Удивительная физика

Почему магнит называют магнитом?

Действительно, почему мы его так называем? А ведь как только раньше не пробовали именовать магнит! Древние греки – «особым камнем», «тем камнем», а также «геркулесовым камнем», то ли из-за его силы, то ли из-за того, что добывали этот камень близ города Гераклеи в Лидии. У греков было и другое название – «сидерит», в переводе – «алмаз». Но не подумайте, что это из-за твердости или красоты магнита. Просто алмаз сам был назван сидеритом благодаря чисто «железистому» блеску в необработанном виде, так же греки называли и мягкое железо. Греческое название сидерит происходило вследствие «склонности» магнита к железу, а может быть, и из-за того, что магнит первоначально добывали в копях железных руд.

Позже англичане, французы, испанцы, а затем и сами же греки обманулись этой двойственностью названия и положили в основу своих современных прозваний магнита алмаз. Так получились французское «аймант», испанское «пьедрамант», английское «адамант» и новогреческое «адамас». Правда, говорят, что французы при этом имели в виду не алмаз – адамас, а древнее китайское название магнита «чу-ши» или «нитши-чи», что означает «любящий камень». А на французском «аймант» – (произносится «эман») и есть «любящий».

Надо сказать, что весь Древний Восток наделял магнит свойством любить железо. Раз притягивает – значит, любит. И поэтому почти все восточные названия магнита берут начало от этого свойства – например, санскритское «тхумбака».

Итальянцы именовали магнит «каламита», и этим словом стали пользоваться в Румынии, Боснии и в той же Греции.

Известно и старонемецкое название магнита: «зигельштейн» – «печатный камень». Вероятно, происходит оно из-за распространенного в древности обычая вырезать на природных магнитах различные магические фигуры и символы (рис. 328), а такие камни уже можно было использовать в качестве печаток. Великий ученый Исаак Ньютон носил даже перстень, где в качестве драгоценного камня присутствовал природный магнит необычайной силы. Возможно, что ученый и припечатывал им сургучные пломбы на письмах и документах… И, наконец, египтяне звали магнит костью Ора. Под именем Ор они имели в виду свойство Солнца восходить и заходить. Иначе говоря, Ор – это одно из божеств Древнего Египта, костью которого, как считалось, был магнит.

Вот сколько имен было у этого чудесного камня, но мы все-таки зовем его магнитом.

Древнегреческий философ Платон сообщает, что такое название дал камню поэт Эврипид. Но ни с того ни с сего ведь слова не выдумаешь. Согласно легенде, описанной античным историком Плинием, заимствованной им из еще более древних источников, некий пастух с острова Крит по имени Магнис или Магнесс заметил, что его сандалии, подкованные железом, а также палка с железным наконечником, липнут к черным камням, в изобилии валявшимся под ногами. Пастух перевернул палку «неподкованным» концом и убедился, что дерево не притягивается странными камнями, которые не признают никаких других материалов, кроме железа. Видимо, пастух захватил несколько таких камней с горы Идо, где он пас овец, домой и поразил воображение соседей. От имени пастуха и пошло название «магнит».

Существует и другое объяснение слова «магнит» – по названию провинции Магнесия в Ионии у реки Меандра. Жителей этой провинции называли магнетами. Римский ученый и поэт Тит Лукреций Кар в своей поэме «О природе вещей», уделяя много внимания магнитам, прямо указывает:

«Камень же этот по имени месторожденья магнитом Назван был греками, так как он найден в пределах магнетов». Немецкое название магнита – «магнет», по-видимому, имеет к этому отношение.

Сейчас эта провинция называется Манисса, и там до сих пор встречаются магнитные камни. Местная гора Сипил, богатая естественными магнитами, часто поражается ударами молний, совсем как гора Магнитная на Урале. Давно было подмечено, что магнит притягивает молнию.

Свыше 2 тысяч лет люди используют свойства магнита. И, пожалуй, раньше всего был применен геркулесов камень в компасе.

Что такое югоуказатель?

Перенесемся в Древний Китай. Китайский историк Су Матзен, изучив древние летописи, оставил нам интересный рассказ о событиях, происшедших в глубокой древности.

Более 4 тысяч лет тому назад император Хуанг Ти с войском, в густом тумане напал на противника с тыла и одержал победу. Помогли ему в этом, согласно летописи, установленные на повозках фигуры с вытянутой рукой, всегда указывающей на юг (рис. 329).

Или другая легенда. В караванах, которые в древности шли по пустыне Гоби на запад, был особый, белый верблюд. Этот верблюд нес на себе необычный груз – глиняный сосуд с водой, помещенный в деревянную защитную клетку. На воде плавал плотик из коры пробкового дерева, на котором был закреплен продолговатый кусочек камня чу-ши или стальная игла, натертая этим камнем. Края сосуда были выкрашены в цвета, символически обозначавшие части света: красный – юг, черный – север, зеленый – восток, белый – запад. (И сейчас часто окрашивают южный полюс магнита в красный цвет, а северный – в черный или синий. Не потому ли, что красный цвет – теплый, а синий – холодный?) Магнит на пробке, легко поворачиваясь на воде, всегда указывал направление «юг – север». Сосуд с водой и магнитом был, пожалуй, самым первым компасом, по которому караван ориентировался в пустыне.

Китайские компасы дошли и до нашего времени, правда, в достаточно поврежденном виде; они хранятся в музеях. Один из таких компасов, относящийся к X в. н. э., внешне удивительно похож на современную деревянную ложку, положенную на поднос (рис. 330). Ручка этой «ложки» представляет собой продолговатый магнит, а дно ложки – неплохую шаровую опору, легко вращающуюся на «подносе», на котором нанесены деления, позволяющие определить страны света, даже юго-запад, юго-восток, северо-запад и северо-восток.

В XI—XII в. югоуказатель стал уже называться «чи нан тин», или «стрелка, указывающая на юг», что ближе к современному понятию «магнитная стрелка компаса». Известно и то, что умели приготовлять искусственные магниты из стальной иглы, натертой магнитным камнем. Эта намагниченная игла использовалась в качестве стрелки, «указывающей на юг», или древнего компаса.

Иногда считают, что из Китая через Индию компас попал к арабам, а уже от арабов – к европейцам, причем случилось это в XII в. Но, вероятно, идея компаса так и не проникла из Китая в Европу, и прибор этот был изобретен там самостоятельно. Изобретателем компаса в Европе считается итальянец Флавио Джойя, уроженец города Амальфи. В Неаполе ему даже установили памятник, а в 1902 г. торжественно праздновали 600-летие этого изобретения. Правда, были упоминания о «европейском» компасе у монаха Альбана Некэма в 1187 г. и поэта Гюйо Прованского в 1206 г.

Однако до изобретения Джойя европейский компас хоть и имел стрелку, но не имел поворотного диска с делениями, что сильно затрудняло пользование им. Да и назывался этот прибор не компасом, а дрожалкой, магнитной вертушкой и даже лягушкой. Потом появилось современное название прибора – от итальянского «компассаре», что означает «измерять шагами». А заслугой Джойя явилось хотя бы то, что он снабдил прибор недостающим поворотным диском с делениями, придав ему современный вид. С помощью компаса, изобретенного Джойя, были сделаны все великие географические открытия.

Сильны ли магнитные искушения?

На столе автора лежит толстая книга с профилем мудреца, оттесненном на переплете. Издана она в 1600 г. в Лондоне. Человек, написавший ее, сделал для изучения магнитов больше, чем кто-нибудь другой. Зовут его Вильям (Уильям) Гильберт (1544—1603). Английский поэт Драйден сказал про него:

Галилей, прочитав книгу Гильберта, объявил его «великим до такой степени, которая вызывает зависть».

В знаменитом Оксфордском университете долго висел портрет Гильберта, изображенного во весь рост, в докторской мантии, держащего в руке магнитную модель земного шара – террелу. Над левым плечом ученого написаны слова: «Магнитных сил первый изыскатель Гильберт». Современники и потомки называли Гильберта отцом магнетизма.

И все эти слова – признательность ученому за его знаменитую книгу «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле», которую он писал в течение 18 лет.

Гильберт собрал многочисленные притчи и суеверия о магните, созданные древними учеными, «обманщиками и слагателями сказок», как он их называл.

Вот что пишет сам Гильберт:

«Например, высказанное подозрение по поводу магнита, не создан ли он коварно злыми демонами… Или будто магнит отпирает любые замки и затворы и своим дымом и чадом приносит пользу ворам, как будто этот камень возник ради воровства. Или будто железо, притянутое магнитом и положенное на весы, ничего не прибавляет весу магнита, как если бы тяжесть железа поглощалась силой камня. Или будто в Индии существуют какие-то изобилующие магнитом морские скалы, которые извлекают все гвозди из приставших к ним кораблей… и при постройке их приходится употреблять деревянные гвозди, чтобы их не вырвало. Или говорят, что существует и другая гора в Эфиопии, которая порождена камнем феамедом, не выносящим железа, выбрасывающим его и отталкивающим от себя».

«Подобным вздором и сказочками, – эмоционально замечает Гильберт, – пошлые философы забавляются сами и кормят жаждущих познать таинственное читателей и невежд, забавляющихся нелепостями».

Интересно, что не только в старину, но даже и сегодня с магнитом связывали и продолжают связывать различные необычайные явления. Чего только не пытались достигнуть с помощью магнитов! И полететь на Луну, и построить «вечный двигатель», и создать новый тип оружия. Что-то общее есть во всех этих попытках, которые уместно было бы назвать магнитными искушениями.

Все началось опять же с Китая. Согласно легенде, возникшей много веков назад, император Ши Хуанди приказал облицевать магнитным камнем ворота, открывающие дорогу к его дворцу. И если воин в железных латах пытался пройти через эти ворота, то застывал на месте, притянутый магнитом. Более того, если через эти ворота пытался пробраться злоумышленник со спрятанным оружием, то оно вырывалось у него и прилипало к магнитному своду, совсем как гвозди, вырванные из корабля «магнитной горой». Скорее всего, это вымысел, так как природные магниты не могли обладать такой силой.

Характерно, что идея вырывания оружия из рук врага магнитами пережила тысячелетия и дошла даже до позапрошлого века. В романе «На двух планетах» писатель XIX в. Курт Лассвиц описывает битву землян с марсианами. Земляне-кавалеристы смело выступили против марсианских воздушных машин и, казалось, вынудили их подняться в воздух, чтобы улететь. Но хитрые марсиане развернули между своими воздушными машинами нечто в виде огромного покрывала, накрывшего сверху поле сражения. Это покрывало оказалось… огромным магнитом необычайной мощности. Остальное происходило так же, как и в китайских магнитных воротах. Воздух во мгновение ока наполнился густой тучей копий, сабель и карабинов, с громом и треском летевших вверх к магнитному покрывалу, к которому они и прилипали.

Или появился фантастический проект по спасению кораблей от пушечных ядер противника. Идея состояла в том, чтобы на корабле установить навстречу противнику мощные магниты, покрытые толстой броней. Ядра неприятеля должны были притягиваться близлежащим магнитом, сворачивать в его сторону и разбиваться о прочную броню. Остальные части корабля можно было бы оставить незащищенными.

В принципе все было верно, кроме того, что даже самый мощный из магнитов не может действовать на большом расстоянии. Представим себе, что мы имеем магнит, способный притянуть 10 т железа на расстоянии в 1 см. Это очень сильный магнит. Так вот, если мы отодвинем полезный предмет еще на 1 см, то сила притяжения упадет в 8 раз! На расстоянии в 1 м сила притяжения упадет в 1 000 000 раз, и ни о каком притягивании ядер не может быть и речи.

Но в прошлом веке еще не умели рассчитывать силы магнитов, и такой магнит-броня все-таки был построен в 1887 г. Этот магнит притягивал стальную плиту так, что для отрыва ее нужна была сила в 10 т. Четыре 120-килограммовых ядра висели одно за другим на полюсе магнита. Но за 2 м от магнита люди, имевшие стальные предметы в карманах, лишь едва чувствовали действие магнита. О притяжении ядер неприятеля нечего было и думать. Правда, на стрелку компаса такой магнит действовал за 10 км.

И это послужило изобретению так называемых магнитных мин. Известно, что стальные тела под действием земного магнетизма самопроизвольно намагничиваются. Особенно это касается длинных предметов – мостов, кораблей. Так вот, такой намагниченный корабль, проплывая над миной, установленной на дне, влияет на прибор типа магнитной стрелки, находящийся в мине. Мина всплывает и взрывается близ корабля.

Такие магнитные мины можно легко обезвредить. По трассе движения корабля пускают самолет с мощным магнитом на борту. Этот магнит вызывает всплывание и взрыв мины, когда сам самолет будет уже далеко впереди. А кроме того, корабль можно и «размагнитить» – создать такое магнитное поле дополнительными магнитами, которое равно, но противоположно магнитному полю корабля. Так часто и поступали во время Великой Отечественной войны, в частности этим занимался в Крыму будущий великий физик И. В. Курчатов.

Возможен ли магнитный «вечный двигатель»?

С магнитами связаны многочисленные проекты «вечных двигателей», которые оказалось довольно трудно разоблачить.

В хронологическом порядке это выглядит так. Еще в XIII в. средневековый исследователь магнитов Пьер Перигрин де Марикур утверждал, что если магнитный камень обточить в виде правильного шара и направить его полюсами точно по оси мира, то такой шар завертится и будет вертеться вечно.

Сам де Марикур такого опыта не делал, хотя магнитные шары у него были, и другие эксперименты он с ними проделывал. Видимо, он считал, что сам недостаточно точно изготовил шар либо направил его полюсами не по оси мира. Но он настойчиво советовал читателям изготовить и опробовать магнитный вечный двигатель, добавляя: «Если выйдет, вы насладитесь, если нет – вините свое малое искусство!»

У этого же автора имеется описание еще одного «вечного двигателя» – зубчатого колеса с зубьями из стали и серебра через один. Если поднести к этому колесу магнит, утверждал де Марикур, колесо придет во вращение. Здесь де Марикур был очень близок к постройке хоть и не вечного, но по крайней мере теплового, двигателя, который в то время несомненно сочли бы за «вечный». Но об этом после, а пока о «настоящих» «вечных двигателях».

Любителей изготовлять магнитные «вечные двигатели» было великое множество. Английский епископ Джон Вилькенс в XVII в. даже получил официальное подтверждение изобретения им «вечного двигателя», но от этого последний не заработал. На рис. 331 показан принцип его действия. По мысли автора, стальной шарик, притягиваемый магнитом, поднимается по верхней наклонной плоскости, но, не достигнув магнита, проваливается в отверстие и катится по нижнему лотку. Скатившись, он снова попадает на прежний свой путь и так вечно продолжает свое движение.

На самом деле все выходило иначе. Если магнит был силен, то шарик не проваливался в отверстие, а перескакивал через него и прилипал к магниту. Если магнит был слаб, то шарик останавливался на полдороге на нижнем лотке, либо не сходил с нижней точки вообще. А вот «вечный двигатель», который построил сам автор в детстве, и был очень удивлен, когда тот не заработал.

В круглую пластмассовую коробочку, посаженную на спицу, как колесо на ось, помещался стальной шарик. Спереди нужно было поднести магнит, и коробочка-колесо должна была завертеться на спице (рис. 332). Еще бы: шарик притягивался магнитом, поднимался по стенке коробочки, как белка в колесе, как та же белка начинал, падая вниз, крутить колесо. Однако колесо вертеться не хотело. Как выяснилось, шарик под действием магнита поднимался, прижимаясь к стенке коробки, и падать вниз не собирался.

Но существуют и реальные магнитные двигатели, которые с первого взгляда похожи на вечные.

Еще сам Гильберт заметил, что если железо сильно нагреть, то оно совершенно перестает притягиваться магнитом. Сейчас температуру, при которой железо, сталь или сплавы теряют магнитные свойства, называют точкой Кюри, по имени физика Пьера Кюри, объяснившего это явление. Если бы эти магнитные свойства не терялись, то раскаленные болванки в кузницах можно было бы переносить магнитами, что очень заманчиво.

Но это свойство позволило создать так называемую магнитную мельницу, или карусель. Подвесим на нити деревянный диск или поставим его на стальную иглу подобно стрелке компаса. Затем воткнем в него несколько спиц и приставим сбоку полюс сильного магнита (рис. 333). Чем не зубчатое колесо де Марикура? Разумеется, как и то колесо, наша мельница вращаться не будет, пока мы не нагреем соседнюю с магнитом спицу в пламени горелки и легким толчком не сообщим вращение. Нагретая спица уже не притягивается к магниту, а следующая стремится к нему, пока не попадет в пламя горелки. А пока нагретая спица пройдет полный круг, она остынет и снова притянется магнитом.

Чем не вечный двигатель? А тем, что на вращение его уходит энергия горелки. Стало быть, этот двигатель не вечный, а тепловой, в принципе такой же, как на автомобилях и тепловозах.

Работающие на этом же принципе магнитные качели легко построить и самому. Небольшой железный предмет подвесим на проволоке к вершине стойки качелей. Легче всего взять длинный кусок железной проволоки и скатать ее конец в небольшой комочек. Затем на небольшую подставку положим магнит, направленный одним полюсом вбок. Будем придвигать подставку с магнитом к подвешенному железному комочку, пока он не притянется к магниту.

Теперь подставим под качели спиртовку, свечу или другую горелку так, чтобы комочек оказался над самым пламенем (рис. 334). Через некоторое время, нагревшись до точки Кюри, он отпадет от магнита. Раскачиваясь в воздухе, он снова охладится и опять притянется к полюсу магнита. Получатся интересные качели, которые будут раскачиваться до тех пор, пока мы не уберем горелку.

