Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
мы станем свидетелями новых поразительных успехов в этой области.
Успешно решена и задача создания сверхпроводящего магнита, магнитное поле
которого существует при комнатной температуре. Одним из замечательных достижений
на этом пути можно считать разработку и постройку сотрудниками Научно-
исследовательского института электрофизической аппаратуры имени Д.В.Ефремова,
Института атомной энергии имени И.В.Курчатова и Физического института АН СССР
имени П.Н.Лебедева "гибридного" магнита, в котором сверхпроводящий соленоид с
полем при комнатной температуре добавляет свое поле к полю биттеровского медного
водоохлаждаемого соленоида на 15 Тл — суммарное поле составляет 25 Тл.
На Международном симпозиуме по сильным магнитным полям в Осаке, проводившемся в
1982 г., группа американских исследователей (Л.Рубин с сотрудниками) сообщила,
что им удалось построить гибридный электромагнит на 30 Тл.
Победа над деградацией и решение технической задачи охлаждения сверхпроводников
до сверхнизких температур позволили ученым создать уникальные сверхпроводящие
магнитные системы для исследования плазмы, магнитогидродинамических (МГД)
установок, пузырьковых камер. В качестве примера упомянем построенный в США
сверхпроводящий магнит, который может создавать магнитное поле 4 Тл в
цилиндрическом объеме диаметром 20 см и длиной около 1,5 м. В сеерхпроводящем
магните для пузырьковой камеры достигнуто поле 7 Тл в объеме диаметром 18 см.
Созданы сверхпроводящие магнитные системы с магнитным полем около 3 Тл и рабочим
объемом диаметром до 5 м.
При покорении холодного мира сверхпроводников ученым пришлось заново решать
множество проблем, считавшихся решенными. Например, какой источник тока годится,
чтобы питать сверхпроводящее устройство? Если речь идет о сравнительно небольших
токах, то в принципе годятся привычные батареи, генераторы или аккумуляторы.
Однако ток, который можно пропустить по сверхпроводнику сечением 1 мм2,
составляет 1000 А, что более чем в 100 раз больше тока, пропускаемого через
медный проводник такого же сечения. Это колоссальное преимущество
сверхпроводников обернулось для инженеров новой трудностью. Ведь этот ток нужно
получить от генератора, работающего при комнатной температуре, а уж потом по
проводам передать в криостат с жидким гелием, где помещается сверхпроводящий
магнит. Сечение проводов, по которым передается ток (а они несверхпроводящие),
должно быть по крайне мере в 100 раз больше сечения сверхпроводника. По такому
большому сечению, как через широко раскрытые ворота, тепло из комнаты (в полном
соответствии с законом Фурье) лавиной устремится в криостат, гелий мгновенно
выкипит, а сверхпроводимость исчезнет.
Вот почему перед конструкторами встала задача создать такие устройства, которые
генерировали бы большие токи не вне криостата, а внутри него. Это удалось
сделать, использовав особые свойства сверхпроводников, например их диамагнетизм.
Именно диамагнетизмом объясняется показываемый иногда в физических лабораториях
опыт с "парящим магнитом". Описания парящего магнита не сходят со страниц книг,
посвященных физике низких температур. Впрочем, не только этих…
"…Я немного прошелся между скалами, небо было совершенно ясно, и солнце жгло
так сильно, что я принужден был отвернуться от него. Вдруг стало темно, но
совсем не так, как от облака, когда оно закрывает Солнце. Я оглянулся назад и
увидел в воздухе большое непрозрачное тело, заслонявшее солнце и двигавшееся по
направлению к острову… По мере приближения ко мне этого тела оно стало мне
казаться твердым; основание же его было плоско, гладко и сверкало ярко, отражая
освещенную солнцем поверхность моря…"
То, что увидел Лемюэль Гулливер, "сначала хирург, а потом капитан нескольких
кораблей", было летающим островом. В его толще на алмазных опорах был установлен
магнит, который, отталкиваясь от некоей субстанции находящейся в толще Земли,
создавал подъемную силу!
