Мир магнитен. Магнитен от гигантских далеких туманностей до элементарных частиц. Человека пронизывают мириады магнитных полей различного происхождения.

Мы привыкли к магниту и относимся к нему чуточку снисходительно, как к устаревшему атрибуту школьных уроков физики, порой даже не подозревая, сколько магнитов вокруг нас. В нашей квартире десятки магнитов: в электробритве, динамиках, магнитофоне, в банках с гвоздями, наконец. Сами мы – тоже магниты: биотоки, текущие в нас, рождают вокруг причудливый пульсирующий узор магнитных силовых линий. Земля, на которой мы живем, – гигантский голубой магнит. Солнце – желтый плазменный шар – магнит еще более грандиозный. Галактики и туманности, едва различимые радиотелескопами, – непостижимые по размерам магниты.

Свойство магнита притягивать некоторые предметы и в наши дни не потеряло своей чарующей таинственности. Еще не родился и, наверное, не родится никогда человек, который мог бы сказать: «Я знаю о магните ВСЕ». Почему магнит притягивает? – этот вопрос всегда будет внушать необъяснимое волнение перед прекрасной таинственностью природы и рождать жажду новых знаний и новых открытий. В данной книге читатель тоже не найдет полного ответа на этот вопрос. И основная причина – необъятность проблемы магнита.

И все же человек знает о магните очень много. Во всяком случае, вполне достаточно, чтобы заставить его служить себе.

Термоядерный синтез, магнитогидродинамическое генерирование электроэнергии, ускорение заряженных частиц в синхротронах, электроэнергетика – это области, где требуются грандиозные, невиданные ранее по размерам и силе магниты. Проблема создания сильных, сверхсильных, ультрасильных и еще более сильных магнитных полей стала одной из основных в современной физике и технике.

Ученые начали понимать сущность таинственных проявлений магнетизма. Благодаря этому появились новые материалы, новые магниты, новые удивительные устройства. Кажется, магнит, еще недавно непонятный и непокорный, уже начинает «беспрекословно подчиняться» приказам проникшего в его тайны человека. По этому поводу уместно вспомнить слова поэта: «Никто не выполнит приказа точнее, чем Солнце, если приказать ему утром встать с востока» (Велимир Хлебников).

Века не принесли полной разгадки, но многое уже познано, и все понятое позволяет неизмеримо превзойти то, что даровала природа. Не понимая полностью сути процессов, приводящих к притяжению магнитом других тел, люди тем не менее научились сами создавать такие магниты, которые могут поспорить с уникальными творениями природы.

Автору хотелось, чтобы путешествие в мир магнитов и их историю было интересным читателю, ведь в этом мире есть потери и находки, радость открытий и горечь разочарований, годы бесплодных раздумий и мгновения ослепительного прозрения.

Автору хотелось, чтобы читатель прочувствовал то беспокойство, которое владеет физиками и инженерами: от магнитов зависит очень многое, и они должны быть все мощнее.

Автору хотелось, чтобы читатель, закрыв книгу, другими глазами посмотрел на ставшие привычными магниты, поверил в интригующую таинственность их природы, узнал о масштабности выполняемой ими работы и почувствовал величественность их будущего.

Автор выражает благодарность доктору физико-математических наук профессору В.И. Ожогину и кандидату технических наук В.С. Околотину за просмотр рукописи, сделанные замечания и добавления.

Оглавление

В этой главе приводятся древние названия магнита, упоминается о летающей статуе Арсинои и подвергаются сомнению претензии одного итальянского ювелира.

Античный компас. Иллюстрация с сайта pda.lenta.ru

В тенистом уголке одного из самаркандских базаров, пропахших корицей и пловом, еще не так давно можно было встретить древнего старика в белоснежной чалме и тонкой выделки халате, подпоясанном цветастым платком. Все знали его – это был хранитель мечети Шах-и-Занда почтенный Емон Кузи. На базаре он сидел безучастно, разложив перед собой на лотке фигурки фантастических животных, сделанные из рисового теста и раскрашенные лаковыми красками. Иногда на этом же лотке он раскладывал старинные монеты – от медяшек кушанских властителей до царских серебряных рублей – и другие музейные древности. Как-то он показал мне небольшой продолговатый брусок, изрезанный затейливыми узорами. «Это – священная нарса, – сказал он, – Минг йиллар – тысяча лет. Купишь – всегда здоровый, сильный будешь». Я повертел брусок в руках. Он был тяжел и холоден на ощупь. Узоры местами стерлись. Возможно, этому брусочку в самом деле уже тысяча лет. Я поднес к нему лезвие перочинного ножа. Несильный стук – лезвие прилипло к торцу. Так я и думал: узоры – это стершиеся буквы. Буквы составляют заклинание, сам брусок – магнит. Заклинание призвано усилить действие этого «камня любви» – приворотного камня средневековья. Лезвие ножа отрывалось от бруска довольно легко. Это был обыкновенный слабый магнит. Поле на его поверхности – не больше 5...10 мТл*. Уже на расстоянии 1 м стрелка компаса перестает замечать его существование. Сейчас есть магниты гораздо сильнее, но их создание потребовало веков цивилизации. То, что показывал старик, было обработанным и украшенным куском магнетита – материала, встречающегося в некоторых железорудных месторождениях. Такие магниты известны уже много сотен лет. А может быть – тысяч. И я решил по книгам проследить историю магнита.

* Величина магнитного поля в международной системе единиц СИ измеряется в теслах (Тл). В 1 Тл содержится 1000 мТл. Магнитное поле Земли на ее поверхности составляет в среднем 0,05...0,10 мТл; магниты ускорителей создают в зазоре поле порядка 2 Тл. Физики часто пользуются нестандартной системой единиц СГС, в ней интенсивность магнитного поля, или индукция, измеряется много более мелкими единицами – гауссами (10 Гс = 1 мТл).

Итак, литература о магните. Ее оказалось неожиданно много.

Природные магниты, попросту говоря, кусочки магнитного железняка – магнетита (химический состав 31% FeO и 69% Fe₂O₃), не везде назывались магнитами в разных странах их называли по-разному: китайцы называли его чу-ши; греки – адамас и каламита, геркулесов камень; французы – айман; индусы – тхумбака; египтяне – кость Ора, испанцы – пьедрамант; немцы – магнесс и зигельштейн; англичане – лоудстоун.

Добрая половина этих названий переводится как любящий, любовник. Так поэтическим языком древних описано свойство магнетита притягивать, «любить» железо.

...Самые старые «документальные» свидетельства о знакомстве людей с магнитами пришли к нам из Центральной Америки. На городской площади гватемальского городка Демокрасия стоит дюжина древних фигур, найденных при раскопках городища ольмеков. «Толстые мальчики», как их называли за округлость и массивность, – символы сытости, благополучия, плодовитости. Эти скульптуры более трех тысяч лет назад высечены из глыб магнитной породы. Интересно, что магнитные силовые линии как бы выходят из живота «толстяков»! Кстати, кроме «толстых мальчиков», древние ольмеки умели высекать фигуры морских черепах с намагниченной головой, связывая, возможно, способность черепах находить курс в открытом море со свойствами магнита ориентироваться в магнитном поле Земли.

Есть намеки, правда, весьма туманные, на то, что в седой древности знали о магнитах и в Азии, в Китае. Много лет назад китайский фольклорист Су Матзен собрал библиотеку старинных летописей. Вот сведения из этих летописей, посвященные магнитам:

...Идут караваны по бескрайним гобийским пескам. Направо, налево – унылые желтые барханы. Солнце скрыто желтой пеленой пыли. Далек путь из императорских пагод на берегах Янцзы до минаретов кушанских царств. Трудно пришлось бы караванщикам, если бы не было в караване белого верблюда. Белого верблюда с его бесценным грузом. Бесценным, хотя это не золото, не жемчуг и не слоновая кость. Защищенный деревянной резной клеткой, между горбами белого верблюда совершал свой путь через пустыню глиняный сосуд, в котором на пробке плавал в воде небольшой продолговатый кусок намагниченного железа. Края сосуда были выкрашены в четыре цвета (В.И. Ожогин считает, что, скорее всего, цвета были нанесены на саму пробку). Красный обозначал юг, черный – север, зеленый – восток и белый – запад. Глиняный сосуд с кусочком железа в нем был примитивным древним компасом, указывавшим караванщикам путь в бескрайних песках...

...Император Чеу Кун решил отблагодарить послов далекого Юе-Чана (Вьетнама) за белых фазанов – доставленные ими символы дружбы – и подарил им пять колесниц с фигурками, всегда указывавшими на юг. Послы отправились домой, достигли берега моря, миновали много неведомых городов и год спустя прибыли на родину...

Китайский компас. Иллюстрация с сайта www.museum.ru

Возможно, в этих легендах, относящихся к 1100 г. до н. э., содержится первое упоминание о компасе, т.е. полезно использованном магните. Но не исключено, однако, что в процессе многократного перевода и неизбежной реконструкции текстов их технический смысл был искажен. Известный историк физики Я.Б. Дорфман считал, например, что «югоуказатели» на повозках на самом деле были примитивными устройствами для выдерживания колесами любого наперед заданного, в том числе и южного, направления. Ясно, что в этом случае «юго-указатели» не имеют никакого отношения ни к магнетизму, ни к магнитам.

В китайских летописях встречаются описания магнитных ворот, через которые не мог пройти недоброжелатель с оружием, а также магнитных мостовых и прочих применений волшебного камня чу-ши, попросту магнитного железняка.

В другой легенде рассказывается о военной победе императора Хуанг-Ти, одержанной более трех тысяч лет назад. Этой победой он был обязан своим мастерам, изготовившим повозки, на которых были установлены фигурки человека с рукой, вытянутой вперед. Фигурки могли вращаться, но вытянутая рука всегда указывала на юг.

С помощью таких повозок Хуанг-Ти смог в густом тумане напасть на врага с тыла и разгромить его.

Опираясь на сведения, приведенные в древнейших китайских энциклопедиях, можно высказать догадку о том, что между 300 и 400 гг. до н. э. магнитная стрелка использовалась на кораблях.

