийшов електричний струм, він став господарем становища. А залізо? Вже «м'яке», а не «жорстке» воно перетворилося на своєрідний підсилювач магнітного поля, підвищуючи його в сотні разів!
Мало кому помітний, але воістину радикальний переворот від заліза до заліза зі струмом відбувся у 20-х роках минулого століття в лабораторіях вчених.
Що ж до першого електромагніту, тобто. котушки, обтічної струмом і містить усередині залізний сердечник, його винаходи довелося чекати ще п'ять років. Цей пристрій створив Вільям Стерджен.
Він народився в Ланкастері у 1783 р. у родині шевця. Батько не приділяв сім'ї жодної уваги; він насолоджувався життям, ловив рибу і мав славу великим любителем півнячих боїв. Молодого Вільяма послали вчитися майстерності до шевця, і той, мабуть, тримав його в чорному тілі. Вільям голодував, і тому, як тільки випала нагода, втік від шевця до військової частини. Було йому на той час дев'ятнадцять років. Через два роки Вільям дістався артилериста, він багато читав, ставив фізичні та хімічні досліди.
Після звільнення з військової служби 1820 р. Стерджен купив токарний верстат і присвятив себе виготовлення фізичних приладів, зокрема електричних. Завдяки підтримці відомого тоді хіміка Джеймса Марша він був призначений лектором у Військову академію Ост-Індської компанії в Аддіскомбі, де й викладав до 1838 року.
Першим внеском Стерджена в науку стала розробка ним модифікованої моделі циліндрів Ампера, що обертаються, описаної в «Філософському журналі» в 1823 р. Наступного року він написав чотири статті з термоелектрики, а 23 травня 1825 р. представив Товариству мистецтв кількаудосконалених приладів для електромагнітних експериментів, серед яких був тепер знаменитий перший електромагніт. Ідея циліндричного і підковоподібного магнітів захопила його ще в 1823 р. Тоді Стерджен і побудував «колесо Стерджена», що обертається, - фактично одну з перших модифікацій електромотора.
Стерджен зробив низку дуже важливих відкриттів, про які написав кілька статей, проте «Філософський журнал», для якого вони призначалися, відмовився їх друкувати, і Стерджену не залишалося нічого, як створити свій власний журнал – «Аннали електрики».
Музей науки в Манчестері, директором якого став Стерджен у 1840 р., був надто науковим, щоб бути прибутковим, і Стерджен жив у злиднях. У 1850 р. винахідник електромагніту помер, так і не отримавши нагороду за свій великий винахід ні багатства, ні слави.
Учень Стерджена, знаменитий англійський фізик Джеймс Прескотт Джоуль, писав, що Стерджен був високого зросту і добре складний, мав благородну зовнішність і приємні манери. На жаль, портрет його не зберігся. На його могильній плиті вибито: «Тут лежить винахідник електромагніту. »
Перший у світі електромагніт, продемонстрований Стердженом 23 травня 1825 р. Товариству мистецтв, був зігнутий у підкову лакований залізний стрижень довжиною 30 і діаметром 1,3 см, покритий зверху одним шаром ізольованого мідного дроту. Електроенергією він постачався від гальванічної батареї (вольтовий стовп). Електромагніт утримував вагою 3600 р значно перевершував за силою природні магніти такої ж маси. Це було блискуче на той час досягнення.
Сам Стерджен особливо високо оцінював свою ідею, пов'язану із заміною жорсткого заліза м'яким. Вчений вільно оперував такими поняттями,як "магнетизм", "магнітна енергія", "однорідність магнітного матеріалу", "відпал заліза" і т.д.
Правління суспільства оцінило досягнення Стерджена. Він отримав медаль та грошову премію, а перший електромагніт був виставлений у музеї товариства.
Джоуль, експериментуючи з першим магнітом Стерджена, зумів довести його підйомну силу до 20 кг. Це було в тому ж таки 1825 р.
У 1828 р. лондонський годинниковий майстер Воткінс виготовив електромагніт, який піднімав 30 кг.
Тоді ж професор Молл з Утрехта, взявши за основу конструкцію Воткінса, виготовив магніт, який «піднімав ковадло масою 60 кг і не піднімав ковадло масою 80 кг».
У 1832 р. Стерджен виготовив магніт, який піднімав 160 кг, але вже у тому року Марш створив магніт, здатний підняти понад 200 кг. Проте Стерджен не збирався втрачати першості. На його замовлення 1840 р. був виконаний електромагніт, здатний підняти вже 550 кг!
Зараз важко уявити, наскільки важко було тоді створювати електромагніти. Адже навіть закон Ома інженерам на той час не був відомий.
