Электромагниты в научных лабораториях

Глава, в которой описываются трудности, встретившиеся конструкторам магнитов, причем одни из этих трудностей оказались болезнями роста, а другие вызваны были не учтенными раньше физическими явлениями. В конце главы рассказывается немного о разделении изотопов, мазерах и, наконец, об "антикамере Вильсона" - пузырьковой камере, которая за короткое время из стеклянного баллончика превратилась в солидный лабораторный корпус.

Электромагниты в научных лабораториях

Перед тем как электромагниты стали широко использоваться в промышленности, на транспорте и во множестве других областей, их, естественно, испытывали в лабораториях. И прежде чем перейти к периоду, когда электромагниты стали средством исследования, такими, как сейчас, интересно вернуться к тем временам, когда магниты были объектом исследования, когда очевидное было не таким очевидным, когда электромагнит был скорее диковинкой, к которой неизвестно как подступиться.

Сейчас трудно себе представить, насколько тяжело было тогда проектировать магниты. Ведь даже закон Ома инженерам в то время не был известен.

Когда немецкий электротехник Георг Симон Ом положив на стол ректора Берлинского университета свою диссертацию, где впервые сформулирован этот закон, без которого невозможен ни один электротехнический расчет, он получил весьма резкую резолюцию. В ней говорилось, что электричество не поддается никакому математическому описанию, так как "...электричество - это собственный гнев, собственное бушевание тела, его гневное я, которое проявляется в каждом теле, когда его раздражают..."

...Ректором Берлинского университета был в те годы Георг Фридрих Вильгельм Гегель...

Первые магниты были сделаны "как бог на душу положит". Однако не любая форма давала хороший результат. Случайно получилось так, что Стерджен в первом же своем магните угадал очень удачную форму - подковообразные магниты изготовляются до сих пор. Отсутствие опыта и элементарной методики расчета магнитов привело к тому, что некоторые формы магнитов, изготавливавшиеся в то время, были, на теперешний взгляд, просто абсурдными.

Так, трехлапый магнит, изображенный на рисунке, не мог бы успешно работать, так как магнитные потоки каждого стержня в большой мере противодействуют друг другу - поток одного стержня должен замкнуться по второму стержню, где он действует встречно собственному потоку этого стержня.

Негодной, на современный взгляд, оказывается и очень часто употреблявшаяся конструкция, в которой один магнит составлен из трех более мелких и намотанных отдельно. Ясно, что в промежутках между этими маленькими магнитами магнитные поля двух соседних стержней будут уничтожать друг друга.

Лабораторные магниты того периода изготовлялись на глазок. Никакой теории, которая позволила бы заранее предсказывать свойства магнитов, не существовало. Первый вклад в теорию магнита внесли русские ученые Ленц и Якоби, указавшие на связь подъемной силы электромагнита и произведения силы тока в катушках на число витков.

После Ленца и Якоби крупный вклад в теорию расчета магнитов внесли англичане братья Гопкинсоны, которые предложили метод учета "насыщения" - явления, давно замеченного проектировщиками магнитов. Это явление заключается в том, что в магните заданной формы после некоторого предела нельзя никаким увеличением тока в катушках увеличить его подъемную силу. Современная теория связывает это явление с тем, что при достижении известного намагничивающего тока все ранее расположенные беспорядочно элементарные магнитики (диполи) железа (ферромагнетика) оказываются ориентированными в одном направлении и при дальнейшем усилении намагничивающего тока увеличения числа магнитиков, ориентированных в одном направлении, не происходит.

Как не надо строить магниты. Типичные ошибки первых создателей электромагнитов

Насыщение стали привело к тому, что напряженность магнитного поля первых магнитов не превышала 20000 гаусс.

Наступала новая эра усиления мощности магнитов, но не путем увеличения их размеров, а путем совершенствования их формы и борьбы с насыщением.

Нельзя сказать, чтобы эта борьба была очень успешной. За сто лет этой напряженной войны физиков с непокорным "насыщающимся" железом индукция поля в магнитах возросла всего лишь в два с половиной раза.

Над этой проблемой работали видные физики и электротехники - Фарадей, Беккерель, Томсон.