Комочек, скатанный из проволоки, хорош для опыта тем, что он и нагревается, и охлаждается быстрее, чем, например, цельный стальной шарик. Поэтому и раскачиваться такие качели будут чаще, чем с шариком на нити.

В практике этот принцип иногда используют для автоматической закалки мелких стальных предметов, например игл. Холодные иголки висят, притянутые магнитом, и нагреваются. Как только они нагреются до точки Кюри, то перестают притягиваться и падают в закалочную ванну.

Обычное железо имеет достаточно высокую точку Кюри: 753 °C, но сейчас получены сплавы, для которых точка Кюри ненамного превышает комнатную температуру. Нагретый солнечным теплом, такой материал, особенно окрашенный в темный цвет, уже немагнитен. А в тени магнитные свойства восстанавливаются, и материал снова может притягиваться. Например, у металла гадолиния точка Кюри всего 20 °C.

Изобретатель и журналист А. Пресняков создал на этом принципе двигатель, непрерывно качающий воду в жаркой пустыне. Солнце сполна обеспечивает его своей энергией. Построена даже тележка, автоматически двигающаяся навстречу Солнцу и даже электролампе (рис. 335). Такие двигатели, работающие на чистой и даровой энергии Солнца, очень перспективны, особенно при освоении Луны и других планет. Чем не «вечные двигатели», о которых мечтал де Марикур?

Летает ли гроб Магомета?

История с гробом пророка Магомета, летающим, или, точнее, левитирующим, в магнитной пещере, будоражит умы ученых уже не один век.

По-видимому, первым поведал миру о странном парящем гробе Магомета сам великий Гильберт – отец магнетизма. В своей книге «О магнитах…», изданной в 1600 г., он ссылается на некого Маттиола, который «…приводит рассказ о часовне Магомета со сводом из магнитов и пишет, что это необычайное явление (железный сундук, висящий в воздухе) поражает толпу, как некое божественное чудо».

Еще в 1574 г. итальянец Джиоламо Фракостро в своей книге «О симпатии» писал: «…кусочек железа повисает в воздухе, так что не может двинуться ни вверх, ни вниз в том случае, когда наверху будет помещен магнит, который в состоянии с одинаковой мощностью тянуть железо вверх настолько же, насколько железо устремляется вниз. Железо как будто бы укрепляется в воздухе».

Гильберт разоблачает это утверждение Фракостро. «Это нелепо, – пишет Гильберт, – так как более близкая магнитная сила является всегда более мощной. Вследствие того, что сила магнита ненамного поднимает железо от земли, оно должно непрерывно возбуждаться магнитом (если нет никаких преград) и приставать к нему».

То есть не может идти и речи о каком-нибудь устойчивом положении подвешенного в магнитном поле кусочке железа.

Интересно, что еще до Гильберта в невозможности этого убедился итальянец Порта. В своей книге с экзотическим названием «Натуральная магия», вышедшей в 1589 г., Порта, отчаявшись заставить магнит парить под куском железа, пишет: «Но я говорю, что это может быть сделано, потому, что я теперь это сделал, чтобы удерживать магнит на почти невидимой нити, дабы он висел в воздухе: только так, чтобы к нему была привязана небольшая нитка внизу, дабы он не мог подняться выше».

Этот интересный опыт часто проделывают школьники, заставляя висеть иголку на нитке «вверх ногами» под магнитом. Этот эффектный опыт повторила одна немецкая фирма, производящая электромагниты. На цепи к полу был прикован тяжелый железный шар, рвущийся в небеса. По цепи к шару даже поднимается рабочий – и шар продолжает висеть (рис. 336). Но хитрость в том, что над шаром укреплен подъемный электромагнит, притягивающий его так сильно, что шар не падает, несмотря на большой воздушный зазор между ним и магнитом. Между тем зазор очень уменьшает подъемную силу магнита – даже листок бумаги, подложенный между полюсами школьного подковообразного магнита и притягиваемым куском железа, уменьшает силу притяжения вдвое.

Естественно, Гильберт опроверг слухи о свободном парении сундука в часовне Магомета. Но в 1647 г. в книге немецкого ученого-иезуита Афанасия Кирхера «О магните» уже появляется парящий в воздухе гроб – «Гроб Магомета магнитною силою держится в воздухе».

Но самое удивительное, что великий ученый, математик и физик Леонард Эйлер тоже поверил в возможность свободного магнитного подвешивания железных предметов! В его книге «Письма о разных физических и филозофических материях, писанные к некоторой немецкой принцессе Академии наук членом, астрономом и профессором», выдержавшей свыше сорока изданий, переведенной на десять иностранных языков, говорится: «Повествуют, будто гробницу Магомета держит сила некоторого магнита; это кажется не невозможным, потому что есть магниты, искусством сделанные, которые поднимают до ста фунтов». Выходит, Эйлер не сомневался даже в возможностях создания магнитов с большой подъемной силой. Вопрос, задержится ли поднятое тело в точке равновесия или упадет в ту или другую сторону, как карандаш, поставленный на острие, остался без внимания ученого.

Книга Эйлера была написана в 1774 г., а только в 1842 г. профессор С. Ирншоу в «Записках Кембриджского университета» опубликовал статью «Природа молекулярных сил», где доказал, что ферромагнитное тело, расположенное в поле постоянных магнитов, не может находиться в состоянии устойчивого равновесия. То есть Ирншоу сделал с помощью математики то, что Гильберт выразил словами, – наложил запрет на свободное парение магнитов и металлов, притягиваемых ими. И никакой комбинацией магнитов и железных кусков невозможно подвесить ни те ни другие так, чтобы они не касались никаких других тел.

Что же касается пресловутого гроба Магомета, то неужели нельзя было поехать туда, в город Медину на Аравийском полуострове, и посетить легендарную гробницу – Хиджру, как ее называют мусульмане, которая расположена в мечети Харам, и воочию убедиться, парит ли в воздухе этот гроб?

Нет, оказывается, это было совсем не просто. Многие путешественники поплатились жизнью за свое любопытство. Фанатичные паломники тут же убивали всякого «неверного», проникшего в Медину. В начале XIX в. в Медину с этой целью отправился некий Буркгардт, которому посчастливилось увидеть мечеть Харам. Ему за большие деньги удалось заглянуть в небольшое окошко и посмотреть на гробницу. Но в окне он увидел только… занавес. Загадка не была разрешена.

Наконец в 1853 г. в Медину по заданию Лондонского географического общества отправился храбрый английский офицер Ричард Бартон. Он был переодет в халат паломника и хорошо осведомлен, как необходимо вести себя в соответствующих ситуациях, чтобы в нем не узнали европейца. Несколько раз Бартон был на грани разоблачения, но в результате все прошло удачно, и он оказался первым среди европейцев, которому удалось проникнуть в святая святых мусульман – мечеть Харам, осмотреть знаменитую гробницу и живым вернуться домой.

А вскоре, в 1854 г. вышла книга Бартона «Описание путешествия в Мекку и Медину», где была подробно описана гробница Магомета. Она представляла собой обыкновенный склеп, в котором были не один, а целых три гроба – Магомета и его двух родственников. Гробы эти были отнюдь не железные (или хрустальные, по другим легендам), а обыкновенные, деревянные, хотя и богато украшенные. И об огромном магните, поддерживающем их, конечно, не могло быть и речи.

Как писал об этом русский журнал «Библиотека для чтения», «так исчезают рассказы, похожие на басни „Тысячи и одной ночи“, едва только представляется возможность проверить их наблюдением». Золотые слова!

Какой магнетизм продольный, а какой – поперечный?

В 1939 г. немецкий ученый доктор В. Браунбек совершил настоящее чудо, подвесив в постоянном магнитном поле крошечные тела. Причем тела эти парили в воздухе, ни к чему не прикасаясь, точно как мифический гроб Магомета (рис. 337). Но об этих телах надо поговорить особо, так как они были изготовлены их веществ, которые вплоть до ХХ в. считались немагнитными.

Мы знаем, что магнит притягивает железные предметы. Кроме железа, притягиваются также близкие к нему металлы – никель и кобальт. Такие металлы называют ферромагнетиками. Если нагреть эти металлы до точки Кюри, то они перестают притягиваться к магниту, – это было известно еще Гильберту. Но если быть точным, то они продолжают притягиваться, только в сотни тысяч раз слабее. Эти металлы становятся парамагнетиками. Например, металл гадолиний становится ферромагнетиком только при температуре ниже 16 °C, а выше он парамагнетик. Точка Кюри для него наступает при комнатной температуре. Парамагнетиков достаточно много. Это металлы магний, кальций, алюминий, хром, марганец, газ кислород и многие другие.

Но гораздо больше, оказывается, других веществ – диамагнетиков, которые магнитом… отталкиваются. Правда, это отталкивание диамагнетиков очень слабо, и его заметить трудно.

Еще в 1778 г. малоизвестный ученый Антон Бругманс положил кусочек металла висмута в маленький бумажный кораблик, поставил его на воду и поднес к нему магнит. И вопреки здравому смыслу того времени кораблик стал уплывать от магнита. Этот результат был так необычен, что ученые не стали даже проверять его, а просто не поверили Бругмансу. Слишком велик был авторитет Гильберта, утверждавшего, что не может быть тел, отталкивающихся от магнита.

Удивительное дело, сколько неприятностей может повлечь за собой авторитет ученого! Даже в простых вещах, где здравый смысл просто подсказывает проверить мнение авторитета, люди предпочитают верить этому мнению и не проверять его.

Так, Аристотель утверждал, что у мухи четыре ноги, а у женщин зубов во рту больше, чем у мужчин. И почти 1 500 лет после Аристотеля никто не потрудился поймать муху и сосчитать число ее ног или подсчитать число зубов во рту у своей жены. А чего стоит совет древних ученых, как с помощью чеснока или бриллиантов уменьшить силу магнитов! Нужен был громадный авторитет Гильберта, чтобы опровергнуть это устоявшееся, но в корне неверное мнение. Но тот же Гильберт пишет: «Плиний, выдающийся человек… списал у других сказку, ставшую в новое время, благодаря частым пересказам, общеизвестной: в Индии, у реки Инда, есть две горы; природа одной, состоящей из магнита, такова, что она задерживает всякое железо; другая, состоящая из феамеда, отталкивает железо. Так, если в обуви имеются железные гвозди, то нет возможности оторвать подошв от одной из этих гор, а на другую нет возможности ступить. Альберт Великий пишет, что в его время был найден магнит, который одной своей стороной притягивал железо, а другой, противоположной, отталкивал его».

Сказание о неком камне феамеде, заимствованное у Плиния, часто встречается в средневековых книгах. У того же Плиния можно прочесть: «Говорят, что существует другая гора в Эфиопии, и недалеко от названной выше Зимири (магнитной горы), которая порождена камнем феамедом, не выносящим железа, выбрасывающим его и отталкивающим от себя».

И на это все – категоричное мнение Гильберта: «Я полагаю, что не существует никакого феамеда, обладающего силой, противоположной силе магнита».

Возможно, древние заметили, что некоторые вещества, в том числе и графит, сильнейший диамагнетик и широко распространенный материал в природе, отталкиваются магнитом. Кто мог помешать кому-нибудь еще в античные времена провести нехитрый опыт Бругманса, положив на плавающую пробку или дощечку кусок графита? Вот и было бы дано начало учению о диамагнетиках, которое и легло в основу легенд о феамеде.

Результатом же авторитетного высказывания Гильберта было то, что Бругмансу никто не поверил. Правда, позже его опыты повторил французский ученый Анри Беккерель (дед знаменитого Анри Бекке-реля, открывшего радиоактивность урана) и пришел, естественно, к тому же результату. Мало-помалу ученые склонились в мысли, что висмут все-таки отталкивается магнитом, но это исключение из правил. Мнение, что только три металла – железо, никель и кобальт притягиваются к магниту, а все остальные вещества безразличны к нему, господствовало в науке вплоть до 1845 г. Потому что именно в этом году великий английский ученый Майкл Фарадей (1791—1867) установил, что нет в природе веществ, полностью безразличных к магниту. Фарадей верил, что природные силы едины и магнитные свойства присущи всем существующим в природе веществам.

Чтобы выявить даже ничтожную способность тел притягиваться или отталкиваться магнитом, Фарадей подвешивал эти тела на тонкой длинной нити между полюсами мощного электромагнита. Чем длиннее была нить, тем меньше требовалось силы, чтобы отклонить – притянуть или оттолкнуть – тело. Ведь при отклонении подвешенного тела оно движется по дуге и чутъ-чутъ поднимается. Сила притяжения Земли стремится возвратить тело в исходное, наиболее низкое положение и препятствует отклонению. Но чем нить длиннее, тем меньше кривизна дуги и тем меньше требуется усилия, чтобы ее отклонить. Каким бы тяжелым ни был груз, хоть в сотни тонн, если он подвешен на длинном канате, рабочие-монтажники легко отклоняют его руками, точно нацеливая на место приземления.

Таким методом Фарадей проверил тысячи веществ и убедился, что абсолютно все исследуемые тела различным образом, в разной мере, но реагируют на магнитное поле. Несколько металлов и сплавов – ферромагнетики – сильно притягиваются магнитом. Большее количество веществ, которые Фарадей назвал парамагнетиками, притягиваются, а огромное количество веществ – все остальные вещества, кроме ферромагнетиков и парамагнетиков, – отталкиваются магнитом. Их Фарадей назвал диамагнетиками.

Слова «парамагнетики» и «диамагнетики» отличаются приставками «пара» и «диа». Эти приставки по-гречески означают «вдоль» и «поперек». Если взять стерженьки из парамагнетика и диамагнетика, подвесить их на нити или поставить на иглу, и внести в поле между двух полюсов магнита, то поведут они себя по-разному. Парамагнитный, как и ферромагнитный, стерженек, концы которого притягиваются к полюсам магнита, расположится вдоль силовых линий поля – от полюса к полюсу (рис. 338, а). Диамагнитный же стерженек, концы которого при приближении к полюсу магнита приобретают ту же полярность, будет стремиться занять такое положение, чтобы концы были подальше от любых полюсов магнита, т. е. перпендикулярно силовым линиям магнитного поля (рис. 338, б). Отсюда и названия этих магнетиков. Число диамагнетиков огромно, оно, безусловно, больше списка, который составил Фарадей на основании своих опытов: «Иод, воск, гуммиарабик, слоновая кость, баранина вяленая, говядина вяленая, говядина свежая, кровь свежая, кровь высушенная, хлеб, китайская тушь, берлинский фарфор, шелковичный червь, древесный уголь… этот список можно перечислять очень долго. Даже сам человек – тоже диамагнетик».

«Если бы можно было подвесить человека на достаточно чувствительный подвес, – писал Фарадей, – и поместить в магнитное поле, то он расположился бы поперек силовых линий, так как все вещества, из которых он составлен, включая кровь, обладают этим свойством».

Чтобы подчеркнуть, насколько всеобъемлющ диамагнетизм, говорят, что все вещества в природе – диамагнетики; как исключение из правила встречаются парамагнетики, и совсем уж редко – ферромагнетики. А ведь все время считалось, что магнитными свойствами обладают только эти «редчайшие» ферромагнетики!

Но ведь Гильберт не мог не знать, что пламя свечи отталкивается от полюса магнита, выталкивается из магнитного поля, так как продукты сгорания диамагнитны (рис. 339). К тому же Гильберт часто помещал куски железа и магниты на плавающую пробку и наблюдал их притяжение, отталкивание одноименных полюсов, ориентировку магнита на полюса Земли. Что стоило ему, заподозрив отталкивание каких-то веществ, находящихся в составе пламени, от магнита, поместить копоть, сажу или даже кусок свечки на пробковый плотик и поднести к нему сильный магнит? Это нужно было бы сделать хотя бы для того, чтобы убедиться в невозможности феамедов. Тысячи и тысячи разнообразных опытов провел Гильберт, а этого опыта не стал проводить, потому что не видел в нем смысла, будучи заранее убежденным, что веществ, отталкиваемых магнитом, не может быть. А зря!

Возвращаясь к рукотворному «гробу Магомета» доктора В. Браунбека, нужно заметить, что подвешены в магнитном поле были именно диамагнетики – висмут и графит. Первый весил 8 миллиграммов, а второй – 75. Напряженность магнитного поля между полюсами магнита составляла 23 000 эрстед, что очень много.

Что за подвеска – магнитная?

В 1939 г. немецкий ученый В. Браунбек доказал, что в принципе подвесить гроб Магомета возможно. Для этого лучше всего было бы изготовить его из графита, хотя годен деревянный, он и так диамагнитен. Но исполнить эту затею трудно: для подвешивания таких массивных предметов нужно магнитное поле чудовищной напряженности огромного объема.

Доктор Браунбек использовал для своих опытов электромагнит, иначе с помощью постоянных магнитов того времени он не смог бы получить такую высокую напряженность магнитного поля. Но электромагнит требовал постоянной подпитки током. С энергетической точки зрения получалось даже обидно – прожорливый электромагнит, способный поднимать тонны, поднимает миллиграммы.

В 1956 г. голландский ученый А. Боердик осуществил бесконтактный подвес, причем без расхода электроэнергии. Опыт Боерди-ка состоит в следующем: над полусферой из сильного диамагнетика – графита вертикально устанавливается цилиндрический постоянный магнит. А в зазор между ними помещают маленький, массой около 2 миллиграммов, магнитик в виде микроскопической шайбочки размером с булавочную головку. Магнитик намагничен так, что один торец его – Северный полюс, другой – Южный.

И магнитик повисает в этом зазоре (рис. 340).

