Книга Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Таким образом, появляется возможность объяснить магнетизм Земли. Даже если допустить, что жидкое железо Земли имеет температуру выше точки Кюри (см. гл. 9) и не может быть обычным магнитом, тем не менее возможно, что вращение Земли создает в этой жидкой магнитной системе медленное вихревое движение с электрическим зарядом и что ядро Земли ведет себя скорее как соленоид, нежели как магнитный брусок. Эффект получается одинаковый.

Если это так, то планета, не обладающая жидким ядром, в котором могли бы возникнуть завихрения, или вращающаяся недостаточно быстро, чтобы привести вихри в движение, не будет обладать значительным магнитным полем (если вообще будет им обладать). Факты, собранные в результате современных опытов с ракетами, кажется, подтверждают это. Плотность Луны составляет всего 3/5 от плотности Земли, и это заставляет полагать, что на Луне нет плотного жидкого железного ядра значительного размера, — и исследования Луны ясно показали, что сколь-либо значимого магнитного поля она не имеет.

Венера же, напротив, очень похожа на Землю в отношении размера и плотности, и, вероятно, на этой планете имеется жидкое железное ядро. Однако астрономические данные, полученные в 1960-х годах, показали, что Венера вращается медленнее, приблизительно один раз в 200 с лишним дней. И на Венере тоже, по данным, полученным с «Маринера II» (аппарата-исследователя Венеры), значимое магнитное поле отсутствует.

Юпитер и Сатурн, которые намного больше Земли, тем не менее вращаются быстрее и обладают значительно большими магнитными полями, чем Земля.

Солнце представляет собой сплошь текучую среду, скорее газообразную, чем жидкую, а в результате вращения в его магнитной системе, бесспорно, присутствуют вихри. Возможно, что именно такие вихри объясняют наличие магнитного поля у Солнца, особенно учитывая «пятна» на нем. У некоторых звезд обнаружены гораздо более сильные магнитные поля, чем у Солнца, а что касается галактик, считается, что магнитные поля галактик имеют размеры, сопоставимые с размером самих галактик.

Применение электромагнетизма

Силу магнитного поля внутри соленоида можно увеличить, поместив в спираль железный брусок. Высокая проницаемость железа (см. гл. 9) будет способствовать концентрации и без того близко расположенных друг к другу магнитных линий. Первым, кто поставил этот опыт, стал англичанин Уильям Стёрджен (1783–1850), который в 1823 году 18 раз обернул неизолированную медную проволоку вокруг бруска U-образной формы и изобрел электромагнит. Пустив электрический ток, Стёрджен убедился, что его электромагнит способен поднять вес в 20 раз больше собственного. В отсутствие тока это устройство теряло магнитные свойства и не могло ничего поднять.

Однако электромагнит стал таким, какой он сейчас, только благодаря американскому физику Джозефу Генри (1797–1878). В 1829 году он повторил эксперимент Стёрджена, но использовал изолированную проволоку. Теперь витки можно было располагать вплотную друг к другу, не опасаясь коротких замыканий. Следовательно, Генри мог сотни раз обернуть даже недлинную проволоку вокруг железного бруска, сильно увеличивая таким образом отношение N/L (см. уравнение 12.1) и усиливая мощь магнитного поля при заданной силе тока. В 1831 году ученый изготовил небольшой электромагнит, который мог поднять более тонны железа.

Электромагнитные явления сделали возможным создание магнитных полей огромной силы. Игрушечный магнит-подкова мог создать магнитное поле с силой в несколько сотен гауссов, средний магнит-брусок — в 3000 гауссов, а мощный — в 10 000 гауссов. А с помощью электромагнитов вполне доступно создание магнитных полей силой 60 000 гауссов.

Еще большее увеличение магнитного поля теоретически не является проблемой, нужно лишь увеличить силу тока. Но, к сожалению, это приведет также к увеличению количества вырабатываемого тепла (выделение тепла увеличивается пропорционально квадрату силы тока), что влечет за собой проблему перегрева проволочных катушек и необходимость их охлаждения. Кроме того, магнитные силы провоцируют серьезную механическую деформацию. К XX веку изобретательность в проектировании, а также использование прочных материалов позволили с помощью коротких вспышек электрического тока создавать временные поля, сила которых измеряется сотнями тысяч гауссов. Создавались даже короткоживущие поля с силой в полтора миллиона гауссов, приводившие к взрывам проводников электрического тока.

Поддержка столь сильных магнитных полей требовала продолжительного использования сильнейших электрических токов и мощных охлаждающих установок, а это слишком дорого обходилось. В поисках возможности избежать таких расходов внимание ученых обратилось на явление сверхпроводимости. Если некоторые проводники охладить до температуры жидкого гелия, то их сопротивление падает до нуля, поэтому проходящий по ним ток не вырабатывает тепла независимо от своей силы. Более того, электрический ток, пущенный по замкнутой цепи при такой температуре, будет течь бесконечно; магнитное поле, созданное при тех же условиях, также поддерживается вечно (то есть в течение того времени, пока сохраняется достаточно низкая температура). Иначе говоря, существование магнитного поля в таких условиях поддерживается не за счет постоянной подачи тока.

Если сверхпроводник используется в обмотке вокруг железной сердцевины при температуре жидкого гелия, то, похоже, что чем больше электричества будет в него накачиваться, тем более сильные магнитные поля при этом будут достигаться без всяких ограничений. Когда нужная сила поля будет достигнута, ток можно отключить, а магнитное поле при этом останется.

К сожалению, сверхпроводники дают не совсем такую картину. Сверхпроводящий материал полностью диамагнитен, то есть ни одна магнитная силовая линия не проходит внутри его. Эти два свойства, сверхпроводимость и полная диамагнитность, взаимосвязаны. Если сверх меры нагнетать ток в сверхпроводящий электромагнит и тем самым усиливать магнитное поле, то магнитный поток возрастает. Силовые линии скапливаются все ближе и ближе друг к другу, и, когда сила поля достигает порогового значения (именуемого критической силой поля), они прорываются внутрь сверхпроводника. Как только вещество теряет свои диамагнитные свойства, оно также лишается и сверхпроводимости, начинается выработка тепла и весь процесс срывается. Сверхпроводящий магнит не может быть сильнее критической силы поля того вещества, из которого изготовлены витки, и, к сожалению, эта сила не превышает нескольких сотен гауссов для большинства металлов. Свинец, к примеру, теряет свою сверхпроводимость при силе магнитного поля в 600 гауссов даже при самых низких температурах. Поэтому сверхпроводящие магниты из свинца не могут быть сильнее игрушечных.

К счастью, в 1950-х годах было обнаружено, что гораздо больших результатов можно достичь, сплавляя чистые металлы между собой. К примеру, сплав ниобия и олова сохраняет сверхпроводимость при температуре жидкого гелия, создавая постоянное и относительно дешевое магнитное поле с силой более 200 000 гауссов, а сплав ванадия и галлия выдерживает силу магнитного поля в несколько раз больше этой. Думается, что в эру сильнейших сверхпроводящих электромагнитов и этот рекорд будет побит.