Что могли физики противопоставить природе? Только очень точный учет и полное использование природных свойств материалов. И вот появляются магниты с короткими коническими полюсами, массивными стальными магнитопроводами и громадными катушками.

Магниты быстро прибавляют в весе - теперь в большей степени за счет катушек. Если в 1881 году самый большой в мире лабораторный магнит весил около тонны, то в 1930 году уже около ста двадцати тонн.

Первым отметку "50 000 гаусс" пересек в 1903 году профессор Грей из Глазго. Ему удалось это сделать, применив мощные катушки, близко придвинутые к коническим полюсам.

Интересная идея была предложена профессором Перо в 1914 году: он предложил, кроме двух обычных катушек, располагаемых на полюсах, использовать третью, охватывающую собой рабочую зону машин. Перо достиг 51 000 гаусс.

Профессор Беккерель в Парижском музее естественной истории смог добиться к 1914 году лишь 55 000 гаусс; три других самых мощных магнита того времени - Вейсса в Цюрихе, Кайзера в Бонне и Эймса в США - работали на уровне 45 000 гаусс.

Нужно отметить, что создание Беккерелем магнита с индукцией свыше 50 000 гаусс было воспринято физиками всего мира как крупная сенсация. "Гигантский", "мощнейший",- писали об этом электромагните газеты. Всего лишь десятипроцентное увеличение поля стоило многих трудов и ухищрений. Однако самая главная роль в достижении этого поля принадлежала использованию для полюсов нового материала - сплава железа с кобальтом, который насыщается при индукции, на несколько процентов большей, чем ранее использовавшиеся материалы. Потребляя 22 киловатта мощности, электромагнит создавал в междуполюсном промежутке поле 55 000 гаусс. При замене феррокобальтовых наконечников железными поле снизилось до 52 000 гаусс.

Если расстояние между полюсами составляло 2 миллиметра и полезный объем - 14 кубических миллиметров (то есть объем, в который можно было поместить лишь небольшой образец), то достигнутое поле составляло 59 000 гаусс. Когда объем рабочего поля был уменьшен до 0,5 кубического миллиметра (полюса по сути дела прикасались), поле возросло до 65 000 гаусс. Электромагнит был обмотан тысячью витков медной трубки, по сечению которой шел ток, а по полости - охлаждающая вода.

Магнит охлаждался так хорошо, что мог работать хоть круглые сутки. Другие магниты, не имевшие искусственного охлаждения, не могли за счет сильного нагрева работать подряд более двух часов.

Одна из систем охлаждения турбогенераторов. По трубкам, встроенным внутри обмотки, пропускает водород

Беккерель хотел при помощи этого магнита уточнить экспериментально некоторые неясные места теории Зеемановского эффекта. "Хорошо известно,- говорил Беккерель,- что в этом явлении есть еще кое-что непонятное - это кое-что вызвано недостатком зоркости наших инструментов". С помощью нового мощного магнита Беккерель хотел повысить эту "зоркость", сделать более отчетливыми неясные места теории.

Несмотря на то что все физики могли видеть, с каким трудом были получены дополнительные 5000 гаусс, некоторые из них полагали, что весь вопрос в стоимости и размерах. Сделать магнит колоссальным, вложить в него массу денег - и можно получить сколько угодно гаусс.

Надежды на то, что электромагнит гораздо большей мощности, возможно в миллион гаусс (эрстед), можно будет построить в ближайшие годы, выразили на Международном конгрессе электриков в 1914 году Гийом, директор международного бюро мер и весов, и Перрен - сорбоннский профессор физики. Они полагали, что по стоимости электромагнит будет равен военному дредноуту (12-14 миллионов долларов) и потребует для создания нескольких лет.

Однако даже такой ценой не удалось бы повысить индукцию электромагнитов до миллиона гаусс (эрстед). Даже сейчас такое длительное поле является недостижимой мечтой для физиков.

И виновно в этих "разбитых мечтах" не в последнюю очередь насыщение.

В тридцатых годах в Белле-Ви, под Парижем, вступает в строй самый большой и тяжелый из всех когда-либо построенных лабораторных магнитов. Этот магнит был построен с целью изучения магнетизма Французской Академией наук. Его отличительной особенностью, кроме громадного веса, явилось введение полюсных наконечников из особого сплава - пермендюра, который имеет несколько большую индукцию насыщения, чем сталь. Это позволило достичь большего поля. Но и оно составляло лишь 52 000 гаусс при произведении силы тока на количество витков, равном 500 000. Длина магнита - 630 сантиметров, высота - 275 сантиметров, вес - 120 тонн.