Если же перейти от легенд к твердо установленным фактам, то компас значительно «помолодеет». Так, в музее хранится китайский компас «лишь» тысячелетней давности, напоминающий по форме нашу хохломскую ложку.

Из других древнейших упоминаний о магнитах следует выделить рассказ о часовне Магомета с магнитным сводом, под которым парит железный сундук с прахом пророка. Однако европейским путешественникам ни разу не удалось увидеть этой диковины, даже тем, кто, прикинувшись правоверным и обманув бдительность мулл, проник в храм Каабы.

Гораздо более определенно можно ссылаться на европейские источники. О магните в той или иной связи писали до нашей эры Пифагор, Гиппократ, Платон, Эпикур, Аристотель и Лукреций, потом Плиний, Плутарх, Гален и Птолемей.

Название «магнит», как утверждает Платон, дано магнетиту Еврипидом, называвшим его в своих драмах «камнем из Магнезии». По другой, значительно более красивой и известной, но менее правдоподобной притче Плиния (заимствованной им у Никандра) название дано в честь сказочного волопаса Магниса, гвозди от сандалий и железная палка которого прилипали к неведомым камням.

По-видимому, слово «магнит» действительно происходит от названия провинции Магнезия (в Греции), жителей которой звали магнетами. Так утверждал Тит Лукреций Кар в своей поэме «О природе вещей». Русский путешественник В.А. Теплов, посетивший Магнезию в 80-х годах прошлого века, утверждал, что гора известна частыми ударами в нее молний (этим же славилась и гора Магнитная на Урале, почти целиком состоящая из магнетита). Наиболее распространенная из сказок о чудодейственной силе магнита, вошедшая в сказки «Тысяча и одной ночи», заимствована у Плиния, который утверждал, что в Эфиопии существует гора Зимир, вытягивающая из кораблей все гвозди и железные части.

Лопань - китайский компас. Иллюстрация с сайта www.good-luck.ru

И в Азии, и в Европе, по-видимому, давно использовали магнетизм Земли, применяя для ориентирования магнитный камень, подвешенный на нити или установленный на дощечке, плавающей на спокойной поверхности воды. В старом французском романе «О розе» магнит описывался под названием «маринетта», из чего можно сделать вывод об использовании его на морских судах.

Эти обстоятельства не смогли помешать итальянцам построить в Неаполе памятник Флавио Джойя, жителю города Амальфи, который якобы изобрел магнитный компас в 1302 г., и отпраздновать в 1902 г. шестисотлетие открытия. Не за легенду говорят хотя бы упоминания о компасе монаха из монастыря св. Альбана Александра Некэма в 1187 г. и стихи поэта Гюйо Прованского, написанные в 1206 г.

Но красивая легенда о Флавио Джойя, «изобретателе компаса», до сих пор живет у итальянцев.

...Давным-давно, когда город Амальфи стоял, как и Венеция, на море, жил в нем Флавио Джойя, ювелир и инкрустатор. Он был беден и весел, а кроме того, любил Анджелу, дочь богатого рыбака Доменико.

Рыбак Доменико не хотел, чтобы его дочь вышла замуж за «сухопутного» Джойя, и поставил перед Флавио тяжелое условие – научиться плавать по прямой линии в тумане и в ночи. Ясно, что это условие невыполнимо: попробуйте погрести пять минут, закрыв глаза – наверняка приплывете туда, откуда отплыли.

Но Флавио был не из тех, кто унывает. В работе для инкрустирования маленькими кусочками железа он использовал магнитный камень. Как-то Флавио заметил, что, если положить этот камень на кусочек пробки, плавающей в воде, он поворачивается всегда в одну сторону. Так, по легенде, Флавио изобрел компас.

Через месяц он женился на красавице Анджеле. Флавио получил Анджелу, рыбаки получили компас...

Этот поэтический рассказ, к сожалению, совершенно «рассыпается», если подойти к нему с позиций исторического анализа. Анатолий Коваленко, советский специалист по компасам, убедительно показал, что благодаря путанице и «испорченному телефону» имя секретаря папы Флавио Бьендо, рассказывавшего в 1450 г. о том, что жители Амальфи знают о компасе, превратилось в имя ювелира Флавио Джойя – «изобретателя компаса».

Магнитная сила привлекала не только мореходов. Ею всерьез интересовались и древние строители.

Плиний писал, что александрийский архитектор Хинократ (или Тимохарес) начал делать свод храма Арсинои из магнитного камня, для того чтобы железная фигура Арсинои висела в воздухе; этот замысел не был, повидимому, осуществлен из-за смерти Хинократа и брата Арсинои, Птолемея, который, как выразились бы сейчас, «финансировал» это предприятие.

Многие историки церкви единодушно и независимо утверждают, что в александрийском храме Сераписа статуя бога Солнца могла, к изумлению молящихся, взлететь к потолку, увлекаемая силой большого магнита. А через тысячи лет идея «храма Арсинои» вновь обрела своих приверженцев: молодые авторы – наши современники – предложили проекты памятников с использованием магнитных сводов, напоминающих свод Хинократа.

Даже из этого краткого обзора видно, что магнит был хорошо известен древним. Мало того, магнитные свойства уже тогда использовались.

И все-таки... почему? Почему магнит – магнит?

Аристотель, толкуя мысли Фалеса в своем трактате о душе, писал: он (Фалес) почитал причиной всякого движения душу, и, следовательно, лишь благодаря ей магнит может сообщать движение железу.

Итак, душа. Еще Орфей пел, что «железо тянется к магниту, как невеста к жениху». Может быть, в магните живет душа злая? Может быть, магниты созданы злыми демонами на погибель людям и на пользу ворам? Ведь то, что обладает свойством отодвигать запоры и отпирать замки, наверняка создано ради воровства. Платон утверждал, что свойства магнита имеют божественное происхождение, и тем самым избежал многих раздумий и сомнений.

Он писал, например: «...Божественная сила магнита передается от железа к железу подобно тому, как вдохновение музы передается через поэта его рассказчику и слушателю». Объяснение эпикурейца Лукреция явно было убедительней, хотя с современных позиций наивно. Мы приводим ниже эту несколько затянутую цитату из Лукреция ввиду ее исключительной ценности. Ведь этим гекзаметрам уже более двух тысяч лет!

Физикам удалось получить трехмерное изображение магнитного поля внутри твердого непрозрачного тела. Так осуществляется визуализация поля дипольного магнита спин-поляризованными нейтронами. Иллюстрация с сайта www.sciencedaily.com

«Мне остается сказать, по какому закону природы То происходит, что камень притягивать может железо, Камень же этот по имени месторождения магнитом Назван был греками, так как он найден в пределах магнетов. Люди весьма удивляются камню такому. Он часто Цепь представляет из звеньев, держащихся сами собою. Можешь увидеть ты пять таких звеньев, порой даже больше. Распределенные рядом, качаясь от легкого ветра, Звенья такие свисают, одно под другим прилепившись. Звенья одно от другого всю силу и цепкость приемлют. Вот как здесь действует этого камня текучая сила... Прежде всего из магнита должны семена выделяться Множеством или же ток истекать, разбивая толчками Воздух, который везде между камнем лежит и железом, Только что станет пустым пространство меж ними, и много Места очистится там, как тотчас же, общею кучей Первоначала туда стремглав понесутся железа; Следом за тем кольцо устремляется всем своим телом. Вовсе не надо тебе удивляться, что ток из магнита Не в состоянии совсем на другие действовать вещи: Частью их тяжесть стоять заставляет, – как золото, – частью Пористы телом они, и поэтому ток устремляться Может свободно сквозь них, никуда не толкая при этом; К этому роду вещей мы дерево можем причислить. Среднее место меж тем и другим занимает железо... Вещи, в которых их ткань совпадает взаимно с другою. Так, что где выпуклость есть, у другой оказалась бы там же Впадина, – эта их связь и окажется самою тесной. Есть и такие еще, что крючками и петлями будто Держатся крепко, и этим друг с другом скрепляются вместе. Это скорее всего происходит в железе с магнитом...»

Про крючки и петли сказано, может быть, слишком конкретно. Однако каждому ясно, что древние отлично понимали главное. Кроме магнита есть нечто, его окружающее. Можно говорить о душе, об атмосфере, об истечениях или исторгаемых наружу семенах. Сейчас это называют магнитным полем. Именно оно тянет железо к магниту!

Великолепная картина, данная Лукрецием, поэтически перелагает тезис Эпикура: «Фигуры атомов и неделимых тел, истекающих из камня и из железа, так подходят друг к другу, что легко сцепляются между собой; итак, ударившись о твердые части камня и железа, а затем отскочив в середину, они одновременно и связываются друг с другом, и влекут железо».

Великий Платон, философ-идеалист, так комментировал механизм магнитных действий: «...ввиду того, что не бывает никакой пустоты, эти тела со всех сторон толкают друг друга, и когда они разделяются и соединяются, все, обменявшись местами, переходят на свое обычное место. Вероятно, те, кто произведет правильное исследование, придут в изумление от этих запутанных взаимоотношений».

Что и говорить, повествуя о «запутанных взаимоотношениях», Платон был удивительно дальновиден. Последующие открытия убедили ученых в том, что природа магнетизма гораздо сложнее, чем зацепления с помощью крючков и зацепок. Механистических представлений древних оказалось недостаточно, чтобы справиться с описанием магнитных явлений. Даже сейчас, когда мы очень многое знаем о природе магнетизма и благодаря этим знаниям сумели создать ряд исключительно важных магнитных материалов, еще остаются, к сожалению, справедливыми слова великого Гильберта: «Скорбите и плачьте, ученые, по поводу того, что ни прежние перипатетики, ни сами вульгарные философы, ни Иоанн Костей, высмеивающий все это, не могли постичь этой столь благородной и замечательной природы».

Действительно, почему все же железо притягивает? В чем сущность магнитного притяжения? Вопрос этот волнует людей уже давно.

Тысячи лет назад кабиры (так называли бродячих фокусников Древней Греции) странствовали по своей земле и давали в тени олив удивительные представления. Одно из них всегда приковывало внимание обитателей окрестных селений. То, что делали кабиры, внушало благоговейное почтение к их тайному могуществу.

