Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
"бессиловых" обмоток, где используются принципы наложения противоположно
направленных сил.
Разработано большое число бессиловых и малосиловых обмоток. Бессиловые обмотки —
это последняя надежда физиков на получение устойчивых полей в неразрушающихся
обмотках в том случае, если не будут открыты более прочные и тугоплавкие
материалы.
Сильные магнитные поля при разрядке мощных конденсаторных батарей на
биттеровский соленоид, иногда запеченный для прочности в керамику, или на
отдельный виток сейчас широко используются для создания полей 20…70 Тл.
Значительным техническим достижением является создание в Институте атомной
энергии имени И.В.Курчатова (С.Х.Хакимов с сотрудниками) соленоида нового типа,
представляющего собой цельноточеную спираль из бериллиевой бронзы. Этот
импульсный магнит создает в зоне диаметром 8 см магнитное поле 30 Тл.
А не существует ли способа получения сильного магнитного поля, основанного не на
внезапном обрушивании на соленоид громадной энергии, а на каком-то ином
принципе? Советские электротехники Г.А.Бабат и М.С.Лозинский в 1940 г.
опубликовали статью, в которой высказали идею о "концентраторе" потока.
Эту идею легко понять. Представим себе разрезанную трубку с током, со стороны
разреза замкнутую металлическим поршнем. Внутри трубки ток создает магнитное
поле, характеризующееся густотой магнитных силовых линий, т. е. числом их,
приходящимся на единицу площади сечения внутренней области трубки. Что
произойдет, если поршень внезапно ввести во внутреннюю область трубки?
Внутреннее сечение трубки резко сократится. Так как число силовых линий,
сцепленных с трубкой, мгновенно измениться не может, плотность их в
уменьшившемся сечении столь же резко возрастет. Следовательно, возрастут и
магнитная индукция, и напряженность магнитного поля.
Таким образом, принцип "концентрации" потока сводится к тому, что поле
относительно небольшой напряженности создается сначала в большом объеме, затем
сечение магнитного потока резко сокращают — поле резко возрастает.
Хауленд и Фонер, используя идею Г.А.Бабата и М.С.Лозинского, создали
концентратор без механического сокращения рабочей зоны магнита. Выяснилось, что,
поместив внутри соленоида массивный виток с небольшим внутренним диаметром,
можно также добиться эффекта концентрации: при импульсе тока во внешней обмотке
в массивном витке наводятся вихревые токи, которые вытесняют магнитный поток к
центральному отверстию массивного витка. С помощью концентраторов получено
магнитное поле 45 Тл, в то время как в соленоиде без массивного витка поле более
30…35 Тл получить весьма трудно.
В других экспериментах получено магнитное поле 20 Тл в значительном объеме
(примерно равном объему стакана). В этот объем вставлялись толстые фотоэмульсии
для исследования ядерных процессов. Батарея конденсаторов при этом имела массу
более 30 т.
Вершиной, венчающей все исследования в области сверхсильных магнитных полей,
явилась серия экспериментов, проведенных несколько лет назад советскими физиками
под руководством академика А.Д.Сахарова.
Рассматривая идею концентрации магнитного потока и понимая, что эффект
концентрации тем выше, чем быстрее произойдет "схлопывание" зоны концентрации,
можно прийти к выводу, что этот эффект будет наиболее успешным в том случае,
если схлопывание произвести с помощью взрывчатых веществ.
Если внутри замкнутого массивного витка каким-то образом создать магнитное поле,
то затем, сжимая виток с помощью кумулятивного взрыва, можно добиться того, что
плотность магнитного поля внутри суженного витка сильно возрастет. Это
происходит в силу того обстоятельства, что магнитный поток, сцепленный с каким-
то контуром, не может мгновенно изменяться. Аналогичные идеи были позже
опробованы и американскими физиками в Лос-Аламосской лаборатории.
Устройство, использованное в советских экспериментах, схематически изображено на
рис. 6. Первоначальное магнитное поле 100 Тл создается при помощи устройства,
также работающего на взрывном принципе. Металлическое кольцо-виток диаметром
7,5…10 см окружают 4…8 кг взрывчатки. Когда внешнее поле достигает
максимума, взрывчатку подрывают и кольцо за 0,000001 с, т. е. со скоростью 4
км/с, сужается до 0,4 см.