Вряд ли Свифт предполагал, что через двести лет московский физик В.К.Аркадьев
воплотит эту "безумную" идею почти в том же виде, хотя и в несколько ином
масштабе. В его опыте небольшой магнит висел без какой-либо поддержки над
свинцовой пластинкой. Эксперимент этот, называемый тогда "гроб магомета" (по
преданию, гроб с телом пророка Магомета висел в пространстве без всяких опор),
был проведен при температуре, весьма близкой к абсолютному нулю, когда свинец
становится сверхпроводником. Модификацию опыта Аркадьева реализовал по
предложению В.И.Ожогина в Институте атомной энергии имени И.В.Курчатова молодой
ученый А.В.Инюшкин. "Теплый" магнит висит над сверхпроводящим кругом из свинца,
спрятанным в сосуд Дьюара из нержавеющей стали. Для нас в этих опытах особенно
важно то, что он демонстрирует идеальный диамагнетизм некоторых
сверхпроводников. В диамагнитное тело не могут приникнуть силовые линии
магнитного поля: диамагнетик является для силовых линий магнитного поля
непреодолимой преградой, стеной, непроницаемой плоскостью.
Диамагнетизм сверхпроводников — это поверхностный эффект, распространяющийся на
глубину порядка 0,001 мм. Поверхность сверхпроводника превращается в
своеобразное "магнитное зеркало", отражающее силовые линии внешнего магнитного
поля. Можно считать, что и оригинал — падающий магнит, и отражение его в
"магнитном зеркале" обладают абсолютно идентичными магнитными полями. Под тем
местом, где у оригинала находится северный полюс, возникает отражение северного
полюса. Эти полюсы отталкиваются до тех пор, пока не устанавливается равновесие;
сила отталкивания магнита и его "двойника" становится равной массе магнита.
Принцип магнитного зеркала может найти многочисленные применения. Например, в
электронных микроскопах, где пучок электронов фокусируется магнитным полем,
фольга из сверхпроводника позволит до такой степени повысить разрешающую
способность микроскопа, что станут различимыми отдельные атомы.
Магнитные свойства сверхпроводящего и нормального состояний проводника настолько
различаются, что можно говорить о двух разных материалах. Из этого, в частности,
следует, например, что сверхпроводящее кольцо вовсе не должно иметь дырку —
отверстие в обычном механическом смысле. Сверхпроводящая пластинка, не имеющая
отверстий, может считаться в магнитном отношении кольцом, если хотя бы в одной
ее точке, не соприкасающейся с краем, сверхпроводимость нарушена.
Несверхпроводящую, или "нормальную", зону в сверхпроводнике можно создать
различными способами: нагревать его в какой-либо точке до температуры,
превышающей критическую, сделать сильным местное магнитное поле; освещать узким
пучком света небольшую область сверхпроводника (в последнем случае
сверхпроводимость также теряется вследствие выделения тепла).
Если воспользоваться тем, что расположение нормальной области ("отверстия") на
поверхности сверхпроводника легко менять, можно создать накопитель магнитного
потока, или, как его иногда называют, топологический генератор. Особенно
примечательным в этой конструкции является то, что постоянный ток снимается с
неподвижной части устройства. По сути дела, это устройство есть бесколлекторный
генератор постоянного тока, принципиальная неосуществимость которого была
многократно доказана. В настоящее время в советских, американских и голландских
лабораториях работают многие сотни таких "неосуществимых" устройств.
К числу устройств, считавшихся невозможными, относится и трансформатор
постоянного тока. Получить постоянный ток во вторичной обмотке
несверхпроводящего трансформатора действительно невозможно. Если подать на его
первичную обмотку постоянный ток, то во вторичной обмотке появится слабый
импульс тока, но он быстро затухает вследствие электрического сопротивления
вторичной обмотки.
Если же вторичная цепь трансформатора будет сверхпроводящей, то при подаче тока
в первичную обмотку во вторичной наведется ЭДС, вызывающая ток, который не может
затухнуть даже тогда, когда уже нет вызвавшей его ЭДС. С помощью таких
трансформаторов постоянного тока удавалось, подавая в криостат с жидким гелием
небольшой ток по тонким проводникам, трансформировать его, доводя до 25 тыс. А.