Несколько тяжелых железных колец висели, ничем не связанные между собой, одно под другим, не падая. Казалось, могущественный Зевс, сильный и невидимый, поддерживает ладонями на весу эти кольца.

Пластиковые магниты. Иллюстрация с сайта www.membrana.ru

Секрет кабиров заключался в том, что кольца эти были сделаны из «геркулесова камня», добывавшегося где-то в Маниссе.

Уникальная способность магнита притягивать железные предметы ассоциировалась в воображении древних с плотской любовью, и поэтому первые объяснения притягивающего действия этих камней были связаны с приписыванием магниту женского, а железу мужского начала. Иногда считали и наоборот. Это, конечно, нисколько не меняло дела. Суть сводилась к тому, что любые «притяжения», в том числе и притяжение магнита, были механически приравнены одно другому. Стремление пылинок к потертому о шерсть янтарю, металлических колец – к магниту, одного человека – к другому считали явлениями одного порядка. В обширную за счет этого коллекцию «магнитов» попали многие, весьма странные с современной точки зрения экспонаты. Так, в свое время писали о «креагическом», или «мясном», магните, поскольку некоторые ученые видели, как куски мяса пристают к губе.

Гильберт когда-то писал: «Пламя серы притягивает, так как оно похищает некоторые металлы благодаря своей способности проникать внутрь их. Так белая нефть привлекает пламя, так как она испускает и испаряет воспламеняющийся газ, почему она на некотором расстоянии и воспламеняется; таким же образом дым только что потушенной свечи воспринимает пламя от другого пламени: ведь огонь ползет к огню сквозь воспламеняющуюся среду...»

В семейство «магнитов» попали также: рыба-прилипала; морские моллюски, присосавшиеся к днищу корабля; камень сагдон, к которому якобы притягиваются деревья, причем с такой силой, что оторвать их можно только, обрубая сучья и ветви; камень катохит, притягивающий к себе мясо (как впоследствии выяснилось, этот камень «от его липкости и присущего ему клея» пристает к теплым рукам).

Воображением и наблюдательностью наших предков было образовано и семейство «антимагнитов», т.е. семейство существ и веществ, взаимно отталкивающихся. В это семейство попали и антипатичные друг другу люди; и пламя свечи, отталкивающееся от магнита; и масло, отталкивающее воду.

«...Плиний, выдающийся человек и лучший из тех, кто делал выписки (ведь он передал потомству не всегда и не преимущественно то, что он видел и открыл сам, а чужое), 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 подошвы 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 к себе железо, а другой, противоположной, отталкивал его, – указывал Гильберт, человек, на долю которого выпало разделить все эти явления «притяжения и отталкивания» на соответствующие категории и выделить из них лишь то, что непосредственно касается магнита. Гильберт отверг всякие рассуждения о феамеде – веществе, отталкивающемся от железа. Может быть, это была ошибка Гильберта.

Сегодня хорошо известно, что есть материалы, которые магнитом отталкиваются. К их числу, например, принадлежит медь. Правда, это отталкивание очень слабое, но кто знает – не могли ли древние каким-то образом заметить его и создать свое учение о феамеде – антимагните.

Сейчас такие вещества называют диамагнетиками.

Вещества, притягивающиеся к магниту, называют парамагнетиками и ферромагнетиками. Свойство притяжения в наибольшей степени присуще ферромагнетикам, и в первую очередь железу, никелю и кобальту.

Причиной магнитных свойств единодушно считают вращение заряженных электронов вокруг ядра атома и собственное вращение электрона вокруг оси (спин). Всякое движение заряда – это электрический ток, а каждый ток создает магнитное поле.

Магнитные свойства атомов, так же как и все их свойства, находят отражение в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Изменению номера элемента в таблице Менделева соответствует изменение структуры электронных оболочек атома. Структуры оболочек ферромагнитных атомов таковы, что все электроны, грубо говоря, вращаются в одну сторону, создавая сильный суммирующий магнитный момент. В неферромагнитных же атомах магнитные моменты электронов направлены в разные стороны, что приводит к их взаимной компенсации.

В ненамагниченном ферромагнетике магнитный момент тела в целом равен нулю. Это объясняется тем, что в ферромагнетиках все атомы делятся на группы – так называемые домены. Каждый из доменов, видимый невооруженным глазом, содержит миллиарды атомов, ориентированных в одном направлении, и, таким образом, имеет солидный суммарный магнитный момент. Однако тело в целом магнитным моментом не обладает, поскольку домены в теле расположены хаотично.

Помещая тело в магнитное поле, мы способствуем тому, что все домены постепенно ориентируются в направлении внешнего магнитного поля и их магнитные свойства суммируются. Сняв внешнее магнитное поле, получим новый магнит – ферромагнитное тело, в котором все домены намагничены в одном направлении. Если мы хотим в течение длительного времени сохранить магнитные свойства «рукотворного магнита», нужно приложить усилия к тому, чтобы домены не вернулись к прежнему хаотическому расположению. Для этого магнит не нужно трясти и нагревать.

Линии магнитного поля, созданные при помощи железных опилок. Иллюстрация с сайта en.wikipedia.org

Почему же намагниченные тела притягиваются? Теория утверждает, что всякая система пытается принять такое положение, в котором ее энергия минимальна.

Почему камень падает на землю? Он падает на землю потому, что стремится занять такое положение, в котором его потенциальная энергия будет минимальной. Другими словами, камень стремится занять энергетически наиболее низкое положение и поэтому падает.

Существуют громоздкие математические формулы, говорящие о том, что суммарная энергия двух магнитов, касающихся один другого, меньше, чем энергия магнитов, разнесенных на некоторое расстояние. Поскольку система должна занять энергетически наиболее «низкое» положение, магниты притягиваются. То же самое можно сказать о магните и куске железа.

Такое объяснение универсально и просто. Если оно вас удовлетворяет, можете считать загадку магнита решенной.

Нужно отметить, однако, что поскольку современное объяснение магнетизма следует из категорий квантовой физики, полная разгадка тайны магнита наступит тогда, когда мы полностью поймем суть пока еще таинственных процессов, происходящих в микромире.

Оглавление

В этой главе, начинающейся историей флюгера Оксфордского собора, говорится о тех магнитах, которые сделаны людьми с помощью других магнитов.

Из железа изготовляют множество чрезвычайно полезных вещей. Так, англичанин Вильям Гильберт четыре столетия назад писал:

«Иное железо пригодно для панцирей, иное против выстрелов метательных орудий, иное против мечей и против стали кривых сабель (обычно называемой «цементированной сталью»); одно служит для мечей, другое нужно для лошадиных копыт. Из него делаются гвозди, крюки, задвижки, пилы, ключи, решетки, двери, створки, лопаты, палочки, подпорки, рыболовные и прочие крючки, трезубцы, горшки, треножники, наковальни, молоты, клинья, цепи, ручные и ножные оковы, кирки, сечки, серпы, корзинки, заступы, мотыги, струги, грабли, сошники, вилы, чаши, чашечки, ложечки, ложки, вертелы, ножи, кинжалы, мечи, секиры, копья, дротики, пики, обоюдоострые мечи, якори и множество нужных для мореходства предметов; кроме того, ядра, короткие копья, шины, панцири, шлемы, нагрудники, конские подковы, ножи, проволоки, струны для музыкантов, кресла, опускные решетки, луки, баллисты и гибельные для человеческого рода бомбарды, пули и пушечные ядра и бесконечное множество неизвестных латинянам орудий».

К этому очень полному списку нужно, по-видимому, добавить, по крайней мере, еще один важнейший пункт – из железа делают магниты.

Говорят, настоятель Оксфордского собора никак не мог взять в толк, что от него хочет этот знаменитый Фарадей. Он пришел просить, чтобы ему отдали на исследование железную палку флюгера собора.

– И зачем вам такая старая проржавевшая палка? Того и гляди, флюгер-петух свалится с нее! Ведь она стоит на верхушке собора, наверное, уже лет триста!

– Вот и отлично, – так, надо полагать, ответил Фарадей, – нам как раз и нужна эта заржавевшая развалина. Проследите, пожалуйста, только за тем, чтобы, пока ее снимают и спускают вниз, не меняли бы ее вертикального положения!

Когда палку сняли и поставили вертикально во дворе собора, Фарадей с помощником поднесли поочередно к ее верхнему и нижнему концам компас. Палка флюгера оказалась слабым магнитом – ее нижний конец был южным полюсом, верхний – северным.

Алнико (алюминий-никель-кобальт) магниты. Иллюстрация с сайта www.cy-magnetics.com

Еще раньше, задолго до этих событий, Гильберт заметил, что все железные колонны, стоящие вертикально в Ирландии, сами по себе становятся магнитами, причем нижний их конец всегда южный.

Путешественники, побывавшие в Австралии, рассказывали, что там происходит то же самое – железные колонны всегда становятся магнитами. Только южный полюс у них – наверху.

Точно так же, расположив железный стержень в направлении север – юг, можно заметить, что стержень намагничивается: конец, обращенный к югу, приобретает северную полярность, и наоборот.

Стальные корпуса кораблей, стоящих на стапелях, во время постройки приобретают намагниченность за счет магнитного поля Земли и становятся таким образом гигантскими плавающими магнитами.

Естественные магниты вытачивали из кусков магнитного железняка, и они достигали подчас довольно значительных размеров. По сей день в Тартусском университете находится самый крупный известный естественный магнит. Его масса 13 кг, а подъемная сила 40 кг (в арматуре).

Такие магниты в медной оправе с железными накладками в изобилии выпускались уральскими заводами. Их использовали горные офицеры, моряки, изготовители компасов, исследователи. Такие магниты заказывали и богатые любители курьезов. Обычно оправой магнитов служила красиво отделанная медная коробка, наверху крепилась подвижная ручка, снизу подвешивалось «ярмо» с фигурно вырезанной рамкой и крючком для подвески груза. Эти магниты поднимали груз, превышающий по массе сам магнит раз в десять.