В процессе схлопывания советскими физиками было замерено магнитное поле 2500 Тл,
а американскими — 1460 Тл. (Это рекордное магнитное поле было получено путем
последовательного использования двух взрывных, или магнитокумулятивных,
генераторов МК-1, МК-2. Второй из них использовался для создания "запального"
поля, которое затем охлопывалось генератором МК-1.) Дальнейшие измерения поля
были невозможны, поскольку во время схлопывания диаметр кольца уменьшался
настолько, что оно раздавливало датчик, с помощью которого производили
измерения. Весь процесс длился миллионные доли секунды.
А.Д.Сахаров считает, что достигнутое поле — не предел. Используя другие
взрывчатые вещества, например ядерные заряды, можно получить магнитные поля,
равные 10000 Тл. Такие поля существуют лишь в недрах планет и звезд. Давление
магнитного поля растет пропорционально квадрату его напряженности, поэтому при
достижении столь сильных полей будут развиваться и соответствующие давления.
Проведение экспериментов при одновременном сочетании столь сильного поля и
давления имеет чрезвычайно большое значение для изучения, например, процессов,
происходящих внутри планет и звезд, при гравитационном коллапсе сверхзвезд и
т. п.
Применяют ли импульсные поля в технике? Перспективы технического использования
импульсных полей весьма многообещающи, хотя эта область техники пока делает свои
первые шаги.
С помощью магнитного импульсного поля, например, наклепывают защитную
металлическую трубку на стальной трос. Давление, развиваемое импульсным полем,
настолько велико, что трубка придавливается к негладкой поверхности троса с
такой плотностью, какую невозможно получить другим способом.
Точно так же можно использовать электромагнитные усилия, возникающие в мощных
магнитных полях, для штамповки деталей, запрессовки проводящих элементов в
изоляционные втулки и других технических целей. Сверхсильные магнитные поля, по-
видимому, найдут применение в дальней космической радиосвязи, при изучении
элементарных частиц и свойств плазмы.
Быть может, наиболее грандиозный и смелый проект использования импульсных полей
в физических исследованиях — проект, в котором предлагается применять крупный
магнитокумулятивный генератор для получения заряженных частиц с колоссальной
энергией. Чтобы разогнать частицы до энергии 1012 эВ, в качестве заряда
потребуется использовать ядерное устройство. Взрыв предполагается осуществить в
камере объемом 104 м3, находящейся на дне шахты глубиной 1 км. Удивительно, что
это, казалось бы, безумно дорогое устройство должно быть значительно дешевле
обычного ускорителя, дающего частицы с той же энергией.
Биттер: "секрет — в охлаждении"
В этом рассказе о соленоидах речь пойдет о скульпторе, занявшемся физикой; о
"проклятой" формуле, выведенной в 1898 г.; о соленоидах, которые требуют
охлаждения воздухом, водой, керосином. Здесь же придется вспомнить о магните —
"грейп-фруте" и магните из жидкого серебра.
Когда Ампер согнул проволоку колечком, которое назвал соленоидом, ему достаточно
было пропускать по виткам ток в несколько ампер, который нагревал проводник, но
выделенное тепло легко отбиралось воздухом комнаты. Почти сто лет воздушный
океан сообщал свою температуру проводникам, через которые пропускали
электрический ток, но наконец пробил час, когда охлаждающих возможностей
атмосферы оказалось недостаточно. И тут в истории магнитов уместно вспомнить имя
Френсиса Биттера.
Биттер (1902…1967) родился в городе Виховкин, в штате Нью-Джерси, в семье
известного американского скульптора. Тогда Виховкин еще не был превращен в
мрачный придаток громадного порта Нью-Йорка, а представлял собой раскинувшийся
на живописных зеленых холмах открытый восточным теплым ветрам маленький городок.
Казалось, все способствовало тому, чтобы Френсис стал скульптором: творчество
отца, склонность к занятиям искусством, прекрасные каменоломни по соседству,