1 – полусфера из графита; 2 – большой магнит; 3 – маленький магнитик

Почему это происходит? С одной стороны, диамагнетик графит пытается оттолкнуть от себя магнитную шайбочку. Но шайбочка, даже если сил диамагнетика хватило для этого, все равно свалилась бы или повернулась набок. Диамагнетик и не рассчитывался на это – он просто оказывает посильную помощь магниту, чтобы только оторвать магнитную шайбочку от своей поверхности. К тому же магнит центрирует эту шайбочку, не дает ей повернуться набок или на ребро.

Сил магнитного притяжения недостаточно для того, чтобы оторвать предмет с какой-нибудь поверхности и молниеносно притянуть его к себе. Их хватает только на то, чтобы с помощью диамагнетика чуть-чуть приподнять шайбочку, после чего сила диамагнетического отталкивания графита резко уменьшится. Так и висит магнитная шайбочка, не будучи в состоянии ни упасть на графит, ни притянуться к полюсу магнита. Надо ли говорить, что парящий магнитик и большой магнит обращены друг к другу противоположными полюсами.

Чей подвес оказался лучше – Браунбека или Боердика? Трудно сказать. Тут приходит на ум очень точное сравнение этих подвесов с вертолетом и аэростатом. Который из них лучше использовать для подъема груза? Вертолет, держа груз, постоянно расходует энергию на вращение винта – это похоже на подвес Браунбека. Аэростат не расходует на это энергии, но гораздо больше вертолета, а если такого же размера, то и поднимает намного меньше груза – это подвес Боердика.

А что если использовать некую комбинацию вертолета и аэростата, т. е. построить магнитный дирижабль? Такую попытку сделал немецкий ученый Е. Штейнгровер, и его магнитная подвеска была буквально геркулесом по сравнению с подвесками Браунбека и Боердика. Подвеска Штейнгровера, использующая свойства как ферромагнетиков, так и диамагнетиков, позволила подвесить диск в точном электроприборе массой целых 50 г! Это в 1 000 раз больше, чем удавалось раньше.

Основную тяжесть в подвеске Штейнгровера «держит» постоянный кольцеобразный магнит, который центрует маленькие цилиндрические магнитики и тянет их вверх. Но так как такое положение неустойчиво (вспомним запрет Ирншоу!), то ось диска, на которую насажены эти стерженьки, тут же должна выскочить вверх или вниз. Изобретатель так и сконструировал ее, чтобы она чуть-чуть стремилась вниз. Но тут ось поддерживает диамагнитный подшипник в виде графитного кольца, отталкивающегося от сильного постоянного магнита. И отталкивание-то невелико – всего 0,04 Н, но этого хватает, чтобы сделать магнитный подвес устойчивым (рис. 341).

1 – постоянный кольцеобразный магнит; 2 – цилиндриче ские магниты; 3 – подвешиваемый диск; 4 – графитовое кольцо; 5 – нижний магнит

Вот к каким ухищрениям надо было прибегнуть, чтобы подвесить без какого-нибудь контакта с другими предметами деталь массой всего 50 г!

О большем, казалось, можно только мечтать. Однако несколько лет назад, судя по сообщениям газет, ученые из Ноттин-гемского университета в Англии поместили живую лягушку в настолько мощное магнитное поле, что та, как обычный диамагнетик, начала парить в воздухе!

Опыты начались с твердых диамагнетиков – висмута, сурьмы, продолжились на жидких – ацетоне, пропаноле и дошли до живых растений и животных – лягушек и рыб. А осенью 1997 г. опять же, судя по сообщениям газет, в японском городе Осака открылся первый в мире аттракцион по левитации для животных. Домашним животным удается парить на

высоте до 17 м. Говорят, что им летать очень нравится. По-видимому, сильное магнитное поле не наносит им вреда, по крайней мере сиюминутного.

Помещать людей в столь сильное магнитное поле не решаются – исследования по воздействию таких полей на живые организмы пока не завершены. Магнитные поля, используемые для левитации живых существ, необыкновенно сильны – в тысячи раз сильнее создаваемых обычными постоянными магнитами и на много порядков сильнее, чем поле земного магнетизма, где эти существа привыкли жить.

Ну а гробу Магомета эти магнитные поля не навредят, и поэтому его левитация совершенно не исключается!

Бывает ли подвеска «горячей»?

А теперь поговорим о горячей подвеске. Тут дело, конечно же, не в нагревании. Если мы просто будем нагревать груз или удерживающую его в подвешенном состоянии обмотку, то мало чего добьемся. Эффект нагревания здесь получается как бы сам по себе; это побочный эффект.

История горячей подвески восходит к 90-м годам XIX в., когда американский изобретатель Элиу Томпсон продемонстрировал свой знаменитый опыт. Суть опыта состояла вот в чем. На цилиндрический электромагнит с сердечником из железных проволочек изобретатель надел алюминиевое кольцо, а затем подключил к обмотке переменный ток достаточно высокой частоты. При этом кольцо взмыло вверх над сердечником и улетело в сторону (рис. 342). Какая же сила подбросила кольцо вверх?

1 – штепсельная вилка; 2 – алюминиевое кольцо; 3 – электромагнит

При изменении направления тока в обмотке электромагнита меняется его полярность, а стало быть, резко изменяется как по величине, так и по знаку магнитная индукция в сердечнике. Если поместить такой электромагнит вблизи замкнутой обмотки из проводника, в ней возникнет индукционный (наведенный) ток. Он, в свою очередь, создает свое собственное магнитное поле, противодействующее магнитному полю электромагнита.

А алюминиевое кольцо – та же самая обмотка, только из одного витка.

И электромагнит стремится поскорее вытолкнуть магнитное поле кольца из своего собственного, а вместе с ним и само кольцо. Что и получилось в опыте Э. Томпсона.

При этом переменный ток совсем не так уж необходим. Индукционный ток можно вызвать движением проводника возле полюса магнита. Например, в электросчетчиках алюминиевый диск, вращаясь между полюсов сильного магнита, тормозится из-за индукционных (вихревых) токов, возникающих в диске.

Опыт с диском можно представить как напоминающий опыт Э. Томпсона. Раскрутим медный или алюминиевый волчок и приблизим к нему сбоку достаточно сильный магнит (рис. 343, а). Волчок тут же отодвинется от магнита и будет упрямо уклоняться от него, откуда бы мы ни подносили магнит. Более того, отталкивание магнитных полей магнита и индуцированного тока может существенно превысить силу притяжения магнитом ферромагнитного тела, хотя бы того же волчка. Если мы достаточно сильно раскрутим уже не алюминиевый, а железный волчок, то при высокой частоте вращения он будет отталкиваться от магнита, а при малой – притягиваться к нему. Замечено, что металлический маховик, вращающийся над магнитом, как бы теряет в весе (рис. 343, б).

А теперь о побочном эффекте нагревания подвешиваемых тел в такой подвеске.

На Всемирной выставке в Нью-Йорке в 1939 г. в павильоне «Чудеса техники» была показана эта удивительная горячая подвеска сковороды, тогда еще просто игрушка. Частота тока была всего 60 Гц – обычная промышленная частота тока в США (у нас в стране – 50 Гц), диаметр сковороды – 300 мм. Автор хоть и не был на этой выставке, так как родился как раз в год ее открытия, но установку такую видел и даже убедился, что взвешенная сковорода нагревается индукционным током. Такую установку автор видел в 50-х гг. ХХ в. у нас в стране в… цирке. Да, да, ее с успехом демонстрировал в цирке артист по фамилии Сокол, причем алюминиевая сковорода была самой обычной, только без ручки, а электромагнит был встроен в верхнюю часть… холодильника.

Эффект был поразительный: на сковороде, висящей в воздухе над холодильником (рис. 344), жарили яичницу и даже угощали ею зрителей! А потом эта игрушка стала работать в технике, причем оказалась очень перспективной. Сейчас с ней связывают будущее металлургии специальных сплавов. Дело в том, что при плавке некоторых металлов и сплавов недопустимо их соприкосновение с тиглем, в котором их обычно плавят, поэтому плавка в подвешенном состоянии оказалась поистине находкой при производстве таких сплавов, например сверхчистых или агрессивных, вступающих в реакцию с тиглем.

Установка для плавки металлов в подвешенном состоянии появилась впервые в 1952 г. и выглядела несколько иначе, чем описанная игрушка. Обмотки выполнены в виде верхней плоской и нижней воронкообразной катушек, питаемых током звуковой частоты – около 10 000 Гц. На нижнюю катушку помещали кусочек металла, который необходимо было расплавить, и включали ток. Металл всплывал между катушками и начинал разогреваться (рис. 345). Расплавившись, он принимал форму волчка и опускался. Расплавленный металл можно было, уменьшив ток, охладить, а затем дальнейшим уменьшением тока положить уже в твердом состоянии на нижнюю катушку.

Так плавили алюминий, титан, серебро, золото, индий, олово и другие металлы, причем в атмосфере инертных газов, водорода и в вакууме. Особенно полезна такая плавка для титана, который в расплавленном состоянии легко входит в реакцию с материалом тигля.

Какие это поезда – летающие?

Летающие поезда считаются транспортом XXI в., работы над ними ведутся во всех развитых в техническом отношении странах. А все начиналось в 1910 г., когда бельгиец Э. Башле – простой рабочий-монтер, не получивший никакого специального образования, построил первую в мире модель летающего поезда и испытал ее. Э. Башле упорно работал над осуществлением своей идеи почти 20 лет. Конечно, для перевозки пассажиров его модель была мала, но все-таки произвела ошеломляющее впечатление на современников. Еще бы – 50-килограммовый сигарообразный вагон летающего поезда разгонялся до неслыханной тогда скорости – свыше 500 км/ч!

Магнитная дорога Башле представляла собой цепочку металлических столбиков с укрепленными на их вершинах катушками. Пока тока в этих катушках не было, вагон лежал на них неподвижно. Но после включения тока вагончик приподнимался над катушками и повисал в воздухе. Теперь его мог сдвинуть с места даже ребенок. Но толкать этот вагончик было не нужно – он разгонялся сам, тем же магнитным полем, на котором подвешен.

Летающий вагон Э. Башле вызвал сенсацию во всем мире, его называли чудом XX в. Во Франции решили применять вагончики Э. Башле вместо популярной тогда пневматической городской почты, в Англии собирались строить натурный образец дороги Э. Башле с крупными вагонами. Но потом работы прекратились, и о сенсационных когда-то проектах забыли.

Практически одновременно с Башле – в 1911 г. – профессор Томского технологического института Б. Вейнберг разрабатывает гораздо более экономичную подвеску летающего поезда. В отличие от Э. Башле Вейнберг предлагал не отталкивать дорогу и вагоны друг от друга, что чревато громадными затратами энергии, а притягивать их друг к другу обычными электромагнитами. Разумеется, дорога должна быть расположена сверху от вагона, чтобы своим притяжением компенсировать силу тяжести поезда.

Однако любой магнит, в том числе и электрический, если уж, притягивая, стронул тело с места, то обязательно притянет его к себе до соприкосновения. К счастью, электромагнит можно вовремя выключить, и тело остановится на любом, заранее заданном расстоянии от него.

Но летящий поезд Вейнберга был устроен хитрее. Железный вагон первоначально располагался не точно под электромагнитом, а несколько позади него. При этом электромагниты подвешивались на «потолке» дороги на всей ее длине с некоторым интервалом между ними.

Пуская ток в первый электромагнит, мы вызывали и подъем железного вагончика, и продвижение его вперед, по направлению к магниту. Но за мгновение до того, как вагончик должен был прикоснуться к электромагниту и прилипнуть к нему, ток выключался, и вагончик, продолжая лететь вперед из-за набранной им скорости, начинал снижать высоту. Тут включался следующий электромагнит, и вагончик, попадая в его магнитное поле, опять поднимался вверх, увеличивая скорость движения вперед. Так по волнообразной траектории вагончик «перебегал» от магнита к магниту, не касаясь их (рис. 346).

Профессор Вейнберг оказался дальновиднее Башле и в другом. Зная о большом сопротивлении воздуха при движении любого тела, в том числе и вагона, с высокими скоростями, изобретатель поместил свой вагон в немагнитную – медную трубу, из которой откачал воздух. И если Башле для снижения сопротивления воздуха, придал своему вагончику сигарообразную обтекаемую форму то для Б. Вейнберга обтекаемость вагончика была ни к чему. Так как внутри трубы воздуха практически не было, отсутствовало и сопротивление, – вагончик имел форму обычного цилиндра. К верхней части трубы крепились электромагниты, которые разгоняли вагончик Б. Вейнберга до скорости 800 км/ч! С такой скоростью летели только снаряды крупнокалиберных короткоствольных пушек – мортир и минометов. Конечно, еще экономичнее было бы использовать вместо электромагнитов сильные постоянные магниты, но вот беда – их нельзя выключать! Поезд неизбежно притянулся бы к потолку и прилип к нему.

Тут в самый раз вспомнить, что наука, техника множество раз вновь и вновь обращалась к старым, казалось бы, уже отжившим решениям. Не зря говорится, что новое – это хорошо забытое старое. Все это в полной мере применимо и к подвесу летающих поездов. Если не хотите, чтобы магнит прилипал к магниту, измените полярность одного из них – и они будут отталкиваться (рис. 347)!

Вот и пришли специалисты по подвесу летающих поездов снова к идее Башле, но вместо электромагнитов переменного тока применили обычные постоянные магниты. Дорогу, над которой должен быть подвешен поезд, вымостили магнитами так, чтобы они были обращены вверх одноименными полюсами. Днище вагона тоже было покрыто магнитами, обращенными вниз также одноименными полюсами, но так, чтобы вагон отталкивался от дороги (рис. 348).

1 – скользун; 2 – вагон; 3 – магнит вагона; 4 – магнит дороги

Здесь следует соблюдать по меньшей мере два условия: магниты должны быть достаточно сильны, чтобы поднимать вагон над дорогой, а кроме того, вагон не должен сваливаться набок – ведь подвеска на постоянных магнитах, как мы знаем по запрету Ирншоу, нестабильна.

Считается, что при скоростях свыше 500 км/ч обычные колеса применять уже опасно. Специальные колеса из сверхпрочных и легких материалов допускают кратковременное двойное увеличение скорости, например на рекордных гоночных ракетных автомобилях. Но это очень ненадежные колеса, и именно из-за их поломок чаще всего случаются аварии.

Между тем для испытания ракет на земле сплошь и рядом применяют салазки-скользуны, скользящие по направляющим рельсам. Выдерживают они скорость в несколько раз большую, чем скорость звука, правда, при больших потерях энергии – как-никак приходится нести на себе всю тяжесть испытуемых устройств. Скользуны же, предохраняющие вагон на магнитной дороге от падения набок, практически не несут никаких нагрузок, поэтому расход энергии и износ в них ничтожны.

Вернемся к вопросу, – хватит ли сил постоянных магнитов для поддерживания вагона над дорогой. Во времена Гильберта вряд ли получилось бы построить такую дорогу. Но с тех пор возможности постоянных магнитов существенно выросли.

В начале XX в. для постоянных магнитов стали применять хромистые, вольфрамовые и кобальтовые стали, а в 30-х гг. – специальные магнитные сплавы, позволяющие получить очень сильные магниты. Причем совершенно не обязательно, чтобы компоненты этих сплавов были ферромагнетиками. Кажется парадоксальным, но, например, сплав Гейслера, состоящий из двух парамагнетиков (марганца и алюминия) и одного диамагнетика (меди), – сильный ферромагнетик. Или удивительный сплав – сильманал. Он также не содержит ни одного ферромагнетика: марганец, серебро и алюминий. Сильманал дает очень сильные постоянные магниты, причем в отличие от большинства из них он не хрупок. Магниты из сильманала можно обработать на станках, прокатывать из него ленту, изготовлять проволоку.

Но наиболее практичный магнитный сплав – это альнико, состоящий из алюминия, никеля и кобальта, из него и сейчас делают много постоянных магнитов. В 50-е гг. XX в. были получены дешевые и легкие магниты на основе ферритов бария – материала дешевого и очень распространенного в России.

Существуют, правда, магниты – чемпионы по своим свойствам, но они очень дороги. Например, сплав платины с кобальтом позволит получить магнит, способный поднять железный груз, в 2 000 раз больше собственного веса.

Однако более перспективны недавно появившиеся постоянные магниты из редкоземельных материалов самария, неодима и празеодима в их сплаве с кобальтом и железом. Магниты из редкоземельных элементов, например самарий-кобальтовые, обладая силой, не меньшей, чем платино-кобальтовые магниты, гораздо дешевле их. Современные цены на эти магниты всего в несколько раз больше, чем на заурядные, но во сколько раз они сильнее последних!

Но не будем пока ориентироваться на эти перспективные магниты. Даже дешевые ферриты, которыми вымощена одна из действующих магнитных дорог, при зазоре между магнитами в 10 мм позволяют получить подъемную силу в 12,3 кН на каждый квадратный метр замощенной площади пути. Масса же самих магнитов, например, для 100-местного вагона, рассчитанного на скорость 450 км/ч, составила 18 % от общей массы вагона. Достоинство такой магнитной дороги – простота и отсутствие затрат энергии на подвешивание поезда.

Если же говорить о перспективах, скорость, большую, чем 500 км/ч, мешает развить только сопротивление воздуха. Выход из этого положения один – тот, которым воспользовался профессор Вейнберг. Поместив летающий поезд в трубу или тоннель, из которого выкачан воздух, можно получить не только сверхзвуковую, но и космическую скорость. А вакуума в трубе бояться не следует: сегодняшние герметичные самолеты летают в атмосфере, мало отличающейся по разрежению от той, что в трубе для поезда на магнитной подушке. Перспективный проект дороги «Планетран», которая должна соединить восточное и западное побережья США, предусматривает поезд на магнитной подвеске в вакуумной трубе-тоннеле. Скорость поезда 22 500 км/ч, что почти равно первой космической скорости!