В 1934 году в университете шведского города Уппсала вступает в строй новый мощный магнит. Он отличается от французского магнита тем, что полюсы имеют значительно большую конусность, а катушки и сам полюс имеют меньшую высоту. Этот электромагнит, рассчитанный Дрейфусом, оказался гораздо эффективнее французского. Он весит лишь 30 тонн, но с его помощью можно достигнуть в том же объеме индукции, равной примерно 58 000 гаусс. В этом магните полюса притягиваются друг к другу с силой более 60 тонн.

С тех пор было построено много мощных магнитов, но парижский и уппсальский до сего времени остаются рекордсменами - первый по весу, второй - по эффективности.

Сейчас почти каждая физическая лаборатория имеет электромагнит: магниты используются для изучения свойств веществ в сильных полях, испытания новых материалов, в современных уникальных измерительных приборах, в квантовой электронике, при исследовании взаимодействий атомных частиц, для медицинских и биологических исследований.

Эти магниты выпускаются за рубежом и в нашей стране серийно специальными фирмами. Они не являются рекордными, однако с их помощью можно при небольшом весе магнита (порядка тонн) получить в довольно значительном объеме поле в 40 000 - 50 000 гаусс, нужное для исследований. По сравнению с парижским или уппсальским магнитами они кажутся просто крошками.

К сожалению, нам не пришлось стать свидетелями использования магнита гораздо более грандиозного, чем уппсальский или парижский.

Самый грандиозный исследовательский магнит, который, однако, не был построен, был предложен знаменитым американским изобретателем Т. А. Эдисоном. В начале девяностых годов прошлого столетия он предложил создать необычайно мощный приемник, который бы регистрировал электромагнитные процессы на Солнце. Проект заключался в следующем. В городе Огдене, штат Нью-Джерси, есть отвесная скала из магнитного железняка, весящая не менее ста миллионов тонн. Если бы обмотать эту скалу большим количеством проволоки так, чтобы скала играла роль гигантского сердечника колоссального электромагнита, то с помощью этого электромагнита, в силу его большой индуктивности, можно было бы следить за изменением магнитного состояния Солнца.

Сейчас, конечно, в таком магните нет необходимости. Электромагнитные процессы и Солнце можно хорошо изучать с помощью радиотелескопов и других приборов, хотя и громоздких, но все-таки в тысячи раз более легких и удобных, чем "магнитная скала" в городе Огдене. Однако для своего времени идея Эдисона была удивительно смелой и передовой.

Пример еще более смелой, но, однако, неправильной идеи можно взять из рассказа А. И. Куприна "Тост", действие которого происходит в 2906 году. Вот что сделали, по словам Куприна, ученые из "Электроземной магнитной ассоциации".

"Они решили обратить земной шар в гигантскую электромагнитную катушку и для этого обмотали его с севера до юга спиралью из стального троса длиною около четырех миллиардов километров, на обеих полюсах они воздвигли электроприемники и соединили все уголки земли бесчисленным множеством проводов".

Грандиозность этой идеи не оправдывается здравым смыслом. Каждому школьнику известно, что электричество в катушке может возникать лишь при изменении магнитного поля, которое ее пронизывает. Эдисон хотел наблюдать именно за изменениями магнитного поля солнца. Поскольку магнитное поле земли подвержено лишь весьма незначительным изменениям, вряд ли из этого грандиозного магнита можно было бы извлечь электроэнергию и вообще какую-нибудь пользу.

Для чего же служат магниты в физических лабораториях?

Они применяются для исследования поведения веществ, помещенных в сильные поля, для исследования гальваномагнитных, термомагнитных, магнитострикционных явлений, для получения сверхнизких температур (всего лишь на тысячную градуса выше абсолютного нуля) методом адиабатического (то есть без обмена теплом между телом и окружающей средой) размагничивания. Они применяются для квантовых генераторов - мазеров и для анализа частиц по их массе в магнитных масс-спектрометрах.