Один из самых сильных естественных магнитов был, по преданию, у Ньютона – в его перстень был вставлен магнит, поднимавший предметы, масса которых была в 50 (!) раз больше массы самого магнита.

Искусственные магниты, полученные методом натирания, стали изготовлять в Англии еще в XVIII веке. При изготовлении магнитов не все сорта железа вели себя одинаково – в одном случае быстро получали желаемый результат, в другом – намагниченность была ничтожной. Легконамагничивающиеся вещества, как правило, так же легко и размагничиваются (чистое железо); труднонамагничивающиеся вещества (сталь) остаются сильнонамагниченными и после удаления внешнего магнитного поля. Первые вещества обычно называют магнитомягкими, вторые – магнитожесткими.

В конце прошлого века заметили, что добавка к железу 3% вольфрама примерно в 3 раза улучшает свойства искусственных магнитов. Добавка кобальта улучшает свойства еще в 3 раза.

Лучшим предвоенным магнитным сплавом был сплав альнико на базе алюминия, никеля и кобальта. С помощью магнитов из альнико можно было поднимать железные предметы массой, в 500 раз превышающей массу самого магнита. При измененной технологии (при спекании порошкообразного альнико) удалось поднять предмет, масса которого превосходила массу магнита в 4450 раз.

Еще более сильные магниты изготовляют из сплава магнико, в состав которого входят железо, кобальт, никель и некоторые другие добавки. Созданные на основе этого сплава «порошковые» магниты могут поднимать груз железа массой, более чем в 5000 раз превышающей их собственную.

Еще более сильными являются так называемые оксидно-бариевые магниты.

Неисчислимы примеры применения магнитных материалов. Постоянные магниты являются очень важной частью многих устройств, применяемых в нашей повседневной жизни. Их можно встретить в головке звукоснимателя, в громкоговорителе, электрогитаре, электрогенераторе автомобиля, в небольших моторчиках магнитофонов, в радиомикрофоне, электросчетчиках и прочих устройствах. Изготовляют даже «магнитные челюсти», т.е. сильно намагниченные стальные челюсти, взаимно отталкивающиеся и вследствие этого не нуждающиеся в креплениях. Магниты широко применяют и в современной науке. Магнитные материалы нужны для работы в СВЧ-диапазонах, для магнитозаписи и воспроизведения, создания магнитных запоминающих устройств. Магнитострикционные преобразователи позволяют определять глубину моря. Без магнитометров с высокочувствительными магнитными элементами трудно обойтись, если нужно измерить ничтожно слабые магнитные поля, сколь угодно изощренно распределенные в пространстве. Магнитная дефектоскопия – это самостоятельный раздел теории и практики, позволяющий отыскивать поры, каверны, включения в металлических слитках, изделиях разного размера. Магнитные измерения уже давно взяты на вооружение отделов технического контроля многих предприятий.

Магнитожесткие материалы производятся особой отраслью металлургии, где используются наиболее современные способы плавки и контроля качества. Исходные материалы попадают в мельницы с атмосферой инертных газов, порошки смешиваются, прессуются чудовищно большими давлениями при одновременном наложении громадных магнитных полей, которые ориентируют домены для усиления их действия.

Сплав ЮНКД-ЗБТ, например, кроме железа содержит алюминий (Ю), никель (Н), кобальт (К), медь (Д), титан (Т). Пропорции подобраны таким образом, чтобы слитки разной формы обладали наибольшей магнитной индукцией, их структуру можно по заказу делать то однородной, то анизотропной, в ней проращиваются в заданном направлении игольчатые кристаллы, тепловые и электромагнитные волны помогают металлофизикам варьировать свойства заготовок, добиваясь объемного распределения их качеств.

В итоге удается создать магниты с весьма высокой подъемной силой. Сплав кобальта с редкоземельными элементами позволяет, например, поднять груз 200 г на 1 г массы магнита.

Самый большой в мире постоянный магнит весит 2 т. С его помощью создается магнитное поле интенсивностью 0,11 Тл в объеме примерно 10 л. Такой магнит применяют во вспомогательном оборудовании ядерного реактора Чикагского университета; это – часть магнитогидродинамической установки для перекачивания жидких металлов.

А бывали случаи, когда с магнитами боролись, когда они оказывались вредными. Возьмем, например, намагничивание корпуса корабля. Такая «спонтанная» намагниченность совсем не безобидна: мало того, что компасы корабля начинают «врать», принимая поле самого судна за поле Земли и неправильно указывая направление, плавающие корабли-магниты могут притягивать железные предметы. Если такие предметы будут связаны с минами, результат притяжения очевиден. Вот почему ученым пришлось вмешаться в проделки Природы и специально размагничивать корабли, чтобы они разучились действовать на магнитные мины. Вот какая история времен Великой Отечественной войны иллюстрирует ответственную работу специалистов по магнетизму в те суровые годы...

Впервые о магнитных минах советские моряки узнали еще в 1919 г., когда флот Антанты «засыпал» этим до того невиданным оружием русло Северной Двины. В тех минах железная стрелка поворачивалась под влиянием магнитного поля плывущего неподалеку корабля и замыкала контакты взрывателя. Обезвредить магнитные мины было непросто: они были донными, а не плавающими на якорях, потому обычное траление цели не достигало. Кроме того, взрыв происходил под слабо бронированным днищем корабля, так что корабль был обречен.

Военные моряки нашей страны предвидели опасность возможной войны и предугадали грядущее применение агрессором магнитных мин. По заданию ВМФ СССР в середине 30-х годов за разработку мер обезвреживания подобного оружия взялся Анатолий Петрович Александров, ныне академик, а тогда 33-летний ученый.

А.П. Александров с коллегами предложили «размагничивать» корабли. Этот метод борьбы с минами поначалу вызвал возражения у многих. Ведь до нуля лишить корабль магнитного поля очень непросто, поэтому оппоненты предлагали заняться разработкой специальных тралов. Противники метода Александрова вспоминали про якобы неудачные опыты шестилетней давности по размагничиванию корабля «Марат». Наконец, предлагалось брать пример с англичан, которые решили идти альтернативным путем: намагничивать корабль так сильно, чтобы мина срабатывала задолго до прохождения корабля.

Ученые отстаивали свою правоту. Во-первых, показывая лабораторную модель, которая не действовала на чувствительный датчик магнитного поля, во-вторых, напоминая, что враг может устанавливать мины с «загрублением», срабатывающие только от очень сильного сигнала. Доводы А.П. Александрова были признаны убедительными.

Установочные магниты. Иллюстрация с сайта www.cy-magnetics.com

События настолько убыстрились, что жизнь стала напоминать киноленту, пущенную с большой скоростью:

1937 г. – удачные опыты по размагничиванию судов в Кронштадте.

1938 г. – удачное пробное размагничивание «Дозорного» и «Марата».

1939 г. – успешное плавание размагниченного «Выборного» над магнитными минами (без заряда) в Онежском озере.

1940 г. – замеры полей у судов на Балтике, Днепре, в реке Москве, монтаж опытных систем размагничивания.

1941 г. – переход к стационарному оснащению кораблей размагничивающими установками; 21 июня на магнитных минах в Финском заливе взрываются эсминец «Гневный» и крейсер «Максим Горький», 24 июня на одной из донных мин (гитлеровцами выставлена первая партия из 160 магнитных мин) подорвался тральщик БТЩ-208, в июне А.П. Александров защищает докторскую диссертацию; размагничен крейсер «Киров»; формируются коллективы из ученых, моряков и судостроителей для массового оснащения кораблей токонесущими обмотками, нивелирующими намагниченность корпуса.

1942 г. – в составе большого коллектива А.П. Александров награжден Государственной премией СССР за успешное научное решение и практическое осуществление проблемы защиты от магнитных мин кораблей Балтийского, Черноморского, Североморского и Тихоокеанского флотов.

После 1942 г. ни один советский корабль не подорвался на магнитной мине.

...Магнетизм «положения» приобретают все железные предметы, длительно лежавшие в магнитном поле, – буть то поле Земли или поле другого магнита. Магнетизмом положения еще в древние века пользовались кузнецы – первые люди, получавшие магниты искусственным путем из обыкновенного железа.

Магнетизм положения – частное проявление более общего случая. Известно, что любое железное или стальное тело, внесенное в поле магнита, само становится магнитом. К гвоздю, притянутому подковообразным школьным магнитом, притягивается бритва, к ней – скрепка и так далее.

На этом принципе основан применяемый некоторыми врачами очень полезный инструмент для извлечения из желудка и дыхательных путей рассеянных пациентов игл, булавок и других железных предметов. Этот инструмент, называемый магнитным зондом, опускается, например, в желудок пациента. За операцией следят на экране специальных мониторов. Секрет зонда, с помощью которого можно вынуть из желудка даже раскрытую английскую булавку, заключается в том, что железный наконечник его является магнитом не всегда, а лишь в необходимый момент. Это происходит вследствие того, что внутри зонда пропущен гибкий стальной стержень. При необходимости «включить» магнит наружный конец стержня подсоединяют к постоянному магниту. Стержень намагничивается и притягивает к себе проглоченный предмет.

Намагничивание железных предметов от находящегося поблизости магнита доставляет и по сей день неприятности людям, носящим часы и по долгу службы имеющим дело с мощными магнитами. В таких часах все железные части намагничиваются и к силе пружинки в них добавляются силы притяжения, искажающие ход часов до такой степени, что ими становится невозможно пользоваться. В конце XIX века эта проблема приобрела столь крупные масштабы, что понадобилась разработка прибора для размагничивания часов. А предприимчивая часовая компания «Валтхам», в свою очередь, выпустила в 1888 г. часы, которые не боялись никаких магнитных полей. Для испытания эти часы поместили на 15 мин у самого жерла гигантской «пушки-магнита» майора Кинга. Секрет фирмы оказался очень простым. Самым надежным экраном для предохранения железных частей механизма – пружинки, балансира – от намагничивания является само железо. Корпус часов «Валтхама» был изготовлен из обычной магнитной стали.

Искусственные магниты можно также получить, натирая куском магнитного железняка в одном направлении железные бруски или просто прислоняя ненамагниченный образец к постоянному магниту. Интересно, что этим способом можно получить искусственные магниты гораздо более сильные, чем исходные.