Удобно так быстро передвигаться, особенно в такой большой стране, как Россия. Заметим, что ни на каком летательном аппарате, кроме космической ракеты, такую скорость развить нельзя. А в вакуумной трубе – пожалуйста. И никаких затрат топлива с окислителем не понадобится – поезд в трубе будет разгоняться бегущим магнитным полем, как в электромоторах, о чем будет еще рассказано. А огромную кинетическую энергию, которую накопит этот поезд, можно будет отобрать от него таким же образом, только на режиме торможения. Совсем как в лифтах: при подъеме груза потенциальная энергия накапливается, а при спуске она через посредство электромотора отдается обратно в сеть.

Позвольте, а ведь такой поезд мог бы служить отличным накопителем энергии глобального масштаба! Ведь каждый килограмм массы, движущейся со скоростью 8 км/с накапливает энергию в 32 МДж, или почти 10 кВт·ч. Это неслыханно большая удельная энергоемкость накопителя. А при массе поезда, например 10⁶ кг, что является средним показателем, он накопит почти 10 млн кВт·ч энергии. Накопленная энергия такого порядка могла бы существенно улучшить энергосистему не только крупной страны, но и целого мира. В одной части земли – день, в другой – ночь. Накопленная энергия могла бы подаваться в ту часть мира, где она нужнее всего. Если ориентироваться на солнечную энергию, то избыток ее в той части мира, где светло, тоже надо бы накопить в расчете на пасмурную погоду или ночь. В развитых странах мира стоимость электроэнергии ночью гораздо меньше, чем днем, а накопитель мог бы эту стоимость сбалансировать.

Одна беда – пришел поезд на конечный пункт, и хочешь не хочешь – выделяй всю накопленную энергию для остановки! Но этого можно не делать, если замкнуть такую скоростную дорогу в кольцо. Расчеты показывают, что для этого совсем не обязательно тянуть дорогу через весь земной шар, хотя это было бы лучше всего. Автор подсчитал, что вполне хватило бы, по крайней мере для нужд всей страны, кольцевой дороги размером с Московскую кольцевую автодорогу (длиной 100 км). При этом и сам поезд должен быть замкнут в кольцо, а размеры «вагонов» по сечению могут быть всего 1×1 м. Естественно, труба, где будут «летать» такие энергонакопляющие поезда, как и в системе «Планетран», – вакуумная, а подвеска – магнитная. Автор оформил проект такого «сверхнакопителя» как российское изобретение, может быть, когда-нибудь в будущем пригодится. Опять же русские будут и здесь первыми.

А если не говорить о глобальных проектах, то магнитная подвеска может уже сегодня помочь в качестве опор-подшипников крупных маховиков (опять же накопителей!), турбин и аналогичных тяжелых вращающихся деталей. Чем же плохи здесь обычные подшипники? Да тем, что, во-первых, они требуют смазки и ухода, что в вакууме, например, затруднительно. Во-вторых, долговечность их оставляет желать лучшего. А в-третьих, – потери энергии на вращение, которые, кстати, идут на разрушение этих же подшипников.

Магнитная подвеска, основанная на обыкновенных постоянных магнитах, с центровкой на миниатюрных, почти не нагруженных подшипниках (чтобы не потерять устойчивость по Ирншоу!), способна обеспечить следующие «рекордные» показатели:

– долговечность – десятки лет почти без обслуживания;

– малые потери энергии на вращение;

– высокие частоты вращения, недоступные обычным подшипникам.

Схема такой магнитной подвески представлена на рис. 349. Для того чтобы минимизировать потери и массу магнитов, они сгруппированы вокруг центра в столбик или батарею. Применен также ряд хитростей, составляющих изобретение, а именно использованы в качестве активных элементов корпусные детали подвески, которые ранее были просто балластом. Кроме того, достигнута оптимальная – пологая – зависимость подъемной силы от вертикальных перемещений. То есть, если подъемная сила подвески равна 15 кН, то она не изменится при изменении зазора между магнитами – от погрешности сборки или теплового расширения.

Такая подвеска, имеющая рекордно малые показатели по отношению массы магнита к массе подвешиваемого груза (менее 0,5 %), разработана автором для одной из германских энергетических фирм и изготовлена на специализированном московском предприятии. Грузоподъемность 15 кН (масса маховика – 1,5 т); магниты на основе состава «железо – неодим – бор» достаточно недорогие.

В настоящее время созданы настолько сильные постоянные магниты и настолько «умные» системы подвеса, что в ближайшее время следует ожидать в технике широкого применения магнитных подшипников вместо обычных.

1 – маховик; 2 – неподвижный магнит; 3 – подвижный магнит

Налейте мне пол-литра… магнита!

Уже давно люди пытались получить магнитные жидкости путем взбалтывания тонких порошков из ферромагнитного материала в воде, масле и других жидкостях. Но ничего путного не получалось, взвесь порошка в жидкости – суспензия – распадалась, и порошок оседал: слишком крупными и тяжелыми оказывались частички материала.

Но вот в 60-х гг. XX в. порошок феррита был настолько хорошо размолот в шаровой мельнице, что, будучи засыпан в смесь керосина и олеиновой кислоты, перестал осаждаться. Человечество получило жидкий магнит.

В чем же тут дело? Оказывается, частички порошка были уже настолько малы, что тепловое (броуновское) движение молекул не давало им осесть, и получился коллоидный раствор, который известен нам как яичный белок, канцелярский клей и множество подобных веществ. В переводе с латинского такой раствор носит название клеевого, клееобразного. Большинство клеев – столярный, силикатный и др. – тоже коллоидные растворы.

Оказалось, что магнитная жидкость обладает новыми, очень интересными свойствами. Прежде всего, магнитная жидкость – это не ферромагнетик, а сильнейший парамагнетик – суперпарамагнетик. Если налить магнитную жидкость в стакан и снизу поднести магнит, то она образует на первый взгляд совершенно неправдоподобную для жидкостей пучность – бугор, почти твердый на ощупь (рис. 350). Если поднести магнит сбоку, то жидкость полезет на стенку и может подняться за магнитом как угодно высоко. Если ее разлить по поверхности воды, то опущенным в воду магнитом можно быстро собрать ее на полюсе магнита. Плохо, если это постоянный магнит, не так-то просто будет «оторвать» цепкую жидкость от магнита. Если магнитную жидкость лить струйкой из одного стакана в другой, то ее очень легко похитить, поднеся к струйке сбоку магнит.

Кто впервые видит эту вязкую, тяжелую, темно-бурую жидкость, тот не верит, что жидкости могут так вести себя в присутствии магнитов. Кажется, что это хитро поставленный фокус.

Сейчас для магнитных жидкостей придумали множество полезных применений: для уплотнения валов и поршней, для «вечной» смазки, для сбора нефти, разлитой на воде, для обогащения полезных ископаемых, для лечения и диагностики многих болезней и даже для прямого превращения тепловой энергии в механическую.

Поговорим о наиболее интересных и перспективных для техники применениях магнитной жидкости. Тут приходится вводить поверхностно-активные вещества и применять другие хитрости, чтобы жидкость получилась устойчивой и не портилась, т. е. не коагулировала (сворачивалась, как молоко), не высыхала, не расслаивалась и т. п.

Наконец магнитная жидкость готова. Где же ее можно использовать?

Наиболее широко ее применяют для уплотнения – герметизации зазоров между движущимися частями машин. Чаще всего нужно уплотнять вращающиеся валы. Когда вал ферромагнитный (например, стальной), то на вал с зазором надевают кольцевой магнит с двумя шайбочками, зазоры которых с валом – один или оба – заливают магнитной жидкостью. Она тут же устремляется в щель, где напряженность магнитного поля максимальна, и застывает там густой студневидной массой (рис. 351).

1 – наконечники; 2 – вал; 3 – магнитная жидкость; 4 – магнит

Вал может быть и немагнитным, например латунным, титановым и даже стеклянным. Тогда шайбы сближают друг с другом, и зазор между ними заливают магнитной жидкостью. Свернувшись в плотный кольцевой жгут, жидкость прижимается даже к немагнитному валу и герметизирует его (рис. 352).

1 – вал; 2 – магнитная жидкость; 3 – магнит; 4 – наконечники

Магнитную жидкость, особенно масляную, можно успешно использовать в качестве «вечной» смазки, заполняя ею подшипники как скольжения, так и качения, даже редукторы и коробки передач, удерживая ее в необходимом месте магнитами (рис. 353). К тому же такие механизмы не только самоуплотняются магнитной жидкостью, но и смазываются.

1 – магнит; 2 – втулка; 3 – вал; 4 – магнитная жидкость

Возникает вопрос: а может ли магнитная жидкость, в которой находится взвесь магнитных частиц, быть смазкой? Не будет ли она играть роль наждачного порошка?

Оказалось, что нет, и это до казано многочисленными опытами. Размеры частичек так малы, что они никак не влияют на чистоту поверхности трущихся деталей, их как будто не существует.

Магнитная жидкость может играть роль не только смазки, но и самого подшипника. Если при вращении вала привести ее в быстрое вращение с помощью специальных насечек на поверхности вала, то в ней всплывут даже тяжело нагруженные валы (рис. 354). Такие подшипники называются магнитогидродинамическими.

а – радиальный подшипник; б – упорный подшипник; F – силы

Магнитная жидкость обладает еще одним удивительным, поистине уникальным свойством. В ней, как и в любой жидкости, плавают тела менее плотные и тонут тела более плотные, чем она сама. Но если приложить к ней магнитное поле, то утонувшие тела начинают всплывать. Причем чем сильнее поле, тем более тяжелые тела поднимаются на поверхность. Прикладывая различное по напряженности магнитное поле, можно заставлять всплывать тела с какой-то заданной плотностью. Это свойство магнитной жидкости применяют сейчас для обогащения руды. Ее топят в магнитной жидкости, а затем нарастающим магнитным полем заставляют всплывать сначала пустую породу, а затем уже и тяжелые куски руды.

Есть даже печатающие и чертежные устройства, работающие на магнитной жидкости. В краску вносится немного магнитной жидкости, и такая краска выбрызгивается тонкой струйкой на протягиваемую перед ней бумагу. Если струю ничем не отклонять, то будет начерчена линия. Но на пути струйки поставлены электромагниты, подобно отклоняющим электромагнитам кинескопа телевизора. Роль потока электронов здесь играет тонкая струйка краски с магнитной жидкостью – ее-то и отклоняют электромагниты, и на бумаге остаются буквы, графики, рисунки.

Применяют магнитную жидкость и для сбора различных нефтепродуктов на поверхности морей, океанов, озер. Часто случается так, что человек не в состоянии предотвратить загрязнение нефтепродуктами поверхности воды, например, при аварии танкера с нефтью, когда громадное пятно покрывает многие квадратные километры моря, загрязняя все вокруг. Очистка воды от таких загрязнений – дело очень трудное, долгое и не всегда выполнимое. Но и здесь помогает магнитная жидкость.

На разлившееся пятно с вертолета разбрызгивают небольшое количество магнитной жидкости, которая быстро растворяется в нефтяном пятне, затем в воду погружают сильные магниты, и пятно начинает стягиваться в точку, здесь же его откачивают насосы. Вода вновь становится чистой.

А какой простор магнитным жидкостям в медицине! Представим себе, что каким-нибудь лекарством надо лечить определенную часть тела, не затрагивая всего остального организма. Например, нужно, чтобы оно сосредоточилось в каком-либо органе человека, а кровь разносит его по всему телу. Замешав лекарство на магнитной жидкости, его вводят в кровь, а затем возле больного места устанавливают магнит. Естественно, магнитная жидкость, а вместе с нею и лекарство вскоре соберутся возле магнита и будут действовать только на заболевшую часть тела.

А не купить ли магнитную челюсть?

Разговоры о лечебных свойствах магнитов, как и о методах лечения ими, идут с глубокой древности.

Правда, сведения эти бывали противоречивы. Вот что писал об этом «отец магнетизма» Гильберт. «Диоскорид учит, что магнит с водой, смешанной с медом… дается для излечения жирной влаги. Гален пишет, что магнит обладает силой, подобной силе гематита. Другие передают, что магнит причиняет умственное расстройство, делает людей меланхоликами и чаще всего убивает их. Жители Ост-Индии передают, что магнит, принимаемый в небольшом количестве, сохраняет молодость, поэтому, как говорят, старый царь Зэйлам приказал изготовить из магнита миски, в которых ему готовили пищу».

Сам Гильберт, например, считал, что «в чистом виде магнит может быть не только безвредным, но и иметь способность привести в порядок слишком влажные и гниющие внутренности и улучшить их состав». Сказано не слишком научно для лейб-медика королевы Елизаветы и одного из крупнейших ученых своего времени, но доля истины в этом есть.

Недаром о магните, как о лекарстве, писали знаменитые врачи древности, такие, как основатель медицины Гиппократ, древнеримский врач Гален, средневековый медик Парацельс. Магниты с целью исцеления в древности носили на груди, на поясе, привязывали к рукам и ногам. Древние египтяне толкли магнит в порошок и принимали его внутрь, веря, что он сохраняет молодость. Современник и друг композиторов Моцарта, Гайдна и Глюка, знаменитый доктор из Вены Франц Месмер лечил магнитом самые разнообразные болезни.

Началось все с того, что в 1774 г. Месмер стал прикладывать магниты к больному месту своих пациентов, и неожиданно для него множество болезней, которые до этого не поддавались лечению, стали проходить. В 1775 г. Баварская академия избрала за это Месмера своим членом.

Месмер считал, что вся вселенная и живые существа пропитаны магнитной жидкостью или газом – флюидом. Вокруг человека распространяется магнитная атмосфера, а на его теле обнаруживаются магнитные полюса. Если флюид течет в теле человека в правильном направлении, то все хорошо, а если нет – то человек заболевает. В этом случае на тело в определенном месте нужно положить магнит, который своим флюидом исправляет положение, и больной выздоравливает.

Дело доходило до курьезов. Например, в 1780 г. в Лондоне был открыт медицинский кабинет под названием «Замок здоровья». Гвоздем программы исцеления в этом замке была «звездная постель», расположенная на сорока крупных магнитах. За огромные деньги – 100 фунтов – больной мог провести ночь на «звездной постели» и подвергнуться лечебному действию магнитов.

В 1777 г. Французское Королевское медицинское общество организовало комиссию, проверившую успешность лечения магнитами, и пришла к выводу, что «нельзя не признать лечебного действия магнита». Особенно был рекомендован магнит для лечения нервных болезней, судорог, конвульсий и головных болей.

Французский врач Дюрвиль намагничивал воду при помощи сильного подковообразного магнита, а затем лечил этой водой своих пациентов. «Магнитная» вода помогала зарубцовывать раны, исцеляла язвы.

Доктор Дюрвиль считал, что вокруг человека существует некая «магнетическая атмосфера» (рис. 355, а), а сам человек обладает магнетизмом с его северным и южным полюсами (рис. 355, б).

В XIX веке в гомеопатических аптеках Петербурга и Москвы во всю продавали «лечебные магниты», например магнитные нагрудники (рис. 356). Врачи, рекламируя эти магниты, писали:

«С помощью магнитов жизнь, потухающая в теле, истощенном от длинного ряда страданий, возрождается точно от прилива новых сил».

В последнее время, когда стали уделять усиленное внимание побочному действию химических лекарств, врачей опять привлекли старые методы лечения, в том числе и магнитами – магнитотерапия.

Сейчас достаточно распространены магнитные браслеты (рис. 357), служащие для выравнивания кровяного давления и успокаивающе действующие на человека. Поверьте, это тоже хорошо забытое старое!

Автор когда-то вшил сильный редкоземельный магнит в тыльную часть галстука и долго носил этот галстук на шее. Но кровяное давление и самочувствие нисколько не изменились. А вот знакомому, которому автор одолжил поносить галстук, он помог. Опять противоречивость показаний!

Особняком стоят опыты по выявлению действия на человека и животных сильных магнитных полей.

Еще в 1892 г. в лаборатории Эдисона помещали между полюсами сильного магнита собаку, а когда исследователи убедились, что ничего вредного не произошло, поместили туда мальчика. (Опыт, который сегодня сочли бы преступлением!) Но ничего плохого и с мальчиком не произошло. Был сделан вывод о безвредности сильных магнитных полей на организм.

Один из таких «безрассудных» опытов описал физик В. П. Карцев в своей книге по магнетизму.

«Я помню, как молодой инженер, решив доказать безвредность магнитного поля, сунул голову в зазор электромагнита мощной атомной машины.

– Ну и как? – спросили его.

– Ничего особенного. Только когда вылезаешь, словно какая-то вспышка перед глазами, как от фотографического «блица».

Эту вспышку ученые называют фосфеном. Вероятнее всего, она связана с тем, что при изменении магнитного поля (когда человек уходит из сферы действия магнитного поля или входит в нее) в тканях мозга наводятся «посторонние» биотоки, искажающие обычную картину».

Однако тщательные исследования нахождения живых организмов в сильных магнитных полях выявили изменения в крови и ряд других нежелательных явлений. Поэтому врачи признали длительное нахождение в сильных магнитных полях вредным.

Говоря о влиянии магнитов на здоровье людей, нельзя не упомянуть о магнитных инструментах и протезах. Всем известен хрестоматийный пример, когда электромагнитом извлекают стальную соринку или стружку из глаза. Придумали такой способ более 100 лет назад в Англии. Столько же лет известен метод обнаружения и извлечения электромагнитом металлических осколков из ран. В 1887 г. этот метод был опробован на американском президенте Дж. Гарфил-де, в которого стреляли при покушении.