Труднейшей задачей для физиков является также разделение изотопов различных элементов. Изотопы, как известно,- это атомы одного и того же элемента, в ядрах которых содержится одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Следовательно, массы ядер изотопов различны, и их орбиты при движении в магнитном поле тоже различны. Траектории движения более тяжелых ядер меньше искривлены, вследствие чего легкие и тяжелые ядра движутся в магнитном поле по разным орбитам. В сильном магнитном поле могут быть разделены даже очень "похожие" изотопы.

Магниты широко используются для исследования элементарных частиц. Однако сейчас речь пойдет не об ускорителях, а о тех приборах, которые позволяют исследовать продукты бомбардировки мишеней пучком частиц ускорителей.

Все еще со школьной скамьи знают, как устроена камера Вильсона - один из наиболее важных инструментов исследователя ядерных процессов. Камеры Вильсона обычно заполняются влажным очищенным воздухом. Если в нее попадает частица с высокой энергией, эта частица разрушает атомы, попавшиеся на ее пути, вырывая из них наиболее слабые электроны. Таким образом позади частицы образуется положительно заряженная дорожка. Положительные ионы, образующие эту дорожку, могут стать центрами осаждения из воздуха водяных паров. Для того чтобы этот процесс происходил интенсивней, воздуху в камере Вильсона дают возможность внезапно расшириться. Ионы "следа" начинают обволакиваться капельками воды и образуют видимый туманный след, напоминающий след реактивного самолета в небе. Этот след можно наблюдать и фотографировать. Частица, размеры которой невозможно себе вообразить, становится видимой!

Камера Вильсона позволяет прослеживать столкновение частиц, образование новых частиц и является незаменимым орудием физиков-атомников.

Но вот беда: как по следу реактивного самолета в небе невозможно определить тип самолета, так и по следу частицы в камере Вильсона невозможно точно сказать, какая частица его оставила.

Выход из этого положения был найден советским физиком П. Л. Капицей, опубликовавшим в 1923 году в журнале Кембриджского философского общества небольшую статью, в которой Петр Леонидович описал некоторые свои эксперименты по наблюдению треков α-частиц в камере Вильсона.

Установка П. Л. Капицы отличалась тем, что камера Вильсона была помещена у него в сильное магнитное поле. Что это давало? Мы уже знаем о том, что в магнитном поле любая заряженная частица движется по кривой, радиус которой обратно пропорционален величине магнитного поля и прямо пропорционален массе частицы.

Таким образом, зная напряженность магнитного поля и замерив радиус трека частицы в камере Вильсона, мы можем узнать ее массу и энергию.

Идея П. Л. Капицы нашла многих приверженцев. Среди них был и американец К. Андерсон. Андерсон изготовил в 1932 году камеру Вильсона, размещенную внутри крупного электромагнита со стальным сердечником и полем около 20 000 эрстед. Полюса магнита были сконструированы таким образом, что создаваемое магнитное поле было совершенно однородным, то есть во всех точках камеры Вильсона была одинаковая напряженность. Это давало возможность более точно определять энергию частицы. Андерсон, кроме энергии, интересовался еще и знаком заряда частицы. При заданном направлении магнитного поля и известном направлении движения частицы, положительно заряженные, будут отклоняться в одну сторону, а отрицательно заряженные - в другую.

Исследуя вильсонограммы (так называются фотографии следов в камере Вильсона) космических лучей, Андерсон внезапно увидел совершенно поразительную вещь - частица, по импульсу аналогичная электрону, отклонялась магнитным полем так, как если бы она была заряжена положительно. С другой стороны, Андерсон твердо знал, что электрон так отклоняться в магнитном поле не может, поскольку он обладает отрицательным зарядом и должен отклоняться в противоположную сторону.

Противоречия можно было бы примирить, если бы приписать этому "электрону" положительный заряд. Существование такого "антиэлектрона", обладающего положительным зарядом, было предсказано в 1928 году совсем молодым английским физиком Полем Дираком из анализа квантовых уравнений движения электрона.

Частица, открытая Андерсоном, оказалась антиэлектроном, или, как его теперь называют, позитроном. Это была первая попавшая в руки человека частица из антимира. Ее открытие было бы крайне затруднительно без магнитного поля, без притяжения мощного магнита. Так, академик Д. В. Скобельцын, напавший на след позитрона гораздо раньше Андерсона, упустил его, поскольку магнит Скобельцына давал поле лишь в 3000 эрстед.