Оглавление

В этой главе автор касается очень разобщенных тем. Что случится с магнитом, если положить рядом с ним бриллианты? Почему магнит – магнит? «Дело в душе», – считает Гильберт.

Лев Николаевич Толстой работал и на ниве научно-популярного жанра. Вот что писал он об электричестве:

«Когда придумано было это электричество, стали его прилагать к делу: придумали золотить и серебрить электричеством, придумали свет электрический и придумали электричеством на дальнем расстоянии с места на место передавать знаки. Для этого кладут куски разных металлов в стаканчики, в них наливают жидкости. В стаканчиках набирается электричество, и это электричество проводят по проволочке в то место, куда хотят, а из того места проволоку проводят в землю».

Надо полагать, что великий писатель, написав фразу: «Когда придумано было это электричество», имел в виду сравнительно недавние времена – что-нибудь 100...150 лет до времени Толстого или 150...200 лет до нашего времени.

У современных ученых есть некоторые основания утверждать, что «придумано было это электричество» три-четыре тысячи лет назад и что «придумали золотить и серебрить электричеством» в то же самое время. Доказательством, возможно, могут служить «странные» предметы, найденные археологами в засохшем и отвердевшем иле неподалеку от берегов Тигра, южнее Багдада.

Что представляли собой эти странные предметы? И, собственно, чем они странны? Дело в том, что археологи долгое время не могли понять их назначения. Небольшие сосуды из отожженной глины имели весьма необычную «начинку» – разъеденные медные цилиндрики и железные бруски. Исследовав цилиндрики, археологи пришли к выводу, что разъедание, скорее всего, результат воздействия или уксусной, или лимонной кислот, хорошо известных в то время. Однако самое неожиданное находилось на дне сосудов – это был небольшой и невзрачный на вид слой битума, того самого битума, который и сегодня иногда используют в качестве электрической изоляции.

Ученые рассуждали так: если в сосуд с кислотой помещали медную и железную пластины, разделенные изоляцией (битумом), то это было не что иное, как древнейший химический источник тока. Источник, честь открытия которого отдана нами человеку, жившему на три тысячи лет позже!

По мнению некоторых ученых, золотое покрытие вавилонских украшений сделано настолько тонко, что всякий метод нанесения золота, кроме гальванического, исключается!

Может быть, древние знали об электричестве гораздо больше, чем нам кажется...

Известный египтолог Бругш Паша установил, что в египетских храмах существовали... громоотводы! Они представляли собой высокие деревянные мачты с металлической обшивкой. Такие же шесты, только сделанные из железа, были известны древним индусам...

Высокие медные статуи времен римских деятелей Нумы Помпилия и Туллия Гостилия тоже служили для того, чтобы отводить удары громовержца от грешных голов горожан...

Во время царствования императора Карла Римского крестьяне «для отвода грозы» ставили на полях высокие колья. Но отметим, однако, что сам император сурово карал за это под вполне современным лозунгом борьбы с суевериями.

Неужели и электрическая природа молний была очевидна древним, как она лишь относительно недавно стала ясна Франклину?

Тонкопленочный магнит оксида никеля на окиси магния. Иллюстрация с сайта micro.magnet.fsu.edu

Принято считать, что об электричестве человечество узнало в тот момент, когда юная дочь Фалеса из Милета, замечательного наблюдателя и философа-материалиста, пытаясь очистить свое янтарное веретено от приставших к нему мелких пылинок и ниточек, заметила, что, счищенные, они снова спешат прильнуть к нему...

Видимо, свойство янтаря притягивать мелкие тряпочки, нитки, солому было весьма хорошо известно и до Фалеса, и не только в Милете. Этим притяжением объясняются, очевидно, и названия янтаря у разных народов: электрон – притягивающий к себе (Греция), харпакс – грабитель (Рим); кавуба – притягивающий к себе мякину (Персия) и т.п.

И еще одно таинственное свойство было у янтаря и подобных ему предметов: потерев янтарь в темноте, можно было видеть, как весь он взрывается голубоватыми искрами. Искры сопровождает тихий треск, почти неслышимый шорох. Явление это было столь слабо ощутимо, что отождествлять его с грандиозным сверкающим мечом – молнией и громом, которые внушали древним панический страх, было почти немыслимым. Потребовались тысячелетия, чтобы перекинуть мост между этими столь близкими по природе и столь различными по масштабу явлениями.

Можно лишь поражаться тому, что лишь через две тысячи лет после Фалеса таинственные свойства янтаря привлекли внимание исследователя. Им оказался английский врач Вильям Гильберт из Колчестера.

Вильям Гильберт родился в 1540 г. Сразу после школы он поступил в колледж святого Джона в Кембридже, через два года он становится бакалавром, через четыре – магистром, через пять – доктором медицины. Постепенно он достигает вершины медицинской карьеры тех времен и становится лейб-медиком королевы.

Трудно сказать, почему именно медик написал первую научную работу по магнетизму. Может быть, это было связано с тем, что толченый магнит у средневековых лекарей считался сильным слабительным. Сам Гильберт полагал, что магнитное железо «...возвращает красоту и здоровье девушкам, страдающим бледностью и дурным цветом лица, так как оно сильно сушит и стягивает, не причиняя вреда».

Однако горький опыт показал Гильберту, что магниты при приеме внутрь иногда «...вызывают мучительные боли во внутренностях, чесотку рта и языка, ослабление и сухотку членов».

Может быть, экскурсы Гильберта в природу магнетизма и были порождены желанием узнать, где истина: является магнит лекарством или нет. Гильберт приходит к выводу, что «природа магнита двойственная, и больше – зловредная и пагубная». По пути к этому выводу Гильберт делает ряд других, значительно более ценных. Что было известно науке о магните до Гильберта?

В 1269 г. Пьер Перегрин из Марикурта написал книгу «Письма о магните», в которой собрал много сведений о магните, накопившихся до него и открытых им лично. Перегрин впервые говорит о полюсах магнитов, о притяжении («совокуплении») разноименных полюсов и отталкивании одноименных, об изготовлении искусственных магнитов путем натирания железа естественным природным магнитом, о проникновении магнитных сил через стекло и воду, о компасе. Причину притяжения южного и северного полюсов Перегрин и его последователи объясняли довольно туманно: «Южная часть притягивается той, которая имеет свойства и природу севера, хотя они обе имеют одну и ту же специфическую форму. Однако это не исключает некоторых свойств, существующих более полно в южной части. Но эти свойства северная часть имеет лишь в возможности, и поэтому они при этой возможности и проявляются».

Ценность этой точки зрения заключается в том, что она, наталкивая на размышления, привела средневекового арабского мыслителя Ибн-Рушда (Аверроэса) к гениальной догадке. По его мнению, естественный магнит искажал ближайшее к нему пространство в соответствии с его формой. Ближайшие к магниту области среды, в свою очередь, искажали ближайшие к ним и так до тех пор, пока «специи» не достигали железа. В этих рассуждениях снова видится намек на существование магнитного поля – особой формы материи.

До Гильберта было известно и явление «старения магнитов». Так, алхимик Гебер (XII век) писал: «У меня был магнит, поднимавший 100 драхм железа. Я дал ему полежать некоторое время и поднес к нему другой кусок железа. Магнит его не поднял. В куске оказалось 80 драхм. Значит, сила магнита ослабла».

К другим важнейшим догильбертовским событиям можно отнести открытие в XIV веке магнитного склонения, обнаруженные Колумбом в 1492 г. изменения склонения магнитной стрелки на одной и той же параллели, а также открытие магнитного наклонения Георгом Гартманом (Нюрнберг, 1544 г.).

В течение 18 лет Гильберт на собственные деньги ставит бесчисленное количество опытов, которые он описывает в книге «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле. Новая физиология, доказанная множеством аргументов и опытов», вышедшей в 1600 г. И сам Гильберт, и его современники чрезвычайно высоко оценивали этот труд. Так, Гильберт впервые в истории книгопечатания ставит свое имя впереди названия книги, подчеркивая тем самым свои заслуги.

Заслуги его действительно велики. Самой значительной из них явилось то, что он впервые в истории, задолго до Бэкона, провозгласил опыт критерием истины и все положения проверял в процессе специально поставленных экспериментов.

Изготовив из магнетита шар-терреллу («маленькую Землю»), Гильберт заметил, что этот шар по магнитным свойствам сильно напоминает Землю. У терреллы так же, как и терры (Земли), оказались северный и южный полюсы, экватор, изолинии, магнитное наклонение. Эти свойства позволили Гильберту провозгласить Землю «большим магнитом». До Гильберта о магнетизме Земли никто не подозревал, и притяжение северного, окрашенного в черный цвет конца магнитной стрелки (Кстати, почему южный конец магнитной стрелки красный, а северный черный? Не исключено, что здесь использованы древнекитайские традиции. Китайцы всегда окрашивали южный конец стрелки в красный цвет. В древнем ассирийском календаре времен Александра Македонского север называется черной страной, юг – красной, восток – зеленой и запад – белой. Городские ворота в Китае окрашивались всегда в соответствии с этим правилом. Вполне вероятно, что такое обозначение стран света было в то время общепринятым и отголоском этого являются названия Черного и Красного морей, лежащих на юг и север от центрального – Средиземного.) к северному полюсу Земли объяснялось в средние века тем, что «железо направляется к северным звездам, так как ему сообщена сила полярных звезд, подобно тому, как Солнцу следуют растения, например подсолнечник».

Гильберт опроверг широко распространенное мнение о влиянии алмазов на магнитные свойства. Он собрал 17 крупных алмазов и в присутствии свидетелей показал, что эти камни никоим образом не влияют на магниты.

Он открыл, что при нагревании магнита выше некоторой температуры его магнитные свойства исчезают; впоследствии эта температура (588°С) была названа точкой Кюри, в честь Пьера Кюри.

Гильберт открыл, что, когда приближают к одному полюсу магнита кусок железа, другой полюс начинает притягивать сильнее. Эта идея была запатентована лишь через 250 лет после смерти Гильберта.