Магнитными зондами легко извлекать из желудка случайно проглоченные стальные предметы. На конце этого зонда находится сильный электромагнит, питаемый снаружи по гибким изолированным проводам.

Во время Первой мировой войны электромагнитом извекали из ран стальные осколки, причем питали его уже не постоянным, а переменным током, что облегчало процедуру.

Тогда же, в 1915 г., в Америке была изобретена «магнитная рука», т. е. протез руки с электромагнитом на конце. Питаясь от батарейки, этот электромагнит позволял инвалиду удерживать различные инструменты с железными рукоятками.

Интересен магнитный протез челюсти, в которой зубы изготовлены из сильных магнитов, направленных одноименными полюсами друг к другу. Такая челюсть хорошо удерживается во рту из-за отталкивания зубов-магнитов. Одно плохо – стоит зазеваться, как у тебя автоматически открывается рот!

Куда сбежал Северный полюс?

Иногда, когда хотят подчеркнуть незыблемость чего-то, сравнивают это со стрелкой компаса, указывающей на север. Большинство людей наивно считают, что эта стрелка действительно указывает на север, причем так было и так будет всегда. Наверное, многие из читателей этой книги тоже именно так и думают.

Оказывается, стрелка компаса указывает вовсе не на север, а на место, совершенно случайно сегодня оказавшееся около географического Северного полюса – Южный магнитный полюс. Географические полюса – это точки выхода оси вращения Земли. Последний раз Южный магнитный полюс достаточно точно совпадал с Северным географическим полюсом в 1663 г. Как это установили ученые, еще будет сказано. А что касается магнитных полюсов Земли, в частности Южного, то он совершает самые замысловатые, непредсказуемые сегодня путешествия по земному шару.

700 миллионов лет назад этот полюс находился у берегов современной Калифорнии (точка А, рис. 358). Затем он начал смещаться на юг, прошел практически по экватору на запад, 200—300 миллионов лет назад оказался у берегов Японии (опять-таки современной!), только потом повернул на север и в 1663 г. совпал с географическим Северным полюсом Земли (точка В).

Это по данным европейских ученых. Американские палеонтологи тоже занимались вопросом «путешествия» магнитных полюсов Земли, но их результаты сильно отличаются от европейских. Так, американцы считают, что этот полюс 700 миллионов лет назад начал свое путешествие с середины Тихого океана (точка А′), потом сместился не столько на юг, сколько на запад, прошел через Китай, Монголию и нашу страну, описал петлю около Северного географического полюса и подошел достаточно близко к нему (точка В′). Современное положение Южного магнитного полюса у американских и европейских палеонтологов разногласий не вызывает.

Если бы австралийские или африканские ученые занялись вопросом путешествий магнитных полюсов Земли, то их данные тоже не совпали бы друг с другом.

В чем же дело? Ясно, что Земля имеет всего два магнитных полюса и Южный магнитный полюс мог двигаться лишь по одной-единственной траектории. Чем же вызваны расхождения в показаниях ученых разных стран?

Прежде чем ответить на этот вопрос, давайте разберемся, каким образом ученые находят положение магнитных полюсов Земли в далеком прошлом.

Исследованием магнитного поля Земли в прошедшие геологические эпохи, отделенные от нас иногда сотнями миллионов лет, или палеомагнетизмом Земли, занимается молодая наука – палеомагнетология, что в переводе означает «наука о древнем магнетизме». Исследования ученых-палеомагнетологов опираются на изучение остаточной намагниченности горных пород, которая возникла при их образовании.

Это происходило во время извержения расплавленных горных пород миллионы лет назад. Раскаленная лава, содержащая частички железа, остывая в поле земного магнетизма, получала намагниченность, зависящую от положения магнитных полюсов Земли. Эта намагниченность сохранялась миллионы лет без изменений и была измерена палеомагнетологами с помощью современных точных приборов. Зная возраст горной породы и направление ее намагниченности, нетрудно установить и положение магнитных полюсов Земли в этот период.

А проследить перемещение магнитных полюсов за последние несколько тысячелетий можно с очень большой точностью – огромное количество данных об этом предоставляет ученым древняя обожженная керамика. Керамические изделия, возраст которых можно установить уже с большей точностью, сохраняют свой магнетизм, полученный при остывании после обжига. И если такое изделие не попадало в случайный пожар уже после своего изготовления, то оно служило неопровержимым свидетельством расположения магнитных полюсов Земли при своем рождении.

Осадочные породы, возникающие при медленном осаждении в воде мельчайших частичек, тоже хорошие свидетели изменений земного магнетизма. Частички эти очень долго находятся в воде во взвешенном состоянии, подобно стрелкам компаса ориентируются в магнитном поле Земли и в таком положении оседают. Так возникает ориентированная на древние полюса Земли намагниченность осадочных пород.

А в самое последнее время положение магнитных полюсов измеряют и регистрируют точные приборы. Так вот, за 20 лет, с 1928 по 1948 гг. Южный магнитный полюс Земли сместился на 150 км! Если бы он все время смещался с такой скоростью, а именно 7,5 км в год, то за 100 миллионов лет он исколесил бы вдоль и поперек всю поверхность Земли.

А теперь, когда мы уже знаем о непостоянстве расположения магнитных полюсов Земли, вернемся к вопросу, почему же не совпадают положения этих полюсов, вычисленные учеными разных континентов. Ведь в один и тот же момент времени положение полюса одно-единственное, и ошибка не может быть столь большой, если, конечно, намеренно не переместить самих свидетелей палеомагнетизма. Но какими силами можно искусственно перенести на сотни и тысячи километров и развернуть при этом грандиозные количества вулканических и осадочных пород? Напрашивается единственный вывод: сами материки дрейфовали вместе с этими породами, проходили огромные расстояния, плавая на жидком и раскаленном центре Земли, как льдины в океане. Так вот, если проверить пути этого дрейфа, мысленно прокрутить картину назад на сотни миллионов лет, то материки сойдутся в один суперконтинент, называемый Гондвана, или Пангея (рис. 359).

Кто «запятнал» Солнце?

Итак, наша Земля – все-таки магнит с двумя явно выраженными Северным и Южным полюсами, или дипольный магнит. Пусть эти полюса гуляют как хотят, пусть меняются местами, пусть магнетизм Земли ослабевает или усиливается, но Земля – это магнит.

Но вот ближайшая соседка Земли – Луна – почти полностью лишена магнетизма. Это было доказано и спутниками, и приборами, непосредственно установленными на Луне. Магнитный компас, таким образом, был бы бесполезен на Луне.

У Меркурия, планеты наиболее близкой к Солнцу, магнитное поле дипольное, подобно земному, но примерно в 100 раз слабее. Если учесть, что и на Земле оно не очень сильно, то на Меркурии его обнаружить непросто.

Планета Венера оказалась почти начисто лишенной магнитного поля, по крайней мере существующего в глубине ядра. Оно в 10 000 раз слабее земного. Конечно, мощная атмосфера Венеры реагирует на потоки солнечной плазмы, и в ней возникает наведенный магнетизм. Но сама планета вращается очень медленно, и с этим связывают отсутствие всякого рода течений в ее ядре, порождающих магнитное поле.

У Марса слабенькое магнитное поле, о котором сказать можно разве только то, что оно чуть сильнее, чем у Венеры и имеет характер дипольного.

Остались еще пять планет. Про магнитные поля Урана, Нептуна и Плутона пока ничего определенного сказать нельзя, зато Юпитер и Сатурн с лихвой окупили скудость сведений о магнитных полях остальных планет.

На Юпитере – планете-гиганте – самое гигантское магнитное поле. Оно, как и у Земли, двухполюсное – дипольное, но почти в 200 раз сильнее. Интересно, что на Юпитере, в отличие от Земли, магнитные полюса приближены к одноименным географическим, т. е. Южный магнитный полюс – в Южном полушарии, а Северный – в Северном.

Такая же картина наблюдается и на Сатурне. Сама эта планета поменьше Юпитера, жидкое ядро ее тоже невелико, поэтому магнитное поле Сатурна похоже на поле Юпитера, но послабее.

Итак, осталось еще одно, главное тело Солнечной системы – ее центр, само Солнце. И хотя это самая близкая к нам звезда расположена очень далеко – почти в 150 млн км от Земли, магнитное поле Солнца оказывает чрезвычайно большое влияние на нас с вами. Самое интересное явление на Солнце с точки зрения его магнетизма – это пятна на его поверхности.

Солнечные пятна первым заметил в 1611 г. священник-иезуит Шейнер, который, рассматривая светило в недавно построенную Галилеем подзорную трубу, увидел на его поверхности темные пятна. Как и положено было в иезуитском ордене с его строжайшей дисциплиной, Шейнер доложил о своих наблюдениях генералу ордена. Тот не пожелал даже проверить сообщение Шейнера, посоветовав ему помалкивать для собственной же пользы. Время было такое, что можно было угодить и на костер.

Отношение к Солнцу, как к чему-то идеальному, было настолько сильно, что даже великий Галилей не поверил сообщению Шейнера и заявил: «Солнце – глаз мира и не может страдать бельмами!»

Случилось так, что на протяжении почти 70 лет, с 1645 по 1715 гг. пятна на Солнце практически не появлялись, что сильно подорвало доверие к открытию Шейнера. Но шила в мешке не утаишь, Солнце стали пристально рассматривать в телескопы и, наконец, после большого перерыва, снова увидели там пятна. Не оставалось ничего другого, как «простить» их Солнцу, закрепив это поговоркой: «И на Солнце бывают пятна!»

Люди стали гадать: чем объяснить темные пятна на раскаленной поверхности светила?

В 1800 г. знаменитый английский астроном У. Гершель предложил фантастическую гипотезу, от которой нашему современнику может стать не по себе. В глубине Солнца имеется разумная жизнь, там прохладно, а пятна – это проступающие сквозь раскаленные облака темные участки холодной коры. И эта идея почти целый век считалась рабочей гипотезой!

Наконец, в 1908 г. американский ученый Д. Хейл обнаружил, что в пятнах Солнца сильное магнитное поле – около 3 000 эрстед. На остальной поверхности поле в тысячи раз меньше, что дало повод увидеть в пятнах полюса магнита, вышедшие наружу, на поверхность Солнца.

Оказывается, в недрах Солнца существуют магнитные трубки-кольца, параллельные экватору, образованные тем же динамопроцессом, что и в недрах Земли. Только на Солнце, в силу различных причин, связанных с его размерами и процессами, происходящими в глубинах, трубки эти могут иметь различные направления силового поля, причем существующие одновременно. Медленно всплывая на поверхность Солнца, эти трубки раскрываются, образуя разомкнутыми концами полюса магнита.

Общее магнитное поле Солнца меняется по 11-летнему циклу, так что в течение 11 лет Северный магнитный полюс находится в Северном полушарии, а Южный – в Южном. Следующие 11 лет полярность магнитных полюсов противоположна географическим. Но самое удивительное то, что эта «переполюсовка» происходит не одновременно, и на несколько месяцев или на год Солнце превращается в огромный монополь – загадочный магнит только с одним-единственным полюсом.

При «всплывании» магнитной трубки из недр Солнца на его поверхности в течение нескольких дней развиваются солнечные пятна (рис. 360). Сначала в месте выхода концов трубки появляются одна или несколько видимых в телескоп черных точек диаметром в сотни километров, а затем за один-два дня они разрастаются в пятно размером в десятки тысяч километров.

Следовательно, «запятнал» Солнце магнетизм. И, забегая вперед, скажем, что эти, казалось бы, далекие от нас магнитных силовых пятна на светиле, играют в нашей жизни огромную роль!

Земное эхо солнечных бурь

Момент появления на Солнце пятен характеризуется максимумом солнечной активности, который тоже имеет период в 11 лет. С солнечной активностью, или солнечными бурями, связан целый ряд земных событий, играющих большую роль в нашей с вами жизни. Эта связь была наиболее полно замечена, изучена и описана русским ученым А. Л. Чижевским. Ученый заметил, что самые разнообразные процессы на нашей планете обычно имеют циклический характер и возникают одновременно, причем эти процессы тесно связаны с изменением магнитной активности Солнца.

Так, например, периодичность вспышек эпидемий, болезней животных и растений совпадает с периодом солнечной активности. Чижевский публично высказал свои первые соображения на этот счет еще в 1915 г. (рис. 361).

«Астронома, читающего эпидемиологию холеры, невольно изумляет тот факт, что хорошо знакомые ему годы солнечных бурь и ураганов вызывают столь великие бедственные явления, и, наоборот, годы солнечного успокоения и мира совпадают с годами освобождения человека от безграничного ужаса перед этим неодолимым невидимым врагом».

Чтобы убедиться в достоверности связи эпидемий с периодичностью солнечной активности, Чижевский воспользовался методом, названным впоследствии методом наложения эпох. Ученый получил среднюю кривую активности Солнца за девять периодов, а затем в те же периоды по годам вставил статистические данные о заболеваниях холерой в России. И глазам предстала картина замечательного параллелизма двух рядов явлений: солнечной деятельности и хода развития эпидемий холеры в России за 100 лет (см. рис. 361, б). Та же связь была прослежена для эпидемий гриппа (см. рис. 361, в) и целого ряда других болезней. Появилась возможность прогнозировать эти эпидемии и противостоять им во всеоружии.

Чем же объясняется эта таинственная связь таких, казалось бы, не похожих друг на друга явлений, как солнечный магнетизм и жизнь на Земле? Чижевский открыл, что жизненные функции болезнетворных бактерий, а также устойчивость к ним человека, животных и растений находятся в прямой связи с электромагнитными возмущениями в атмосфере Солнца и на Земле.

Подсознательно это ощущали и древние, отчего у них и появились соответствующие приметы – знамения. Но древние не могли объяснить связи стихийно-природных явлений и различных бедствий на Земле. Они увлекались поэзией сравнений, впадали в мистику. А тогдашние ученые, критикуя всякого рода природные предзнаменования, не учитывали их реальной связи с массовыми заболеваниями, стихийными бедствиями и другими явлениями на Земле.

Просто удивительно, на какие только стороны нашей жизни не влияют солнечные пятна! Частота гроз и бурь, урожай зерновых культур и других растений, даже рождаемость детей находятся в явной связи с активностью магнитного поля Солнца – солнечными пятнами.

Вот краткий перечень основных явлений на Земле, явно связанных с появлением солнечных пятен:

1. Величина урожая злаков (см. рис. 361, д) и цены на зерно.

2. Урожай и качество винограда.

3. Рост древесины (толщина годовых колец).

4. Время зацветания и пышности цветения растений.

5. Массовые болезни человека, животных, растений.

6. Размножаемость животных, насекомых, рыб.

7. Рождаемость детей (см. рис. 361, а)

8. Время весеннего прилета птиц.

9. Частота бурь (см. рис. 361, г) пожаров и поражения человека молниями.

10. Частота несчастных случаев и преступлений.

11. Частота обострений болезней и внезапных смертей.

Все эти явления находятся в связи с количеством и площадью солнечных пятен, характеризуемых числами Вольфа, введенными швейцарским астрономом Р. Вольфом. Причем не всегда максимум одного явления порождает максимум другого. Так, цены на пшеницу становятся максимальными в годы минимума чисел Вольфа – солнечных пятен.

Говоря о болезнях человека и их связи с пятнами на Солнце, Чижевский предостерегает, что было бы совершенно неверно полагать, что заболевания вызываются этими пятнами. Речь идет только о толчке извне, влиянии магнитной активности Солнца, потока частиц и электромагнитных излучений, достигающих Земли в этот период, на организм человека. И если для здорового, молодого человека это влияние ничтожно, то для ослабленного длительной болезнью или инфекцией человека оно может оказаться решающим.

Чижевский не только раскрыл это влияние на отдельные части и отделы человеческого организма, но и научил, как предохраняться от этого влияния. «Наука может тут говорить достаточно громко. Да, физика знает способы оградить человека от такого рода вредных влияний Солнца или подобных им, откуда бы они ни исходили. Спасителем здесь является металл: железо, сталь, свинец…Нетрудно рассчитать толщину того металлического экрана, который предохранит больные и старые организмы».

Оказывается, достаточно тоненьких листов металла, толщиной в доли миллиметра. Чижевский предлагает обшить стены, пол и потолок больничных палат, где лежат тяжелые больные, такими металлическими листами, предохраняющими от воздействия электромагнитных излучений Солнца. По сигналу из астрономической обсерватории о приближающейся магнитной буре на Солнце больных следует помещать в такие защищенные палаты, где они будут находиться один, два или три дня, пока не минует кризис болезни или не упадет активность магнитных явлений на Солнце.

И, наконец, о совершенно фантастическом влиянии солнечной активности на наши, российские события недавнего прошлого. По расчетам английского астронома Д. Уайтхауза, которые были опубликованы в 80-х г г. XX в., максимальное число солнечных пятен должно было прийтись на август 1991 г. Что у нас в России было в это время, наверное, все помнят: 19—21 августа был путч ГКЧП. Таким образом, расчет Уайтхауза оказался поразительно точным…

В поисках магнитного монополя

Как-то в детстве автору пришла в голову необыкновенная мысль: получить магнит с одним полюсом – монополем. У автора имелся большой подковообразный магнит, и один его край, как и половина стрелки компаса, как полагал автор, стремится на юг, а другой – на север. Середина же магнита не притягивает железа, а стало быть, никуда не стремится. И, казалось, если разломать магнит и поставить куски на колесики, а еще лучше на дощечки в воде, то одна часть магнита поплывет на юг, а другая – на север! Изготовив огромные половинки магнита и положив их на грузовик или катер, можно будет вовсе без двигателя добраться хоть до Северного полюса, хоть до Южного!