Камера Вильсона была незаменимым лабораторным устройством до тех пор, пока энергии изучаемых в ней частиц были относительно невелики. Но в пятидесятых годах в СССР, США и других странах вступил в строй ряд гигантских ускорителей, способных сообщать частицам колоссальную энергию. Эта энергия была столь велика, что частицы беспрепятственно пронизывали камеру Вильсона и почти не отклонялись магнитным полем. Это и не удивительно - камеры Вильсона заполнены газом, почти не представляющим собой преграды для частиц. Для того чтобы исследовать частицы, необходимо было исследовать их по-другому.

Это "по-другому" было найдено американцем физиком Дональдом Глезером, учеником Андерсона. И если Андерсон открыл позитрон - антиэлектрон, то заслуга Глезера была не меньшей - он открыл "антикамеру Вильсона" - пузырьковую камеру.

Поучительна история этого открытия. Поучительна потому, что она еще раз убедительно показывает, что человек, одержимый какой-то идеей, способен увидеть в известных вещах только ему одному понятные намеки и ассоциации, приводящие в конце концов к радостному крику: "Эврика!"

Дональд Глезер в течение долгого времени мучительно искал материал - твердый или жидкий, находящийся в таком неустойчивом равновесии, которое могла бы разрушить даже одна-единственная атомная частица. В этом случае частица, непредставимо эфемерная, могла бы оставить за собой видимый глазом след, который состоял бы, например, из пузырьков испарившейся жидкости. Временами Глезер терял надежду - слишком ничтожной казалась вероятность испарить энергией единственной частицы хоть сколько-нибудь заметное количество жидкости.

Однажды Глезеру попалась на глаза тридцатилетней давности статья Ф. Кенрика, К. Гильберта и К. Визмера о странной жидкости - диэтиловом эфире, нагретом до 140°С. "Странность" этой жидкости заключалась в том, что при этой температуре жидкость обязательно бурно вскипала, однако всегда через различные промежутки времени. Проведя тридцать экспериментов, авторы убедились в том, что промежутки времени перед вскипанием этой "капризной" жидкости образовывали ряд, соответствующий закону случайных событий.

Как говорят романисты, "догадка пронзила мозг" Глезера. Он засел за расчеты, которые уверенно показали, что частота вскипания жидкости в точности соответствует возможности попадания в колбу космических лучей - то есть отдельных атомных частиц с высокой энергией! Так была открыта первая жидкость, пригодная для использования в пузырьковой камере, за издание которой Дональд Глезер через несколько лет получил Нобелевскую премию.

Пузырьковая камера действительно может быть названа "антикамерой Вильсона" - если в камере Вильсона след частицы составлен капельками жидкости, осевшими на ионизированных атомах, то в пузырьковой камере, наоборот, след состоит из пузырьков газа, образовавшихся в исходной жидкости за счет тепла, выделенного при образовании "энергичной частицей" заряженных ионов. В пузырьковой камере применяют органические жидкости или ожиженные газы. Полезные объемы пузырьковых камер различны - от долей литра до сотен литров. Соответственно различаются и магниты, используемые с этими пузырьковыми камерами. Например, для советской фреоновой камеры диаметром 115 сантиметров и глубиной 50 сантиметров изготовлен магнит с полем 26 500 эрстед. Этот магнит весит семьдесят две тонны.

Миниатюрный моторчик д'Эйнса. Рядом с моторчиком - булавочная головка

Существуют еще более крупные камеры и магниты. В США построена, например, жидководородная пузырьковая камера объемом в 600 литров. В Советском Союзе, в Дубне, недавно пущена крупнейшая в мире пропановая камера диаметром в 2 метра. Эта камера установлена на одном из антипротонных каналов дубненского синхротрона.

Самая крупная французская пузырьковая камера, двухметровая "Мирабель", вскоре будет установлена на Серпуховском синхротроне, где на ней будет осуществляться совместная работа советских и французских ученых.

А физики составляют новые проекты - ждет своей очереди жидководородная камера диаметром в семь метров для изучения всепроникающей частицы нейтрино.