Гильберт открыл, что предметы из мягкого железа, в течение долгого времени лежащие неподвижно, приобретают намагниченность в направлении север – юг. Процесс намагничивания ускоряется, если по железу постукивать молотком. (С этим явлением автору пришлось встретиться в одной из служебных командировок на электростанцию небольшого южного городка. Вызов был странным: «Срочно вылетайте выяснения причин магнитности турбин». Оказалось, что при работе громадные паровые турбины (тогда самые большие в мире) превращаются в гигантские магниты, собирающие со всего машинного зала болты, шпильки, гвозди, гаечные ключи. При исследовании выяснилось, что турбины поступали уже сильно намагниченными. При транспортировке турбины были ориентированы с севера на юг, а перестук колес ускорил намагничивание. При работе турбина, вращаясь в собственном магнитном поле, стала генератором постоянного тока и еще больше намагнитила себя этим током. В конце концов турбина превратилась в очень сильный магнит, о чем можно было судить хотя бы по тому обстоятельству, что для отрыва от турбины ее стальной крышки пришлось использовать пятидесятитонный кран.)

Гильберт открыл экранирующее действие железа. Он первым сказал, что магнит со «шлемом» или «носом», т.е. магнит, вправленный в арматуру из мягкого железа, притягивает гораздо сильнее. Гильберт высказал гениальную мысль о том, что действие магнита распространяется подобно свету.

Гильберт многое сделал и открыл. Но... Гильберт почти ничего не смог объяснить. Все его рассуждения носят схоластический и наивный характер.

Весьма туманно объяснял Гильберт и природу магнетизма. Его ответ, по существу, сводится к тому, что всему причиной душа магнита. Это, в известной мере, шаг назад по сравнению с объяснением Лукреция. Оправданием великому первооткрывателю может, видимо, служить лишь то, что и с позиций современной квантовой физики притяжение магнита не такая уж очевидная вещь... Другим, значительно более серьезным извинением может служить то, что за словом «душа» у Гильберта иногда ясно слышится слово «поле»...

Очень важным в учении Гильберта представляется то, что он, по-видимому, первым отличил электрические явления от магнитных, вскрыв их различную природу. Гильберту удалось разделить магнитные и электрические явления, которые с тех пор стали исследовать раздельно.

Оглавление

В этой главе рассказывается о янтарном перстне; о тайне дергающихся лапок; о том, как человек узнал, что магнетизм и электричество – близкие родственники; о пользе тесноты в лабораториях.

Гильберт обнаружил довольно много веществ, которые, как и янтарь, могут притягивать мелкие кусочки материи и пылинки. Манипулируя с этими и подобными веществами, любознательный бургомистр немецкого города Магдебурга Отто фон Герике изготовил странную машину – это был шар из серы, приводимый во вращение несложным механизмом. Вращающийся шар касался металлической цепочки, присоединенной к длинному металлическому бруску, подвешенному на веревках. Если шар при вращении придерживали ладонями, то на нем накапливался значительный электрический заряд, отводимый цепочкой к бруску.

Шары из серы изготовляли следующим образом: из стекла выдували тонкий шарообразный сосуд, в который заливали расплавленную серу. Когда сера остывала, стекло разбивали и получали шар из серы. (К сожалению, Герике слишком уважал ученых своего времени, чтобы вращать просто стеклянный шар. Ему нужен был шар из серы, поскольку именно о ней писал Гильберт. Об электрических свойствах стекла было тогда известно очень мало. А ведь если бы бургомистр попробовал тереть ладонями стеклянный шар, он бы получил более мощную машину!) С помощью шара из серы Отто фон Герике удалось провести очень эффектные опыты: при трении шара о ладони между руками и бруском проскакивали искры, причем некоторые из них были довольно крупными.

Электромагниты. Иллюстрация с сайта www.cy-magnetics.com

Машина Герике получила сразу же очень широкое распространение, и неудивительно, что с ее помощью удалось обнаружить много электрических эффектов.

Один из необычных случаев произошел в знаменитой Лейденской лаборатории. Студент по имени Канеус использовал машину Герике для того, чтобы «зарядить электричеством» воду в стеклянной колбе, которую он держал в ладонях. Зарядка осуществлялась при помощи цепочки, подсоединенной к бруску машины. Цепочка спускалась через горлышко колбы в воду. По истечении некоторого времени Канеус решил убрать свободной рукой цепочку – вынуть ее из сосуда. Прикоснувшись к цепочке, он получил страшный электрический удар, от которого чуть не умер.

Оказалось, что в сосудах такого типа электричество может накапливаться в очень больших количествах. Таким образом была открыта так называемая лейденская банка – простейший конденсатор.

Сведения о новом изобретении быстро распространились по Европе и Америке. Во всех лабораториях и аристократических салонах ставились удивительные опыты, одновременно неприятные, забавные и таинственные.

Столица Франции, естественно, не осталась в стороне от этого «лейденского поветрия». Придворный электрик Людовика XVI иезуит Нолле провел такой опыт: сто восемьдесят монахов взялись за руки. В тот момент, когда первый монах взялся за головку банки, все 180 монахов, сведенные одной судорогой, вскрикнули с ужасом. Несмотря на неприятное ощущение, тысячи людей хотели подвергнуться этому испытанию. Изготовлялись новые банки, более мощные.

Лейденская банка стала одним из необходимейших атрибутов многих исследований. С ее помощью можно было получить электрические искры длиной в несколько сантиметров.

И на родине Гильберта продолжались исследования электричества. Этим занимался Ньютон, его лаборант научился передавать заряд лейденской банки по влажной веревке.

Наиболее дальновидному исследователю пришла в голову мысль о том, что и сверкающая молния, раскалывающая грозовое небо, – это грандиозная электрическая искра, полученная с помощью исполинской лейденской банки... Этим исследователем оказался американец Бенджамин Франклин (1706...1790). Сын бедных родителей, он мало ходил в школу, то помогал отцу варить мыло, то обучался слесарному делу, то выполнял поручения брата-типографа.

В двадцать семь лет он стал популярнейшим писателем. Его «Бедный Ричард» выдержал бесчисленное количество изданий. «Я мог бы попытаться вызвать к себе добрые чувства, провозгласив, что я пишу эти выпуски не для чего иного, как для блага общества; но это было бы неискренне, и, кроме того, современники мои слишком умны для того, чтобы быть обманутыми таким образом... Истина же в том, что я крайне беден, и... издатель обещал мне значительную часть выручки...», – откровенно писал Франклин по поводу своей писательской деятельности.

Физикой он заинтересовался после того, как прослушал лекцию по электричеству, на которой была показана электрическая искра и продемонстрировано неприятное действие на человека разряда лейденской банки. Пользуясь словами батарея, конденсатор, проводник, заряд, разряд, обмотка, мы вряд ли помним о том, что Франклин был первым, кто дал названия всем этим предметам и явлениям. Всего семь лет он занимался физикой (с 1747 по 1753 г.), но его вклад в науку оказался огромным.

В последние годы жизни Франклин стал одной из выдающихся фигур в политической жизни Америки, активным борцом за освобождение ее от колониального ига Англии. Обаятельнейший, интереснейший человек своего времени, веселый и жизнерадостный, атлетически сложенный, Франклин был всегда окружен почитателями.

Обратимся же к семи «электрическим» годам из жизни Франклина, точнее, к тем из них, которые были связаны с доказательством электрической природы молнии.

После случайно прослушанной лекции Франклин развил довольно простую, но стройную и правильную теорию статического электричества и его передачи от одного тела к другому – ту теорию, которую мы узнали в школе, впервые знакомясь с электричеством. Сейчас мы сделали бы лишь одну поправку к этому учению: Франклин наугад принял, что тело, которое накапливает электричество, заряжается положительно, а тело, теряющее электричество, заряжается отрицательно. Мы знаем теперь, что носителем электричества в проводниках является отрицательно заряженный электрон. Поэтому наэлектризованное тело, на наш взгляд, должно быть признано отрицательным. Естественно, что Франклин не мог предугадать этого. Чтобы не ломать установившегося со времен Франклина представления, сейчас направление тока (от «плюса» к «минусу») принимают обратным направлению происходящего в действительности процесса – движения электронов.

Четкие представления Франклина о природе электричества позволили ему создать теорию, по которой и молния есть не что иное, как электрическая искра. В одном из своих трудов Франклин описал, как нужно поставить доказывающий это опыт.

Француз Далибар, по описанию Франклина, провел в Марли опыт: металлический стержень, установленный на горе, приближали одним концом к заземленному стержню. Во время грозы 10 мая 1752 г. Далибар получил из грозового облака большую синюю электрическую искру, сопровождавшуюся резким треском и запахом озона. Уже через восемь дней Далибар показал этот опыт королю.

Однако, хотя Далибар первым получил «молнию с небес», ясно, что первооткрывателем был Франклин. В 1753 г. Франклин поставил и свой знаменитый эксперимент с воздушным змеем.

В том же году аналогичные эксперименты провели М.В. Ломоносов и Г.В. Рихман. Рихман хотел количественно оценить явление электризации при разряде молнии. Неосторожно наклонившись слишком близко к стержню своей «громовой машины», Рихман был поражен молнией в голову.

Научный мир содрогнулся. И до того молнии убивали, особенно звонарей у колоколов на церковных башнях, а тут жертвой оказался ученый. По Ломоносову, «погиб Рихман славной смертью», печалился петербургский коллега Крафт («это был второй Плиний»), оплакивал учителя молодой Румовский («молнией поражен Орфей, Эскулап и Зороастр»). Со временем страсти утихли, а ученые стали принимать меры безопасности.

К.Г. Кратценштейну (1723...1795), который констатировал ужасную смерть Рихмана от разряда, вошедшего в висок и покинувшего тело через мизинец ноги («башмак разодравши, но даже не прожегши»), не суждено было утешиться до конца жизни. Он приехал в Петрополь служить механиком в Академии наук уже известным доктором медицины и философии, получив премию Академии Бордо за объяснение механизма подъема водяных паров в воздухе, будучи избранным в Академию Леопольдины за излечение электризацией паралича пальца у женщины. Рихмана он, по его мнению, не уберег, в отчаянии уехал из России, даже не продлив контракта с Академией Санкт-Петербурга, и осел в Копенгагене до конца своих дней.