Конечно же, магнит был разломан и красная половинка водружена на кусок доски, плавающей в тазу с водой.

Но кусок магнита так и не поплыл никуда. Он только медленно развернулся, так, что его целый край стал указывать на юг, а обломанный – на север! Приблизив компас к обломанному краю, автор, к своему удивлению, убедился, что на нем… Южный полюс. А на другом куске обломанный край стал полюсом Северным. Гвоздь одинаково сильно начал притягиваться к каждому краю кусков, как будто не этот самый гвоздь отказывался притягиваться, когда куски были вместе. Вот чудеса!

Тут что-то подсказало автору соединить куски магнитов, на сей раз их целыми концами, и повторить пробу на гвоздь. И гвоздь нисколько не притянулся к месту соединения полюсов, как будто их там и не было!

Куда подевались полюса? Ведь к каждому из них гвоздь достаточно сильно притягивался. И вместо того, чтобы притянуться вдвое сильнее, он вовсе не желал делать этого. Автор почувствовал себя совсем одураченным: и магнит сломан, и путешествие на Север отменяется, и никак нельзя отделить Северный полюс магнита от Южного…

Магнит с одним-единственным полюсом, или, как его называют, монополь, оказывается, совсем не противоречит науке. И удивительно то, что мы до сих пор его не имеем, как не имеем, впрочем, и доказательств его невозможности. Поговорим об этом удивительном магните поподробнее.

В 1931 г. выдающийся физик П. Дирак (1902—1984) математически доказал возможность существования частицы с магнитным зарядом – монополя, то есть, что могут быть отдельно «северные» и «южные» магнитные заряды. Точно так же Дирак предсказал существование электрона с положительным зарядом – позитрона, и уже в 1932 г. он был обнаружен в природе.

Но прошло уже столько времени, а монополь все еще является призраком, существующим только на бумаге. Дело в том, что существование монополя дает естественное объяснение некоторым физическим явлениям, которые иначе как с помощью монополя и не объяснить.

Время от времени физики пускаются на поиски монополя, но пока каждый раз безуспешно. Магнитные и электрические явления почти во всем подобны, кроме одного. Электрических зарядов – положительных и отрицательных – оказывается достаточно для создания как электричества, так и магнетизма (последний возникает при движении зарядов). Но электричество имеет источник своего существования – электрический заряд, а магнетизм заряда не имеет. Налицо асимметрия, электричество имеет некоторые преимущества перед магнетизмом.

И как раз Дирак доказал, что такого преимущества у электричества нет и быть не может. Магнитные и электрические явления должны быть полностью подобны, симметричны. При этом получен достаточно точный портрет монополя. Единичный заряд монополя в 38,5 раза больше единичного заряда электрона. Взаимодействие двух монополей в 4 700 раз сильнее взаимодействия двух электронов, стало быть, при тех же скоростях, что и электрон, магнитный монополь в 4 700 раз сильнее ионизирует атомы окружающей среды. Такой большой магнитный заряд позволяет легко управлять монополем даже слабыми магнитными полями, разгонять его до гигантских энергий, недоступных электронам. Монополь может сотворить чудеса в электронике, физике, наконец, применяться, например, в телевидении, ускорительной технике, да мало ли еще где.

Искали монополи в пучке ускоренных частиц при их столкновении с веществом, в космических лучах. Не удалось вытянуть их с помощью мощных магнитов из железосодержащих горных пород и метеоритов, где монополи космического происхождения могли застрять и накопиться за миллионы лет. Монополь должен быть очень стабилен, он не исчезнет, пока не столкнется с другим, противоположным по знаку монополем. Даже в лунном грунте и то искали магнитный монополь, но безуспешно.

То там, то здесь появляются сенсационные сообщения о «поимке» таинственного монополя, но при тщательной проверке они оказываются несостоятельными. Около 30 лет назад китайские ученые были уверены, что обнаружили монополь, но, увы, открытие не состоялось. В 1982 г. в солидном Стенфордовском университете (США), казалось бы, уже «поймали» монополь с помощью сверхпроводникового магнита. Но повторные опыты, более точные, ничего не дали.

Наконец, в 1985 г. в Лондонском университете с помощью чувствительнейших датчиков, казалось бы, обнаружили-таки монополь. Но подтверждения этого открытия пока не последовало.

В чем причина столь длительной неудачи поиска монополя? Может быть, он очень редок? Или его не там ищут? Или Дирак ошибся и неверно определил заряд монополя? В таком случае, выходит, не то ищут?

Но доказательства невозможности монополя тоже нет, и подтвердить эту невозможность не проще, чем найти сам монополь.

Спеши, читатель, ищи и найди свой монополь. Будет обидно, если это сделает кто-нибудь другой!

Янтарь с магнитом – братья?

Оказалось, что это близко к истине, и «побратала» их молния. Ведь при электризации янтаря возникают искры, а искры – это маленькие молнии.

Но молния молнией, а при чем же здесь магнит? Как раз молния и оказалась тем, что соединило воедино янтарь и магнит, ранее «разлученные» Гильбертом. Вот три выдержки из описания удара молнии, в которых видна близкая связь между электричеством янтаря и притяжением магнита.

«…В июле 1681 г. корабль „Квик“ был поражен молнией. Когда же наступила ночь, то оказалось по положению звезд, что из трех компасов… два, вместо того, чтобы, как и прежде, указывать на север, указывали на юг, прежний северный конец третьего компаса направлен был к западу».

«…В июне 1731 г. один купец из Уэксфилда поместил в углу своей комнаты большой ящик, наполненный ножами, вилками и другими предметами, сделанными из железа и стали… Молния проникла в дом именно через этот угол, в котором стоял ящик, разбила его и разбросала все вещи, которые в нем находились. Все эти вилки и ножи… оказались сильно намагниченными…»

«…В деревне Медведково прошла сильная гроза; крестьяне видели, как молния ударила в нож, после грозы нож стал притягивать железные гвозди…»

Удары молний, намагничивающие топоры, вилы, ножи, прочие стальные предметы, размагничивающие или перемагничивающие стрелки компасов, наблюдались столь часто, что ученые стали искать связь между электрическими искрами и магнетизмом. Но ни пропускание тока через железные стержни, ни воздействие на них искр от лейденских банок ощутимых результатов не дало – железо не намагничивалось, хотя точные современные приборы, пожалуй, почувствовали бы это.

Чуть-чуть отклонялась стрелка компаса в опытах физика Романьози из города Трента, когда он приближал компас к вольтову столбу – электрической батарее. И то лишь тогда, когда по вольтову столбу шел ток. Но Романьози тогда не понял причины такого поведения стрелки компаса.

Честь открытия связи между электричеством и магнетизмом выпала на долю датского физика Ханса Кристиана Эрстеда (1777—1851), да и то случайно. Произошло это 15 февраля 1820 г. вот как. Эрстед в этот день читал лекцию по физике студентам Копенгагенского университета. Лекция была посвящена тепловому действию тока, иначе говоря, нагреванию проводников, по которым протекает электрический ток. Сейчас это явление используется сплошь и рядом – в электроплитках, утюгах, кипятильниках, даже в электролампах, спираль которых добела раскалена током. А во времена Эрстеда такое нагревание проводника током считалось новым и интересным явлением.

а – батарея отключена, стрелка компаса параллельна проводнику; б – батарея включена, стрелка поворачивается перпендикулярно проводнику

Итак, первая случайность состояла в том, что около одного из нагреваемых проводников оказался компас, совершенно не нужный при такого рода опытах. Затем произошла другая случайность – один из студентов, окружавших Эрстеда, заметил, что стрелка компаса отклоняется, когда проводник подключен к источнику тока – электрической батарее (рис. 362). И третья случайность завершила рождение открытия – студент решился указать именитому профессору на, казалось бы, совершенно постороннее, не имеющее к теме лекции никакого отношения явление, и ученый прислушался к реплике ученика.

Жаль, что мы так и не знаем имени того студента – ведь он полноправный соавтор великого открытия – связи между электричеством и магнетизмом, официальным автором которого стал профессор Эрстед.

Эрстед провел целую серию опытов, поясняющих закономерности поведения магнитной стрелки. Было замечено, что протекание тока по проводнику в разные стороны вызывает изменение направления отклонения стрелки компаса. Эрстед заметил также, что такому поведению стрелки не мешала никакая изоляция. Ученый помещал самые различные изоляционные материалы между проводником и компасом, но стрелка отклонялась все так же, и ее отклонение зависело только от направления и силы проходящего по проводнику тока.

И тогда с большой поспешностью Эрстед опубликовал свой знаменитый «памфлет» – четыре страницы текста на латинском языке, понятном тогда большинству ученых. Этот памфлет произвел ошеломляющее впечатление на ученый мир. Опыты Эрстеда стали повторять во многих лабораториях, причем удивлению и восторгу присутствующих не было предела. Свидетели вспоминают, что один их присутствующих на таком опыте встал и взволнованно произнес: «Господа, происходит переворот…»

Награды и почести так и посыпались на Эрстеда. Его выбирают академиком французской академии и награждают призом, учрежденным в свое время Наполеоном Бонапартом за крупные открытия в области электричества, – 3 тысячи золотых франков, назначают членом Лондонского королевского общества и многих других научных обществ. На родине Эрстеда король Фредерик VI наградил его Большим крестом ордена Даннеброг – высшей наградой Дании и разрешил ему основать Политехнический институт. Эрстед открывает в Дании общество для «поощрения научных занятий» и даже начинает выпускать литературный журнал. Между прочим, любовь маститого ученого к литературе не прошла даром и для самой литературы: Эрстед покровительствовал «маленькому Гансу Христиану» – будущему великому сказочнику Андерсену.

Эрстед становится национальным героем Дании и популярнейшим ученым в Европе. Ханс Кристиан Эрстед скончался в 1851 г. в зените своей славы.

Как электромагнит набирался сил?

Одно открытие порождает другое. Только успел Эрстед заметить связь между электричеством и магнетизмом, как в сентябре того же 1820 г. французский физик Д. Араго заметил, что проволока, по которой течет ток, притягивает железные опилки и намагничивает стальные иголки совсем как магнит. В лабораторию Араго как-то зашел А. М. Ампер – ученый, которого мы все знаем хотя бы по единице силы тока, названной в его честь. Ампер предложил свернуть проволоку в спираль, а иголку поместить внутрь спирали. Ученые тут же не медля осуществили эксперимент и были с лихвой вознаграждены за это – игла намагнитилась намного сильнее, чем раньше. Полученная спираль, или трубка, названная впоследствии соленоидом, теперь хорошо известна любому школьнику. Слово «соленоид» в переводе с греческого и означает – «трубкообразный», «в виде трубки». Но гений Ампера не остановился только на создании прибора. Уловив связь между магнитом и соленоидом, Ампер предположил, что внутри магнита существует огромное количество крошечных колец с током. Сейчас уже доподлинно известно, что идея Ампера была верной – роль колец с током играют электроны, вращающиеся вокруг ядер атомов (рис. 363).

Началась новая эпоха в понимании многих физических явлений и процессов, где главные роли играли ток и магнит. И, пожалуй, эти два понятия нигде так тесно не проявляют свою связь, как в электромагните. Соленоид Ампера еще не был электромагнитом в прямом понимании этого слова – там отсутствовал железный сердечник, который и становился самым настоящим магнитом при пропускании тока по виткам проволоки. Сердечник этот во много раз усиливал действие соленоида, делал электромагнит значительно сильнее лучших природных магнитов.

А для того чтобы просто-напросто ввести сердечник в соленоид, понадобилось 5 лет, и открытие это сделал английский механик Вильям Стерджен (1783—1850) в 1825 г.

Биография Стерджена еще раз показывает, что творческий человек не пропадет, в каких бы условиях ни протекали его детство и юность. Такие примеры широко известны нам как среди писателей, художников, музыкантов, так и среди изобретателей и ученых.

Воспитанием маленького Вильяма никто не занимался. Отец его, довольно легкомысленный человек, только и делал, что удил рыбу и забавлялся петушиными боями. Начав было учиться сапожному ремеслу, Вильям вскоре сбежал от своего сурового учителя, который морил его голодом. Юноша работал в полиции, а затем служил в армии. Но во время службы он ухитрялся ставить несложные опыты по физике и химии.

Там же, в армии, произошло событие, оказавшее большое влияние на молодого солдата. Стерджен стал свидетелем необычайной по силе грозы. Огромные ослепительные молнии и грохочущий гром поразили его, и он решил заняться изучением электричества.

Но чтобы читать книги, нужно быть грамотным, и Стерджен начал упорно учиться чтению, письму и грамматике, постепенно осваивал математику, физику, языки, а кроме того, он чертил и с удовольствием ремонтировал часы. И все это в армии с ее дисциплиной, преимущественно по ночам!

Закончив службу в армии, молодой Стерджен купил токарный станок и стал изготовлять физические и электрические приборы. Это произошло в 1820 г., когда были сделаны великие открытия Эрстеда, Араго и Ампера. И 23 мая 1825 г. Стерджен представил Обществу искусств построенный им первый электромагнит.

Это был подковообразный стержень, покрытый для электроизоляции лаком, длиной 30 и диаметром 1,3 см. На этот стержень был намотан всего один слой голой медной проволоки, которая замыкалась на электрическую батарею (рис. 364). При массе 0,2 кг электромагнит Стерджена поднимал железный груз, почти в 20 раз тяжелее. Первый же электромагнит сразу оказался сильнее природных магнитов той же массы.

Правление Общества искусств сумело оценить работу Стерджена. Он был награжден медалью и денежной премией, а прибор выставили в музее. Однако, несмотря на последующие выдающиеся достижения Стерджена, слава и успех так и не пришли к нему. Он умер в бедности и лишениях в 1850 г., причем не сохранилось даже портрета изобретателя первого электромагнита.

Долгое время, вплоть до 1840 г., электромагниты Стерджена были самыми сильными в мире. А потом вперед вышел ученик Стерджена, будущий великий физик Д. Джоуль. Повысив число полюсов электромагнита и рационально расположив их на грузе, он создает конструкцию, способную при собственной массе 5,5 кг поднимать 1,2 т! Важно при этом, чтобы полюса были парными и число их – четным.

Следует сказать, что не любое повышение числа полюсов выгодно. Так, например, «трехлапый» магнит (рис. 365, а) хуже обычного двухполюсного (рис. 365, б), потому что магнетизм каждого из стержней мешает другим. Невыгодно также один крупный магнит составлять из отдельно намотанных мелких.

Электромагниты стали широко применять в промышленности для подъема тяжелых стальных грузов (рис. 366). В 1864 г. в Нью-Йорке построили электромагнит массой 260 кг, «который поднял семерых человек однажды, и сколько он еще может поднять, никто не знает».

Заметим, что электромагнит был не столь уж безопасным подъемным устройством. Стоило только току прекратиться, как электромагнит мгновенно терял силу, и страшный груз сваливался «с неба» на что и кого попало. А причин прекращения тока могло быть предостаточно – порвался провод, выбило предохранитель, случилась авария на станции и т. д. Поэтому в дальнейшем стали поступать иначе.

Витки проволоки стали навивать не на простое железо, а на намагниченный материал – постоянный магнит, причем так, чтобы при пропускании тока размагнитить его. Для подъема груза ток выключали, и постоянный магнит (а сейчас есть очень сильные постоянные магниты) притягивал стальные, железные и чугунные предметы, которые поднимали и переносили на место. А чтобы отпустить груз, подавали ток в витки, и магнит временно размагничивался – полюса постоянного магнита и обмотки соленоида были противоположными! Груз отцеплялся. Когда магниту не надо было работать, ток, конечно, выключали, отодвинув магнит от железных предметов подальше, например, подняв его в воздух.

Подъемные краны с таким магнитом стали значительно безопаснее, им уже не страшны перерывы в подаче тока.

В первой половине XX в. были построены электромагниты, поднимавшие грузы до 75 т. Казалось, что сила электромагнитов может расти бесконечно… Однако получилось так, что выгода от введения Стердженом железного стержня внутрь обмотки стала постепенно исчезать. Пока катушки были малы (вспомним однослойную навивку первого электромагнита), железо сильно увеличивало подъемную силу магнита. Но потом создатели электромагнитов заметили, что с повышением силы магнита его железо как бы насыщается и больше не помогает электромагниту. Начали строить магниты с короткими заостряющимися полюсами, массивным ярмом и огромными катушками, так как эти мероприятия, как оказалось, еще более увеличивали подъемную силу.

Можно, конечно, сделать количество железа в электромагните настолько большим, чтобы не доводить его до «перенасыщения». Американский изобретатель Эдисон, например, предложил построить самый крупный электромагнит в мире, обмотав проволокой скалу из магнитного железняка в американском городе Огдене, массой более чем 100 млн т!

К сожалению, этот смелый и остроумный проект не был осуществлен, иначе легенда о магнитной горе, вытаскивающей гвозди из кораблей, стала бы явью!

Электромагнитные фокусы и мошенничества

Поговорим о «несерьезных» применениях электромагнитов.

Прежде всего, это цирковые фокусы. Еще в конце XIX в. некий дрессировщик показывал «ученого» слона, который якобы мог проделывать в уме сложные математические расчеты и давал правильные ответы. Дрессировщик громко задавал слону вопросы, связанные с любым математическим действием. После этого тот брал хоботом указку и действительно показывал ею на какую-либо цифру на доске перед собой. Цифра эта всегда оказывалась правильной, что должно было свидетельствовать о высокой математической подготовке слона и о том, что он понимает вопрос, произнесенный на человечьем языке.