Коли німецький вчитель Георг Сімон Ом поклав на стіл ректора Берлінського університету свою дисертацію, де вперше було сформульовано закон, без якого неможливий жоден електротехнічний розрахунок, він отримав дуже різку відповідь. Електрика, мовляв, не піддається ніякому математичному опису, оскільки «електрика – це власний гнів, власне бушування тіла, його гнівне Я, яке проявляється в кожному тілі, коли його дратують». Ректором Берлінського університету був у роки Георг Вільгельм Фрідріх Гегель.
Перші магніти було зроблено «як бог на душу покладе». Однак не будь-яка форма давала добрий результат. Випадково вийшло так, що Стерджен для свого першого магніту вибравдуже вдалу – підковоподібну – форму (підковоподібні магніти виготовляють досі). Відсутність досвіду та елементарної методики розрахунку магнітів призвела до того, що деякі різновиди магнітів, запропоновані на той час, були б, на наш погляд, абсурдними. Так, трилапий магніт не міг би успішно працювати, оскільки магнітні потоки кожного стрижня протидіяли б один одному - потік одного стрижня замикали на другому стрижні, де він діяв назустріч потоку цього стрижня.
Непридатною, на сучасний погляд, виявляється і конструкція, що дуже часто використовувалася, один магніт в якій складений з трьох дрібніших і намотаних окремо. Зрозуміло, що у проміжках між цими маленькими магнітами магнітні поля двох сусідніх стрижнів взаємно знищуються.
Лабораторні магніти того періоду виготовлялися «на вічко». Жодної теорії, яка дозволила б заздалегідь передбачити властивості магнітів, не існувало. Перший внесок у теорію розрахунку електромагнітів зробили українські вчені Е.Х. Ленц та Б.С. Якобі, що вказали на зв'язок підйомної сили електромагніту та добуток сили струму в котушках на число витків обмотки.
Після Ленца і Якобі великий внесок у теорію розрахунку магнітів зробили англійці брати Гопкінсони, які запропонували метод обліку насичення - явища, давно поміченого проектувальниками магнітів і полягає в тому, що в магніті заданої форми після певної межі збільшенням струму в котушках не можна підвищити його підйом. Сучасна теорія пов'язує це явище з тим, що при досягненні деякого струму, що намагнічує, елементарні магнітики (диполі) заліза (феромагнетика), раніше розташовані безладно, в основному орієнтовані в одному напрямку і при подальшому посиленні намагнічуючого струму істотногозбільшення числа магнітиків, орієнтованих щодо одного напрямі, немає. Насичення стали призвело до того, що індукція магнітного поля перших магнітів не перевищувала 2 Тл.
Настала нова ера посилення потужності магнітів, але не шляхом збільшення їх розмірів, а за допомогою вдосконалення їхньої форми та боротьби з насиченням.
Не можна сказати, щоби ця боротьба була дуже успішною. За сто років цієї напруженої війни фізиків з непокірною сталтю, що насичується, індукція магнітного поля в магнітах зросла всього лише в два з половиною рази. Над цією проблемою працювало багато відомих фізиків та електротехніки.
Що могли фізики протиставити природі? Тільки дуже точний облік та повне використання природних властивостей матеріалів. І ось з'являються магніти з короткими конічними полюсами, масивними сталевими магнітопроводами та величезними котушками.
Маса магнітів швидко збільшується - тепер більшою мірою за рахунок котушок. Якщо 1881 р. найбільший у світі лабораторний магніт важив близько 1 т, то 1930 р. – вже близько 120 т.
Першим позначку «5 Тл» перетнув 1903 р. магніт професора Грея в Глазго. Йому вдалося це зробити, застосувавши потужні котушки, близько присунуті до конічних полюсів.
Цікава ідея була висловлена французьким ученим Перро в 1914 р.: він запропонував крім двох звичайних котушок, розташованих на полюсах, використовувати третю робочу зону машин, що охоплює собою. Індукція магнітного поля магніту Перро досягла 5,1 Тл. До 1914 р. професор Беккерель (молодший) у Паризькому музеї природної історії створив магніт, індукція магнітного поля якого зросла до 5,5 Тл, три інших найпотужніших магніти на той час – Вейсса в Цюріху, Кайзера у Бонні та Еймса у США – працювали на рівні 4,5 Тл.
Варто зазначити, щоВиробництво Беккерелем магніту з індукцією поля 5,5 Тл, було сприйнято фізиками всього світу як сенсація. «Гігантський», «найпотужніший», – писали про це електромагніт газети. Збільшення індукції магнітного поля лише на 10% коштувало багатьох праць та хитрощів. Однак найголовніше полягало в тому, що для виготовлення полюсів магніту був використаний новий матеріал - сплав заліза з кобальтом, який насичується при індукції на кілька відсотків більше, ніж раніше застосовувані матеріали. Споживаючи потужність 22 кВт, електромагніт міжполюсному проміжку створював поле, магнітна індукція якого становила 5,5 Тл. При заміні феррокобальтових наконечників на залізні індукція полів знижувалася до 5,2 Тл.