О молнии и защите от нее всегда ходило множество диковинных рассказов и небылиц. Известно было, например, что кельтские воины, если гроза застигала их в поле, ложились на землю, зажигали факел и втыкали в землю острием вверх свои длинные мечи. Молния била в мечи и уходила в землю, не причиняя вреда воину.

Много позднее итальянец Вольта на опыте показал, что пламя свечи создает столб теплого воздуха, электропроводность которого повышена. Сам ученый построил эффектный электрометр со свечой, вдохновляясь, как он говорил, примером древнеегипетских жрецов. Когда надо было «выпросить бога», они разжигали огромный жертвенный костер, по столбу дыма из небес в землю била молния, якобы возвещавшая волю Юпитера, Зевса или Озириса.

Впрочем, о древних громоотводах забылось, только монахи пытались отогнать громы и молнии охранными молитвами, а в народе далекими отзвуками прошлого жили странные рассказы о молниях, богах, грозах и жертвах небесного огня. И нет числа таким рассказам, как не было меры тайне, сопутствующей природе молнии. Неудивительно, что после предложения Франклина поставить железные палки для защиты от молнии, Европа и Америка разделились на два лагеря: ярых приверженцев громоотвода и столь же ярых его противников. В Париже одно время считались модными шляпки с громоотводом. В то же время парижский домовладелец де Визери, поставивший на своем доме на Сен-Опера громоотвод, подвергся яростным нападкам соседей, которые в конце концов подали на него в суд. Это было в 1780 г. Процесс длился четыре года. Защитником громоотвода на процессе выступал никому еще не известный адвокат Максимилиан Робеспьер. На стороне противников громоотвода экспертом выступал Жан-Поль Марат. В конце концов де Визери был оправдан... Но французы еще долго противились громоотводу. Может быть, это продолжалось бы и дальше, если бы не один курьезный случай.

В Филадельфии (США) в 1782 г. было установлено 400 громоотводов (всего в Филадельфии было в то время 1300 домов). Крыши всех общественных зданий, за исключением, разумеется, гостиницы французского посольства, были увенчаны металлическими штырями громоотводов. Во время грозы 27 марта 1782 г. именно в дом-исключение ударила молния. Гостиница была частично разрушена, а живший в ней французский офицер убит. После этого случая, вызвавшего широкий общественный резонанс, даже Франция официально признала громоотвод.

Возможно, лишь после этих очень громких процессов и событий электрическая природа молнии стала общепризнанной. Ни у кого не оставалось сомнений в том, что молния – это электрическое явление. Связь молнии с электричеством была прочно доказана. Примерно в это же время ученые стали понемногу подходить к восприятию идеи о том, что молния каким-то образом связана и с магнетизмом. Однако перебросить такой мостик было чрезвычайно сложно главным образом из-за недостатка систематических сведений, касающихся магнита.

Какая неведомая, таинственная сила направляет стрелку компаса? В чьих силах сообщить неживому камню способность двигаться, присущую только живому? Кто бы мог подумать, что именно электричество порождает столь разные и столь могучие эффекты – и молнию, и магнетизм?

Правильное направление мыслям ученых о природе магнетизма, как и в случае электричества, дала молния.

Магнитное поле, образующееся вокруг проводника с током. Иллюстрация с сайта en.wikipedia.org

В начале XIX столетия французский ученый Франсуа Араго выпустил книгу «Гром и молния». В этой книге содержится несколько любопытнейших записей, некоторые из них, быть может, и привели к тому, что приятель Араго, французский физик Андре-Мари Ампер, впервые дал правильное объяснение магнетизму.

Вот некоторые выдержки из книги «Гром и молния»: «...В июле 1681 года 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...»

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

Все более очевидным для исследований становился факт тесной связи молнии и магнетизма. Следует учесть, что связь молнии и электричества была в то время хорошо известна, поэтому становится ясным, что недалек был день, когда наиболее прозорливый увидит связь между электричеством и магнетизмом. Многие уже почти угадали эту связь; не хватало лишь небольшого усилия, чтобы преодолеть барьер, разделяющий две великие силы природы. Так, петербургский академик Франц Ульрих Теодор Эпинус прочел 7 сентября 1758 г. на общем собрании Академии трактат «О сходстве электрической силы с магнитною», в котором он почти вплотную подошел к решению проблемы. Недоставало какого-то мостика, какой-то связующей нити... Надежды усилились, когда научные круги Европы познакомились с итальянскими «новинками» – опытами профессора анатомии Алоизо Луиджи Гальвани.

Случайно получилось так, что в комнате, где в ноябре 1780 г. Гальвани изучал на препарированных лягушках их нервную систему, работал его приятель – физик, производивший по методу Вольта опыты с электричеством. Одну из отпрепарированных лягушек Гальвани по рассеянности положил на стол рядом с электрической машиной. В это время в комнату вошла жена Гальвани. Ее взору предстала жуткая картина: при искрах в электрической машине лапки мертвой лягушки, прикасавшиеся к железному предмету (скальпелю), дергались. Жена Гальвани с ужасом указала на это мужу. Гальвани был поражен и решил, что причина этого – электрические искры. Для того чтобы получить более сильный эффект, он вывесил несколько препарированных лягушек на медных проволочках на железный балкон во время грозы. Однако не только молнии – гигантские электрические разряды – влияли на поведение лягушек. При порывах ветра лягушки раскачивались на своих проволочках и иногда касались железного балкона. Как только это случалось, лапки дергались.

Опыты Гальвани пробудили в широкой публике старые мечты о бессмертии. Бессмертие казалось совсем близким, осязаемым. Сегодня содрогается лапка убитой лягушки, а завтра... Бесчисленное количество людей стали проделывать опыты по методике Гальвани.

Вот что писали об этом в одной из старых энциклопедий:

«В течение целых тысячелетий хладнокровное племя лягушек беззаботно совершало свой жизненный путь, как наметила его природа, свободно росло и наслаждалось земными благами, зная одного только врага, господина аиста, да еще, пожалуй, терпя урон от гурманов, которые требовали для себя жертвы в виде пары лягушачьих лапок со всего несметного рода. Но в исходе позапрошлого столетия наступил злосчастный век для лягушек. Злой рок воцарился над ними, и вряд ли когда-либо лягушки от него освободятся. Затравлены, схвачены, замучены, скальпированы, убиты, обезглавлены – но и со смертью не пришел конец их бедствиям. Лягушка стала физическим прибором, отдала себя в распоряжение науки. Срежут ей голову, сдерут с нее кожу, расправят мускулы и проткнут спину проволокой, а она все же не смеет уйти к месту вечного упокоения; повинуясь приказанию физиков или физиологов, нервы ее придут в раздражение и мускулы будут сокращаться, пока не высохнет последняя капля «живой воды». И все это лежит на совести Алоизо Луиджи Гальвани...».

Но и сам Гальвани не был счастлив. Умерла любимая жена Лючия, он лишился кафедры за отказ присягнуть Наполеону, занявшему Италию, погибли два его племянника. Вскоре и сам ученый умер от голода.

Понять, почему лапки мертвых лягушек дергаются, Гальвани не было суждено. Лишь великий Алессандро Вольта понял, что соединение разных металлических проводников (у Гальвани медная проволока была привязана к железному балкону) само по себе вызывает появление на их концах электрических зарядов. Если замкнуть концы через тело лягушки, образуется электрический ток, который является не кратковременным, как при «страшных опытах» Отто фон Герике, а длительным. О природе этого тока у Вольта с Гальвани был очень серьезный спор: Гальвани был уверен, что источником тока является сама лягушка, а Вольта считал, что первопричина тока – соединение двух разных металлов.

Хотя в споре Гальвани оказался не прав, он тем не менее заложил основы учения о биотоках организма.

Вольта ставил совсем другие опыты – он скептически относился к теории «животного электричества» Гальвани. Иногда его можно было увидеть за странным занятием: он брал две монеты или два кружочка – обязательно из разных металлов – и... клал их себе в рот: одну на язык, другую под язык. Если после этого монеты или кружочки соединяли проволочкой, Вольта чувствовал солоноватый вкус – тот самый вкус, но гораздо слабее, что можем почувствовать мы, лизнув одновременно два контакта батарейки. Из опытов, проведенных раньше с машиной Герике и электрофором, Вольта знал, что такой вкус вызывается электричеством. Положив один на другой множество кружков (свыше ста), Вольта получил довольно мощный источник электричества – вольтов столб. Присоединив к верхнему и нижнему концам столба проводнички и взяв их в рот, Вольта убедился в том, что этот источник, в отличие от машины Герике и электрофора, действует длительно.

Вслед за этим Вольта сделал еще одно изобретение – он создал электрическую батарею, пышно названную «короной сосудов» и состоявшую из многих последовательно соединенных цинковых и медных пластин, опущенных попарно в сосуды с разбавленной кислотой. Это был уже довольно солидный источник электрической энергии (солидный, конечно, по тем временам; сейчас с помощью «короны сосудов» можно было бы привести в действие разве что электрический звонок).

20 марта 1800 г. Вольта сделал доклад о своих исследованиях в Лондонском Королевском обществе. Можно считать, что с этого дня источники постоянного электрического тока – вольтов столб и батарея – стали известны многим физикам и их начали широко применять. Распространению этого изобретения и расширению опытов с электричеством способствовало приглашение Вольта Наполеоном в Париж для чтения лекций перед видными физиками Франции. В России тоже довольно быстро узнали об открытии Вольта. Одна из самых гигантских и мощных электрических батарей того времени, состоящая из 3000 «кружков», была построена русским профессором В.В. Петровым, открывшим с помощью этой батареи прославившую его электрическую дугу.