Разгадка этого трюка проста. Под каждой цифрой на доске был прикреплен электромагнит. Математические действия, задаваемые слону, проделывал сам дрессировщик или его ассистент, который и замыкал обмотку электромагнита, лежащего под соответствующей цифрой. Слону только оставалось брать в хобот железную указку и водить ею возле доски с цифрами. Когда указка приближалась к включенному электромагниту, она сама, без малейшего участия слона, притягивалась к правильной цифре. Сейчас бы любой школьник догадался об обмане, а сто с лишним лет назад не так уж широко были известны электромагниты и их свойства, что и вызвало сенсационный успех слона-математика.

Тем более совершенно неведомы электромагнитные явления были в это время народам Африки. Это позволяло европейцам легко мистифицировать их несложными фокусами. Один из таких фокусов, «доказывающий» преимущество белых людей над местным населением, показывал французский фокусник Роберт Гудэн. Об этом небезобидном фокусе, который достаточно помог французам в завоевании Алжира, красочно рассказывает сам Роберт Гудэн.

«На сцене находится небольшой окованный железный ящик с ручкой на крышке.

Я вызываю из зрителей человека посильнее. В ответ на мой вызов выходит араб среднего роста, но крепкого сложения, представляющий собой аравийского геркулеса. Выходит он с бодрым и самонадеянным видом и, немного насмешливо улыбаясь, останавливается около меня.

– Подойдите сюда, – сказал я, – и поднимите ящик.

Араб нагнулся, поднял ящик и высокомерно спросил:

– Больше ничего?

– Вы теперь слабее женщины. Попробуйте снова поднять ящик, – ответил я.

Силач, несколько не устрашаясь моих чар, опять взялся за ящик, но на этот раз ящик оказывает сопротивление и, несмотря на отчаянные усилия араба, остается неподвижным, словно прикованный к месту. Араб пробует поднять ящик с такой силой, которой хватило бы для поднятия огромной тяжести, но все напрасно».

Под ковром, на котором стоял ящик, был установлен сильный электромагнит, а сам ящик, или, по крайней мере, дно его, было железным. Француз легко поднимал ящик потому, что электромагнит в это время выключался. Зная, в чем дело, араб мог бы легко посрамить француза: подняв ящик в первый раз, поставить его в другое место, подальше от магнита. Но неосведомленность подвела силача.

А вот случай, когда в положении обманутого оказалось зарубежное военное ведомство, и обманул его некий шарлатан-изобретатель. Он, в отличие от других шарлатанов, не скрывал своего изобретения и предлагал в любое время проверить его в работе.

Опыт, который продемонстрировал изобретатель, состоял в следующем. На маленькую щепотку якобы изобретенного им сверхсильного взрывчатого вещества ставилась тяжелая железная чушка. Щепотка подрывалась электрическим разрядом, для чего автор включал рубильник, и взрыв подбрасывал тяжеленную чушку к потолку.

Опыт произвел сенсацию – еще бы, взрывчатки такой силы еще никто не видел. Изобретателю выдали крупную сумму денег на продолжение опытов, и он сбежал.

А секрет объяснялся просто – над чушкой в лаборатории, где проводился опыт, был тайно установлен весьма сильный электромагнит. Включая рубильник, хитрый изобретатель пускал ток в обмотку магнита – и груз подлетал, якобы от силы взрыва. Задержись на мгновение выключение рубильника – чушка «прилипла» бы к магниту, и все поняли бы, в чем дело. Но изобретатель, видно, был ловок на руку…

Автору самому в юношестве пришлось сыграть со знакомыми похожую шутку, конечно, более безобидную. Детство и юношество автора протекали в Тбилиси, где восточная игра нарды была, наверное, еще более популярна, чем наш традиционный «козел». Не было двора, чтобы там по вечерам, а то и днем, окруженные толпой болельщиков, игроки не резались в нарды. Игра нехитрая, но все счастье игрока зависит от счета выброшенных игральных костей. Особенно ценятся две шестерки, или ду шаш, как их называют на Востоке. Восточная пословица даже говорит: «Что делать хорошему игроку в нарды, если вовремя ду шаш не выпадет?»

Автор не был хорошим игроком, более того, был, видимо, плохим игроком, так как решил выигрывать не ценой бесчисленных тренировок, а… знанием физики. Хотя такое применение знаний можно назвать и достаточно резким словом, но желание победить сделало свое дело.

Автор просверлил в игральных костях отверстия под закрашенными в черный цвет углублениями точно напротив шестерки, вставил туда кусочки гвоздя и снова залил точки краской. Никто не мог заметить подвоха. А в свои нарды автор вставил под середину доски маленький электромагнит с питанием от батарейки. Играть автор соглашался только на своих «счастливых» нардах. Таким образом, автор мог в любое время выкинуть рекордные ду шаш, гарантируя себе победу. Вся хитрость состояла в незаметном нажатии скрытой кнопки в нардах – кости намертво становились в положение ду шаш. Что и говорить – славу автор заработал огромную. Сразиться приходили лучшие нардисты квартала и уходили посрамленные. Коварство «магнитных» нард заключалось не только в том, что автор мог в любой момент организовать себе ду шаш. В нардах встречаются и такие моменты, когда хуже ду шаш счета и придумать нельзя, – фишки не ставятся в соответствующее положение и ход вообще теряется, игрок становится беззащитным. Нужно только представить отчаяние игрока – противника, которому автор «подсовывал» дефицитный ду шаш в то время, когда он ему совсем не нужен.

К счастью, автор догадался вовремя прекратить фокусы и уйти из спорта непобежденным. А также уничтожить все магнитные нововведения в древнюю игру, чтобы уйти к тому же физически не побитым.

Как холод помог магниту?

В конце XIX – начале XX вв. ученым удалось перевести в жидкость все без исключения газы и даже чемпиона среди них – гелий. Температура кипения его всего на 4,2 °C выше абсолютного нуля, равного минус 273,16 °C. Сейчас у ученых и инженеров принято измерять температуру не в градусах Цельсия, а в градусах Кельвина, которые берут отсчет от абсолютного нуля, при этом 0 К= – 273,16 °C. Температура кипения жидкого гелия, стало быть, будет 4,2 К (значок «°» при измерении в градусах Кельвина в отличие от градусов Цельсия не пишется).

Честь получения жидкого гелия принадлежит голландскому ученому Гейке Каммерлингу-Оннесу, и с его же именем связано явление, имеющее непосредственное отношение к магнитам, – явление сверхпроводимости. Сверхпроводимость должна совершить в технике настоящую революцию, немалая роль в которой будет принадлежать сверхпроводящим магнитам.

В начале XX в., а точнее, до 1911 г. и открытия сверхпроводимости, ученые совершенно не знали, как поведут себя проводники тока, в первую очередь металлы, при их охлаждении.

Какая-то часть ученых считала, что электрическое сопротивление проводников с понижением температуры будет постоянно падать, и при температуре абсолютного нуля могло бы исчезнуть совсем. (Такое явление назвали сверхпроводимостью). Но так как абсолютный нуль практически недостижим, то и сверхпроводимости, стало быть, реально не получить. Другие настаивали на том, что и при абсолютном нуле какое-то сопротивление останется из-за дефектов в кристаллах металлов. А третьи и вовсе утверждали, что при приближении к абсолютному нулю сопротивление проводников возрастает. И все это доказывали теоретическим путем.

А Каммерлинг-Оннес своим ставшим знаменитым опытом показал, что и те, и другие, и третьи неправы, а результат таков, какой и ожидать-то трудно было.

Весной 1911 г. ученый решил заморозить ртуть в недавно полученном им жидком гелии. Гелий этот сохраняли в сосуде, который придумал англичанин Дьюар и который впоследствии назвали его именем.

В сосудах Дьюара одинаково хорошо хранятся и холодные, и горячие предметы, в том числе и жидкости, так как они хорошо ограждены вакуумом от поступления тепла снаружи и выхода его изнутри. А зеркальный слой делает невозможным передачу тепла лучами.

Итак, в сосуд Дьюара, содержащий жидкий гелий, была помещена трубочка со ртутью, которая тотчас же там замерзла, а затем Каммерлинг-Оннес пропускал через ртуть ток и замерял электрическое сопротивление, так же, как это делают сегодня радиотехники и электрики. Сопротивление столбика ртути с понижением температуры падало, пока эта температура не снизилась до 4,12 К. При этой температуре сопротивление скачком исчезло совсем! Да об этом никто даже подозревать не мог!

Добросовестный ученый многократно изменял условия опыта: то брал загрязненную ртуть, то утончал и удлинял столбик ртути, чтобы сопротивление стало заметнее, но результат был все тот же: сопротивление равно нулю!

И, наконец, через два года Каммерлинг-Оннес проделывает решающий опыт, для которого уже не важна точность измерительных приборов. Он изготавливает из свинцовой проволоки обмотку и дает импульс тока. Свинец тоже оказался сверхпроводником, причем уже при 7,2 К. Если хоть какое-то, пусть даже ничтожное сопротивление есть, то ток в обмотке очень быстро, за доли секунды угаснет. Ток в обмотке не угасал совсем!

Итак, сверхпроводимость открыта! И не при недоступном абсолютном нуле, а при реальных температурах.

Для тех, кто не верит тому, что сопротивление сверхпроводника действительно равно нулю, можно рассказать об интересном и поучительном опыте, поставленном американским физиком С. Кол-линсом.

Он изготовил сверхпроводящее кольцо, как и Каммерлинг-Он-нес, поместил его в жидкий гелий и пустил по нему ток. В серебряном кольце, например, этот ток затух бы за несколько десятых долей секунды, а ведь серебро – лучший из известных проводников. А в кольце Коллинса угасания тока за 10 лет установить не удалось. Не менее 100 тысяч лет нужно для того, чтобы самыми точными приборами заметить это угасание!

Дотошные физики подсчитали, что до полного затухания тока, когда его уже нельзя будет измерить приборами, пройдет время, в миллиарды миллиардов раз большее, чем время существования нашей Вселенной! Это ли не полное отсутствие сопротивления? Да и то говорят, что такое заключение ученые вынесли необоснованно – некоторое, ничтожное затухание тока наблюдается из-за растяжения кольца, по которому течет этот ток. Известно, что текущий по кольцу ток создает магнитные силы, стремящиеся разорвать кольцо.

Так вот это растяжение и связанное с ним падение напряженности магнитного поля ошибочно принимали за затухание тока. В действительности ток в сверхпроводящем кольце будет течь вечно, и мы получим вечный электромагнит!

Скандал и сенсация в физике сверхпроводимости

Научные авторитеты, оказывается, могут двигать науку не только вперед и назад, но даже останавливать на месте на десятилетия. Именно это и произошло в 30-е гг. XX в. с изучением и практическим использованием такого важного явления, как сверхпроводимость.

В 1911 г. голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес неожиданно открывает явление сверхпроводимости, когда при сильном охлаждении, почти до абсолютного нуля, электрическое сопротивление некоторых металлов падает до нуля.

Но природа, которая так побаловала ученого неожиданным открытием, здесь подготовила ему неприятный сюрприз. Пока ток в сверхпроводящей обмотке был небольшим, все было хорошо. Но как только ток возрастал, он уничтожал саму сверхпроводимость. И это не все. Магнитное поле, порожденное током в обмотке, даже небольшое, 1 000 – 1 500 эрстед, также убивала сверхпроводимость. И тут произошла, пожалуй, самая досадная история, буквально скандал в изучении и применении сверхпроводников. Известный и авторитетный физик того времени В. Кеезом теоретически доказал, что при наличии магнитного поля даже самые малые токи будут «выключать» сверхпроводимость. Это была ошибка Кеезома.

Авторитет известного физика сыграл свою роль, и все поверили, что о мало-мальски пригодных сверхпроводящих магнитах не может быть и речи. Работы в этом направлении были прекращены, и ученые занялись другими, более практичными, с их точки зрения, проблемами. А зря! Были потеряны десятки лет, а убыток в деньгах трудно даже и оценить. Но в дальнейшем природа преподнесла нам приятный сюрприз.

Настоящая сенсация произошла в 1986 г., когда швейцарские физики Д. Беднорц и К. Мюллер объявили о создании ими сверхпроводников при температурах, выше температуры кипения жидкого азота (77,4 К!). Сообщение это было настолько шокирующим, что научные журналы поначалу отказывались его печатать.

Жидкий азот чрезвычайно дешев, как говорят, даже дешевле лимонада, он является побочным продуктом при производстве кислорода, и его просто нередко выливают, выбрасывают. Получить сверхпроводимость при «азотных» температурах было мечтой исследователей и инженеров, казалось, неосуществимой. Отсюда и тот бум, который поднялся после этого сообщения. Сейчас ученые уже перешли от восторгов к делу, начались планомерные исследования в области высокотемпературной сверхпроводимости, в том числе и у нас в стране. В результате получены материалы, приобретающие свойство сверхпроводимости при 100—110 К. Были сообщения о материалах, теряющих электросопротивление почти при обычных температурах нашей средней полосы – от – 20 до +10 °C. Но, как оказалось, это была не сверхпроводимость, а просто сильное, в сотни и тысячи раз, снижение сопротивления, что хоть и хорошо, но коренным образом отлично от сверхпроводимости.

Что же это за материалы, обладающие столь заманчивыми свойствами?

В отличие от низкотемпературных сверхпроводников это не металлы, а керамика, чаще всего на основе элементов иттрия и бария. Сама процедура изготовления сверхпроводящей керамики необыкновенно проста и, как выразился один известный физик, «удивительно дуракоустойчива».

Сами компоненты, входящие в состав новых сверхпроводников, хотя и называются редкоземельными, отнюдь не редкость. Они входят в состав полиметаллических руд, но за отсутствием спроса до сих пор оттуда не извлекались, а шли в отвал. Так что теперь нужно наладить переработку отвалов этих руд.

Где же можно применить новые сверхпроводники? С силовыми применениями сверхпроводников пока придется подождать. Зато уникальные свойства сверхпроводимости, не связанные с большими токами, можно уже начинать использовать. Например, в микроэлектронике и вычислительной технике новые сверхпроводники можно применять уже прямо сейчас, поскольку большие токи там не требуются.

Попытки использовать сверхпроводники для нужд микроэлектроники и вычислительной техники были и раньше, разработали даже некоторые элементы (сверхпроводящий ключ, сверхпроводящая ячейка памяти – криотрон), но широкому их распространению мешала высокая стоимость охлаждения до рабочей температуры. Необходимость же охлаждать до азотной температуры проблемы не представляет. Более того, это даже полезно, поскольку одновременно снижается уровень шумов.

Природа своими подарками еще не полностью искупила высокомерную ошибку Кеезома и наше преклонение перед авторитетами науки. Мы можем с уверенностью ждать скорого появления уже «силовых» сверхпроводников, работающих при обычных для нас температурах. Что мы можем от этого получить, пока даже трудно себе представить!

Как Фарадей перехитрил Ампера?

Тут нам снова надо вернуться в XIX в., к знаменитым опытам Фарадея (1791—1867). Сразу после опытов Эрстеда, где электричество порождало магнетизм, Фарадей записал в своем дневнике девиз: «Превратить магнетизм в электричество». 11 лет Фарадею это не удавалось. Много лет подряд ученый постоянно носил с собой спираль из медной проволоки и железный сердечник, проделывая с этими предметами самые невероятные манипуляции. Но ничего путного не выходило, и в его лабораторном журнале «О возбуждении электричества посредством магнетизма» снова появлялась запись: «Никакого результата». Каждому опыту Фарадей посвящал особый параграф, и последний параграф в журнале помечен номером 16041!

Баснословная работоспособность и одержимость Фарадея была наконец вознаграждена, и 29 августа 1831 г. он «напал на след». Весь сентябрь и октябрь были сплошным повторением в разных вариантах одного и того же опыта, который положил начало всему электромашиностроению. Вот как описал этот опыт сам Фарадей в своем журнале:

«Я взял цилиндрический магнитный брусок и ввел один его конец в просвет спирали из медной проволоки, соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок (рис. 367). Затем я также быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался…» Дальше следовал гениальный вывод ученого: «Это значит, что электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое».

1 – гальванометр; 2 – магнитный брусок; 3 – спираль из медной проволоки

Сейчас мы отлично понимаем, что если положить магнит около обмотки или даже вдвинуть его в спираль и оставить там, то ожидать появления тока при неподвижном магните равносильно вере в появление энергии из ничего. Действительно, лежит себе магнит внутри обмотки, ничего не теряет, а там течет ток, совершая работу хотя бы на нагрев этой обмотки. Так и до «вечного двигателя» недалеко! Правда, как мы уже видели, такой случай возможен, когда обмотка сверхпроводящая – там ток, возникший при введении магнита, будет течь вечно – потерь-то никаких нет! А ведь такого же эффекта в те времена ждали, и не кто-нибудь, а сам Ампер и, возможно, поначалу и Фарадей.

Одновременно с Фарадеем опыты по вдвиганию магнитных сердечников в проволочную спираль проводил и Ампер. Чтобы избежать влияния магнита на чувствительный гальванометр и Фарадей, и Ампер помещали прибор в другую комнату. При этом Ампер сначала помещал сердечник внутрь спирали и потом уже шел в соседнюю комнату проверить, не появился ли ток. Но, увы, спираль была изготовлена не из сверхпроводника, а из обычной медной проволоки, и ток практически мгновенно затухал, стоило сердечнику прекратить движение. А Фарадей поручил наблюдение за прибором ассистенту, который и заметил появление тока во время движения магнита. Казалось бы, что стоило Амперу воспользоваться чьей-либо помощью или, на худой конец, поставить гальванометр в другом углу той же комнаты и самому наблюдать за ним!

Такие досадные случаи достаточно часты в истории науки, что и дало повод великому немецкому физику Герману Гельмгольцу воскликнуть: «И от этих случайных обстоятельств зависело великое открытие!»