Якщо відстань між полюсами було 2 мм і корисний об'єм 14 мм 3 (тобто об'єм, який можна було помістити лише невеликий зразок), то індукція магнітного поля досягла 5,9 Тл. Коли корисний обсяг було зменшено до 0,5 мм 3 (полюси, по суті, стикалися), індукція поля зросла до 6,5 Тл. Обмотка електромагніта складалася з тисячі витків мідної трубки, перерізом якої йшов струм, а по порожнині – вода, що охолоджує. Магніт охолоджувався так добре, що міг працювати цілодобово. Інші магніти, які мали штучного охолодження, було неможливо внаслідок сильного нагріву працювати поспіль понад 2 год.
Беккерель хотів з допомогою цього магніту уточнити деякі неясності теорії ефекту Зеемана. "Добре відомо", - говорив Беккерель, - що в цьому явищі є ще дещо незрозуміле - це "щось" викликане недоліком пильності наших інструментів. місця теорії
Усі фізики могли бачити, наскільки важко було отримано додаткові 0,5 Тл, протедеякі з них вважали, що все питання полягає у вартості та розмірах магніту. Зробити магніт колосальним, вкласти в нього масу грошей - і можна отримати скільки завгодно велике магнітне поле.
Надію на те, що електромагніт набагато більшої потужності, можливо в 100 Тл, буде побудований в найближчі роки, висловили на Міжнародному конгресі електриків у 1914 р. директор міжнародного бюро заходів та ваг Гійом та професор фізики у Сорбонні Перрен. Вони вважали, що за вартістю електромагніт дорівнюватиме потужному дредноуту (12. 14 млн. дол.) і вимагатиме для створення кількох років.
Однак навіть такою ціною не вдалося б підвищити індукцію поля електромагнітів до 100 Тл або, що саме в одиницях іншої системи вимірювань (СГС) – до 1 млн. Гс. Навіть зараз таке стаціонарне поле – недосяжна мрія фізиків. І винне в цьому не в останню чергу насичення.
У 30-ті роки в Белль-Ві, поблизу Парижа, вступив у дію найбільший із усіх побудованих раніше лабораторних магнітів. Цей магніт був створений Французькою академією наук вивчення магнетизму. Крім величезної маси він мав полюсні наконечники з особливого сплаву – пермендюру, що має дещо більшу індукцію насичення, ніж сталь. Це дозволило досягти великого поля. Але й воно становило лише 5,2 Тл при добутку сили струму на кількість витків, що дорівнює 500 тис. А. Довжина магніту 630 см, висота 275 см, маса 120 т.
У 1934 р. в університеті шведського міста Упсала вступив у дію новий потужний магніт. Він відрізнявся від французького тим, що його полюси мали значно більшу конусність, а котушки і сам полюс меншу висоту. Цей електромагніт, розрахований Дрейфусом, виявився набагато ефективнішим за французьку. Він важив лише 30 т, але з його допомогою при тому ж обсязі можна булоодержати поле приблизно 5,8 Тл. У цьому магніті полюси притягувалися із силою понад 60 т.
З того часу було побудовано багато потужних електромагнітів, але паризький і упсальський досі залишаються рекордсменами – перший за масою, другий – за ефективністю.
Зараз майже у кожній фізичній лабораторії є електромагніт: магніти використовуються для вивчення властивостей речовин у сильних полях, для випробування нових матеріалів, у сучасних унікальних вимірювальних приладах, у квантовій електроніці, для дослідження взаємодії атомних частинок, для медичних та біологічних досліджень. Вони не вражають розмірами, проте з їх допомогою можна отримати в досить значному обсязі поле 4. 5 Тл, необхідне дослідження.
Найвражаючіший і незвичайний дослідницький електромагніт, який ніколи не був побудований, запропонував знаменитий американський винахідник Томас Альва Едісон. На початку 90-х років минулого століття він запропонував створити потужний приймач, який реєстрував би електромагнітні процеси на Сонці. Проект полягав у наступному. У місті Огден, штат Нью-Джерсі, є прямовисна скеля з магнітного залізняку, маса якої не менше 100 млн. т. Якби обмотати цю скелю великою кількістю дроту так, щоб скеля грала роль гігантського сердечника колосального електромагніту, то за допомогою цієї обмотки, через її велику індуктивність, можна було б стежити за зміною магнітного стану Сонця.
В даний час, звичайно, у такому датчику магнітного поля космічних тіл немає потреби. Електромагнітні процеси на Сонці можна добре вивчати за допомогою радіотелескопів та інших приладів, хоч і громіздких, але все-таки в кілька тисяч разів легших і зручніших, ніж магнітна скеля. Однак для свого часу ідеяЕдісона була напрочуд сміливою і передовою.