Это изречение Гельмгольца в полной мере относится и к самому Фарадею. Еще за 9 лет до открытия им электромагнитной индукции (а именно так стали называть возбуждение магнитом электричества) Фарадей был необычайно близок к нему.

Наблюдая за проволокой с током, проделывая с ней замысловатые манипуляции, Фарадей неожиданно обнаружил, что магнит начинает движение вблизи проволочки с током. Сохранился собственноручный рисунок Фарадея, иллюстрирующий этот опыт (рис. 368). В чаше с налитой туда ртутью плавает магнитик. Ртуть подсоединена к одному полюсу источника тока, причем в той же ртути находится конец проволочки, подсоединенный к другому полюсу. Когда электрическая цель замыкалась через ртуть, магнитик или конец проволоки приходили во вращение. Эта была первая униполярная электромашина, принципа действия которой тогда не понял сам автор. И не в этом дело – работу такой машины ученые смогли объяснить лишь гораздо позже.

Но так или иначе, именно Фарадей связал магнит и движение, получив и первый электромотор – магнит вращается при пропускании тока, – и первый электрогенератор – обмотка дает ток при движении около нее магнита. Начало эры электромашиностроения, без которого немыслима современная техника, было положено!

Что вращает самовращатель?

После замечательных открытий Фарадея оставался лишь один шаг до создания электромашин.

Что же такое электромашины? Это моторы, преобразующие электрический ток в механическое движение, и генераторы, выполняющие обратную задачу – превращения механического движения в электрический ток.

Первый в мире электромотор создал Фарадей, причем принцип его действия долго оставался непонятным, да и сейчас его понимают только специалисты по униполярным машинам. Но уже электромагнитный самовращатель венгерского изобретателя Аньоша Едлика, построенный им в 1828 г., напоминает современные коллекторные электродвигатели, работающие обычно на постоянном токе. Такой ток дают, например, гальванические батареи или аккумуляторы.

Принцип работы самовращателя Едлика заключается в автоматическом перемагничивании электромагнита таким образом, чтобы его полюса поменялись местами, в зависимости от положения этого электромагнита. Едлик поместил электромагнит с сердечником на острие опоры, как стрелку компаса, а оба конца его обмотки опустил в две полукруглые чашечки со ртутью, изолированные друг от друга. К одной чашечке был подключен положительный полюс батареи, а к другой – отрицательный. Чашечки со ртутью играли роль обычных токосъемников, только с гораздо меньшим трением. Над электромагнитом находилась обмотка, подключаемая к источнику тока. В принципе эту обмотку вполне можно было бы заменить обычным постоянным магнитом, что мы для простоты и сделаем. Можно было вообще обойтись без этого магнита, памятуя, что сама Земля тоже магнит, и что как стрелка компаса, так и электромагнит на ее месте установятся во вполне определенном положении – от одного полюса к другому.

Если электромагнит Едлика при подаче в него тока уже находился в таком положении, ничего не изменится – он только еще более утвердится в таком положении, и сдвинуть его с места будет трудно. Но если электромагнит находился в произвольном положении, то при подаче в него тока он развернется, чтобы занять устойчивое – от полюса к полюсу – положение. Однако чашечки со ртутью расположены так, что, подойдя к своему устойчивому положению, электромагнит оказывался переключенным. Концы обмоток перескакивали в другие чашечки, полюса электромагнита менялись местами, и, проскочив по инерции устойчивое положение, он снова стремился занять его, но уже новое, под углом 180° к предыдущему. При подходе к этому новому устойчивому положению, все повторялось, и электромагнит постоянно вращался (рис. 369).

1 – электромагнит; 2 – обмотка; 3 – изоляция

В дальнейшем ртутные полукольца были заменены медными пластинами, концы обмоток несли на себе графитовые контакты – щетки, но принцип действия электромотора остался тем же. Разве только число полюсов вращающегося электромагнита – якоря или ротора – увеличили, увеличилось и число медных пластин на концах обмоток, и их стали объединять в коллектор. Две пластины на коллекторе остались разве только у самых маломощных моторчиков для игрушек или моделей. Потом постоянные магниты на неподвижной части электромотора – статоре – заменили на электромагниты и получили почти то, что мы видим в электромашинах сегодня. На некоторых из машин постоянного тока, правда, остались постоянные магниты – где для простоты, где для экономичности – их ведь не надо питать током (рис. 370).

Если мы подаем в такую электромашину ток, ротор или якорь начинает вращаться, передавая вращение валу. Если мы сами вращаем вал электромашины, то можем снимать со щеток или с обмоток статора ток. Не все электромашины одинаково хорошо работают в режимах как электромотора, так и генератора. Например, автомобильный стартер для запуска двигателя – типичный электромотор, но он никуда не годится как генератор. А современный автомобильный генератор – такой же негодный электромотор. Но есть электромашины, одинаково хорошо работающие и как мотор, и как генератор, их называют обратимыми.

Чаще всего такими бывают электромашины постоянного тока. Подключим небольшой электромоторчик с постоянным магнитом, хотя бы от детской электрифицированной игрушки, к батарейке. Его ротор станет вращаться, совершая работу, например поднимая груз. А теперь подсоединим к моторчику вместо батарейки лампочку от карманного фонаря и отпустим груз падать. Падая, груз вращает ротор моторчика, ставшего на время генератором, и лампочка зажигается (рис. 371, а). В этом опыте проявилось свойство обратимости электрических машин. Это свойство достаточно широко используется в технике, в частности при накоплении и выделении энергии, ее рекуперации.

Электромашины, как моторы, так и генераторы, пригодные для практического использования, появились сразу же после открытия Фарадея (рис. 371, б). Причем создание первого генератора практически современного типа, связано с событием, скорее похожим на легенду, чем на быль. Но тем не менее случай этот был в действительности.

Через несколько недель после открытия явления электромагнитной индукции некто принес в патентное бюро конструкцию генератора с постоянными магнитами, подписавшись лишь инициалами П. М. Для того времени конструкция эта была неожиданной и новой. Ведь первые электромашины старались делать похожими на паровые машины – с коромыслами, золотниками, кривошипами и шатунами. Но конструкция машины П. М., ее основные черты, по отзыву академика М. П. Костенко, «…были настолько правильны, что на много лет определили конструкции машин позднейших изобретателей». К сожалению, так и не удалось установить личность этого таинственного П. М.

В 1838 г. электромоторы появились на первом электромобиле, родившемся гораздо раньше первого автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Он был построен англичанином Р. Девидсоном в Лондоне и там же опробован.

В том же 1838 г. российский инженер Б. С. Якоби установил электромотор своей конструкции на катер длиной 8,5 и шириной 2,1 м, в котором помещалось 16 человек. Катер произвел сенсацию при испытаниях на Неве в Санкт-Петербурге, так как мог двигаться не только по течению реки, но и против. Не следует забывать, что мощность двигателя была всего 0,5 кВт, ничтожная по сегодняшним меркам. Питался электрокатер, как и электромобиль, от гальванических элементов.

С тех пор основы конструкции электромашин постоянного тока принципиально не менялись.

Куда бежит магнитное поле?

Как ни хороши были электромоторы постоянного тока, применяемые, кстати, и сейчас во многих случаях, но не всем. Очень ненадежен был узел коллектора со щетками: он искрил, часто выходил из строя, да и стоил недешево. Это побудило ученых искать способ «бесколлекторной» работы моторов и генераторов, и такой способ был найден. Это помогли сделать переменный ток и бегущее магнитное поле.

Поначалу, когда ток получали от гальванических батарей, о переменном токе и не слыхали. Но знаменитый опыт Фарадея позволил получить именно переменный ток: когда магнит начинали вдвигать в катушку, ток возникал, а потом, при прекращении движения магнита, ток прекращался. Если двигать магнит туда-сюда непрерывно, получаем самый настоящий переменный ток, причем без каких-либо коллекторов, прямо от катушки. Это хорошо, но есть и неудобства – не очень-то просто двигать магнит туда-сюда, гораздо легче вращать его (рис. 372).

Так и было сделано. Взяли три катушки с сердечниками, расположили их по кругу под углом 120°, а внутри круга стали вращать магнит – постоянный или электрический, что, впрочем, дает один и тот же результат. При приближении полюса магнита к катушке в ней возникал (индуцировался) ток, точно так же, как в опыте Фарадея. Магнит можно было вращать очень быстро, что позволяло получать достаточно большие токи. Так был изобретен генератор переменного трехфазного тока – каждая катушка давала свою фазу (рис. 373). Ток в этих фазах возрастал и падал попеременно, тоже со сдвигом 120°. Что касается мотора, который можно питать таким трехфазным током, то он принципиально ничем не отличается от генератора. Такие же катушки, такой же магнит – ротор. Катушки генератора соединяются проводами (можно за тысячи километров!) с катушками мотора, и происходит следующее.

Когда полюс магнита генератора проходит мимо какой-либо катушки, в ней возникает наибольший ток, который намагничивает соответствующую катушку мотора. Именно к этой катушке стремится тот же полюс магнита мотора, и если ему не очень мешать, то он будет в точности повторять вращение магнита генератора. Мы получили синхронный мотор (двигатель), т. е. такой, в котором ротор-магнит движется синхронно ротору-магниту генератора (рис. 374). В некоторых случаях, когда, например, нужно точно передать поворот вала генератора на большое расстояние, такой мотор очень полезен. Но чаще всего вращение ротора-магнита встречает большие сопротивления, и он может остановиться, сбиться с ритма.

Чтобы этого не случалось, русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский в 1888 г. придумал несинхронный, или, как его сейчас называют, асинхронный мотор, где ротор может отставать от вращающегося магнитного поля. Представим себе, что вместо постоянного магнита ротор состоит из катушки, совсем такой, как у мотора постоянного тока, только с накоротко замкнутым коллектором. Собственно говоря, коллектор тут просто не нужен, а витки катушки можно настолько упростить, что выполнять их в виде стержней, соединенных кольцами по концам. Конструкция такого ротора получила самое большое распространение и была названа короткозамкнутой, так как действительно каждый стержень-виток ее замкнут накоротко (рис. 375, а). И еще из-за поразительного внешнего сходства такого ротора с беличьим колесом-клеткой, которая тоже вращается, когда белка бежит по ней, ротор так и назвали – беличье колесо (рис. 375, б, в, г). Эти два названия одинаково прижились к ротору асинхронной машины, чрезвычайно широко распространенной в технике. Реже встречаются машины, где ротор действительно имеет обмотки-катушки.

Итак, вращающееся магнитное поле неподвижных катушек-статора мотора начинает индуцировать электричество в обмотках или стержнях неподвижного ротора, превращая их в электромагниты. Те, в свою очередь, ведут себя так, как и положено вести себя магниту-ротору, – он увлекается магнитным полем статора и начинает вращаться.

Вот тут-то и видна разница между синхронным и асинхронным моторами. Если в первом магнит-ротор точно повторяет вращение магнитного поля, то во втором такое повторение в принципе невозможно. Если ротор с обмотками станет вращаться с той же скоростью, что и магнитное поле, то наступит момент, когда в обмотках уже не будет индуктироваться ток, так как не будет относительного движения магнитного поля и обмоток. Ротор тогда, полностью размагнитившись, начинает отставать от вращающегося магнитного поля, но не тут-то было. При отставании снова начинается относительное вращение ротора и поля, снова ротор становится магнитом и снова начинает догонять магнитное поле.

В результате ротор асинхронного мотора всегда отстает от вращающегося магнитного поля, и это отставание тем больше, чем больше сопротивление вращению ротора. А в целом это отставание невелико и для короткозамкнутых моторов не превышает нескольких процентов. Схема подключения в сеть и основные детали асинхронного электродвигателя показаны на рис. 376.

Статор может быть и цилиндрическим, и кольцевым. Можно «разрезать» беличье колесо, выпрямить его, расположив вдоль прямой, совсем как рельсы со шпалами. Шпалы в этом случае будут играть роль стержней, а рельсы – замыкающих их колец. Поставим на эти рельсы тележку, в которой установим катушки точно так же разрезанного и выпрямленного статора. Пустим ток в катушки статора, и получим уже не вращающееся, а бегущее магнитное поле, которое будет стремиться сдвинуть вперед или назад шпалы-стержни выпрямленного ротора. А так как сдвинуть путь всегда труднее, чем поехать самому по этому пути, то тележка с катушками поедет по пути, движимая бегущим магнитным полем.

Так был создан линейный электродвигатель, получивший большое распространение сейчас и очень перспективный для будущего – ведь все поезда на магнитной подвеске приводятся в движение именно линейными электродвигателями, и так предполагается в будущем. Линейные электродвигатели движут скоростные лифты небоскребов, точные механизмы перемещения станков, разгоняют самолеты для их ускоренного запуска с кораблей-авианосцев.

Электричество – без машин?

Оказывается, для выработок электроэнергии совсем не обязательны электромашины. И, как почти всегда в электротехнике, все начиналось с Фарадея…

В один из дней 1832 г. лондонцы, оказавшиеся на мосту Ватерлоо, были заинтересованы необычным зрелищем. Группа людей, среди которых можно было увидеть знаменитого физика Фа-радея, занималась тем, что погружала в воду Темзы два медных листа, подключенных проводами к гальванометру. Прибор стоял на столике посреди моста, а возле него находился сам ученый, отдававший распоряжения своим помощникам. Фарадей считал, что если воды реки, текущей с запада на восток, пересекают, хотя бы частично, магнитное поле Земли, то они подобны проводникам, пересекающим магнитное поле магнита. А в этом случае, как доказал сам Фарадей, в проводнике возникает электрический ток. Медные листы, между которыми, как между металлическими берегами, текла вода Темзы, должны были соединить эти водяные проводники с гальванометром, и передать на него возникающий ток.

Однако, увы, опыт не удался. Тем не менее 1832 г., когда Фарадей задумал и обосновал этот опыт, с полным основанием можно считать годом рождения магнитогидродинамического генератора. Название этого генератора состоит из трех слов – магнит, гидро (вода) и динамика (движение) – и означает получение электричества при движении воды в магнитном поле.

Почему же не удался опыт Фарадея? Прежде всего потому, что вода Темзы оказалась не таким уж хорошим проводником электричества. Были, конечно, и другие причины – очень уж мала напряженность магнитного поля Земли.

Но до практического использования магнитогидродинамических (сокращенно – МГД) генераторов было еще далеко.

Правда, в 1907—1910 гг. были выданы первые патенты на использование МГД-генерирования электричества с применением ионизированного газа вместо жидкости. Это большой шаг вперед, ведь ионизированный газ, обычно нагретый до температуры 2 500 – 3 000 °C – широко распространенные продукты сгорания многих топлив. Стало быть, появлялась надежда непосредственного преобразования теплоты сгорания топлива в электричество, без сложных машин со многими движущимися частями. Но дальше патентов дело не пошло – ученые не вполне представляли себе происходящие процессы, да и материалов, способных работать в газовой среде при температуре 2 500 – 3 000 °C, тогда не было.

Но вот в 1944 г. шведский ученый Ганнес Альвен, изучая поведение космической, заполняющей межзвездное пространство плазмы в магнитном поле, вывел основные законы новой науки – магнитной гидродинамики. И космическая наука тотчас же была освоена на Земле и использована для создания работоспособных МГД генераторов.

С первого взгляда эти генераторы устроены достаточно просто. В камере сгорания сжигается топливо, и в сопле, похожем на ракетное, продукты сгорания (газы), расширяясь, увеличивают свою скорость до сверхзвуковой. Это сопло находится между полюсами сильного электромагнита, а внутри сопла, на пути раскаленных газов, установлены электроды (рис. 377).

Магнитное поле «сортирует» отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы газа, направляя их по разным траекториям. Эти потоки заряженных частиц вызывают появление электрических зарядов на соответствующих электродах, а если их соединить, то и электрический ток.

Действительно, в МГД генераторе нет движущихся частей, если, конечно, сам газ не считать частью машины. Но узких мест тоже немало.

Прежде всего газ, нагретый даже до 2 500 °C – это еще низкотемпературная плазма. Он полностью ионизируется при температурах примерно вчетверо больших. Эта плазма проводит ток в миллиарды раз хуже, чем медь, и даже хуже, чем вода в Ла-Манше. Но эта трудность оказалась преодолимой с помощью присадок из щелочных металлов, прежде всего калия. В раскаленный газ вносят немного, около 1 % калия в виде его дешевого соединения – поташа, и в десятки тысяч раз увеличивают электропроводность плазмы.

Далее. Ведь стенки сопла, а главное, электрода, должны длительно работать при 2 500 – 3 000 °C, а электроды, кроме того, еще и хорошо проводить электрический ток. Материалов, способных длительно противостоять таким температурам, да еще в присутствии агрессивных паров калия, пока не создано.

Чем же так привлекательны МГД генераторы, если при их создании идут на заведомые трудности? Оказывается, высоким коэффициентом полезного действия. Повышение КПД тепловых электростанций хотя бы на 1 % – это целое событие. Для более экономичной работы тепловых машин нужно в первую очередь повышать температуру рабочего тела: в современных тепловых электростанциях им является пар. Но она и так уже велика – около 700 °C, и каждый лишний градус дается отчаянным трудом. Еще бы – лопатки и диски паровых турбин, готовых разорваться от собственного вращения, нагревают до 700 °C. От этого их прочность отнюдь не увеличивается. А создание еще более жаропрочных материалов очень и очень сложно. Поэтому максимальный КПД тепловых электростанций сейчас всего 45—47 %. Повышение же температуры рабочего тела (газа) до 2 500 – 3 000 °C обеспечит рост КПД не менее чем на 20 %. Это революция в энергетике! Есть за что бороться, ради чего создавать жаростойкие материалы для стенок сопла и электродов!