Уже в 1808 г. известный английский физик сэр Гемфри Дэви осуществил электрическое дуговое освещение на практике. Электричество начало свое победное шествие по всему миру. Особенно быстро развивалось электрическое освещение. Небольшие лампы предлагалось даже помещать на головах слуг и служанок в богатых домах. Так, журнал «Сайнтифик Америкэн» писал в середине прошлого века:

«Вскоре настанет то время, когда и частные дома будут освещаться девушками, вместо того чтобы использовать электрические лампы на колоннах. Такая девушка (яркостью в 50...60 свечей) будет сидеть в кресле гостиной и ждать, пока не позвонят гости – тогда она включит на себе свет, примет посетителя и проводит в приемную. Стоимость такой девушки будет гораздо ниже стоимости необходимого для приема специального слуги и газового освещения. Гораздо приятней иметь в доме электродевушку, чем громоздкие канделябры, которые постоянно угрожают упасть вам на голову. Каждый домовладелец с эстетическим чувством будет рад заменить канделябры девушками, для которых уже выпущено 2500 комплектов ламп и батарей».

Электричество уже до этого прочно вошло в обиход физических лабораторий. С ним проводились многочисленные опыты на животных, с его помощью получали дугу и миниатюрные молнии – искры.

Слово «электричество» вошло в лексикон простых людей. Электричество подозревали теперь во всех труднообъяснимых и таинственных случаях. Взгляды того времени – во фразе: «Все электрическое – таинственное, поэтому все таинственное – электрическое». Роберт Берне в своем шутливом стихотворении «Золотое кольцо» еще раньше писал:

– Зачем надевают кольцо золотое

На палец, когда обручаются двое?

Меня любопытная дева спросила.

Не став пред вопросом в тупик,

Ответил я так собеседнице милой:

– Владеет любовь электрической силой,

А золото – проводник!

Очень близко к решению проблемы подошел Дэви. Ему удалось установить, что электрическая дуга отклоняется под действием магнита. Это уже была связь, но связь робкая, тонкая, связь, которой не придали должного значения. Магнитная стрелка впервые повернулась под действием тока в опытах итальянского физика Романьози: в 1802 г. Романьози заметил, что при поднесении компасной стрелки к вольтову столбу она чуть заметно отклоняется. Иногда никакого эффекта не наблюдалось. Романьози не смог понять того, что стрелка отклонялась лишь тогда, когда вольтов столб замкнут на нагрузку, другими словами, лишь тогда, когда по нему течет ток.

Открыть это выпало на долю Ганса Христиана Эрстеда.

Оглавление

Когда 43-летний копенгагенский профессор Ганс Христиан Эрстед (1777...1851) разослал европейским коллегам свой ставший сразу знаменитым "Памфлет" о действии электрического тока на магнитную иглу - всего четыре странички на латинском языке - и когда многие ученые смогли с ним познакомиться, их удивлению не было границ. Неужели ток действует на магнит столь странно?

Чтобы разобраться в "проблеме Эрстеда", которую бесспорно следует считать ключевой в учении об электричестве и магнетизме, нужно вернуться на два столетия назад и представить себе маленький датский остров Лангеланд, городок на нем под названием Рюдкобинг и семью бедного аптекаря, в которой родился Ганс Христиан. Нужда гналась за семьей по пятам, и начальное образование братьям Гансу Христиану и Андерсу пришлось получать где придется: городской парикмахер учил их немецкому; его жена - датскому; пастор маленькой церквушки научил их правилам грамматики, познакомил с историей и литературой; землемер научил сложению и вычитанию, а заезжий студент впервые рассказал им удивительные вещи о свойствах минералов, пробудил любознательность и приучил любить аромат тайны. В двадцать лет Ганс, приобщенный к науке и познавший столь малую часть ее, уже вынужден был стоять за стойкой отцовской аптеки и помогать ему. Здесь медицина надолго пленила его, потеснив химию, историю, литературу, и еще более укрепила в нем уверенность в его научном предназначении. Он решает поступить в Копенгагенский университет, но не знает, что изучать. Он берется за все: за медицину, физику, астрономию, философию, поэзию. Он увлечен всем сразу и всем серьезно. Как нельзя кстати помогла стипендия, основанная тем самым доктором медицины Кратценштейном, который родился в Германии (шестой сын бедного учителя), окончил университет в Галле, несчастливо служил в Академии Санкт-Петербурга, после чего 42 года преподавал в университете города Копенгагена.

Вместе с Гансом учился и брат, но юриспруденции. Держась за руки, братья гуляли по зеленым лужайкам университетских дворов или сидели на ступенях старинных зданий или в гулких аудиториях, отрешенные, с горящими глазами. Их начинающееся служение науке было сродни какому-то мистическому действу, столь подходящему для этих монастырских стен и холодных келий со стрельчатыми окнами. Ганс был счастлив в университетских стенах; он писал позднее, что для того, чтобы юноша был абсолютно свободен, он должен наслаждаться в великом царстве мысли и воображения, где есть борьба, где есть свобода, где побежденному дано право восстать и бороться снова. Он жил, упиваясь трудностями и первыми небольшими победами, познанием новых истин и устранением предыдущих ошибок. Но чем он занимался? Золотая медаль университета 1797 г. была присуждена ему за эссе "Границы поэзии и прозы". Он разбрасывался и, казалось, заранее ставил крест на своей научной карьере, предпочитая разносторонность профессионализму. Следующая его работа, также высоко оцененная, была посвящена свойствам щелочей, а диссертация, за которую он получил звание доктора философии, - медицине (как и у Кратценштейна).

Наступило новое столетие. В вихре французской революции, на полях сражений американской войны за независимость рождалось новое восприятие мира, очищение умов и душ от устоявшихся догм, ветер свободы манил молодых. Начавшийся промышленный переворот затопил традиционный мир техники нескончаемым потоком новых практических изобретений. Век XIX заявил о себе новым образом жизни и мыслей, новыми социальными и политическими идеями, новой философией, новым восприятием искусства и литературы. Все это захватывает Ганса, он стремится попасть туда, где бурлит жизнь, где решаются главные научные и философские вопросы, - в Германию, Францию, другие европейские страны. Дания была в этом смысле провинцией Европы, и Эрстед не мог и не хотел там оставаться. Он искал понимания, он искал новых друзей.

Его талант, упорство и случайность сплелись в счастливый клубок, и вот он, блестяще защитив диссертацию, едет по направлению университета на годичную стажировку во Францию, Германию, Голландию. В то время он скорее был философом, чем физиком. Его новые друзья - большей частью философы. Много времени он провел в Германии. Там он слушал лекции Фихте о возможностях исследований физических явлений с помощью поэзии, о связи физики с мифологией. Ему нравились лекции Шлегеля, но Эрстед не мог согласиться с ним в необходимости отказа от непосредственного, экспериментального исследования физических явлений. Его поразил Шеллинг, как ранее поразил Гегель. Его увлекла идея о всеобщей связи явлений, он увидел в ней оправдание и смысл своей кажущейся разбросанности - все изучавшееся им оказывалось, по этой философии, взаимосвязанным и взаимообусловленным. Он стал одержим идеей всеобщей связи. Связи всего со всем. Быстро нашлась и родственная душа, мыслящая так же, как он, столь же разносторонняя и романтичная. Это был физик Риттер, изобретатель аккумулятора, гениальный фантазер, источник сумасброднейших идей. В одном из писем Эрстеду Риттер, в частности, высказал такую мысль: годы максимальных наклонений эклиптики, по его мнению, соответствовали годам самых крупных открытий в области электричества. Так, 1745 г. отмечен изобретением лейденской банки, в 1746 г. Вильке изобрел электрофор, в 1782 г. появился конденсатор Вольта, а в 1801 г. - вольтов столб. "Вы можете теперь вычислить, - писал Риттер, - что эпоха новых открытий наступит в 1819 или 1820 году, и мы сможем стать ее свидетелями". Иногда такие предсказания сбываются, хотя и не в полной мере. Это предсказание сбылось, открытие произошло в 1820 г., сделал его Эрстед, но Риттеру не пришлось быть свидетелем этого. Он умер в 1810 г.

Идея всеобщей связи не давала Эрстеду покоя. Необычайная энергия, свойственная ему с детства, вела его к новым и новым поискам. В 1813 г. во Франции выходит его труд "Исследования идентичности химических и электрических сил". В нем Эрстед впервые высказывает идею о связи вольтова электричества и магнетизма. Он пишет: "Следует испробовать, не производит ли электричество... каких-либо действий на магнит..." Его соображения были - простыми: электричество рождает свет - искру, звук - треск, наконец, оно может производить тепло - проволока, замыкающая зажимы лейденской банки, нагревается. Не может ли электричество производить магнитных действий? Говорят, Эрстед не расставался с магнитом. Этот кусочек металла должен был заставлять его думать.

Идея связи электричества и магнетизма носилась в воздухе, и многие лучшие умы Европы были ею увлечены. Еще Франц Ульрих Теодор Эпинус подмечал их сходство, а француз Франсуа Араго потратил много лет для сбора таинственных, на первый взгляд, историй о кораблях, сокровищах и необычных небесных явлениях, в которых он тоже видел эту ускользающую связь.

Пластиковый магнит. Иллюстрация с сайта www.cy-magnetics.com

Однажды на рейде Пальмы, главного порта Майорки, появилось французское военное судно "Ля-Ралейн". Состояние его было настолько жалким, что корабль едва дошел до причала. Когда команда сошла на берег и уступила палубу нескольким именитым французским ученым, в том числе двадцатидвухлетнему Араго, выяснилось, что корабль разрушен молнией. Пока члены комиссии осматривали судно, покачивая головами при виде обгоревших мачт и надстроек, Араго поспешил к компасам и там увидел примерно то, что ожидал: стрелки компасов указывали в разные стороны...

Через год, копаясь в том, что еще несколько дней назад было генуэзским судном (оно разбилось, наскочив на скалы вблизи берегов Алжира), Араго снова обнаружил, что стрелки компасов размагничены. В кромешной тьме южной туманной ночи капитан, направив по компасу судно к северу, подальше от опасных мест, на самом деле неудержимо двигался к тому, чего так старательно пытался избежать. Корабль шел к югу, прямо на скалы, обманутый пораженным молнией магнитным компасом...

Все эти, на первый взгляд, малозначащие и не связанные между собой факты Араго собирал не зря. Молния - это гигантская электрическая искра! Сейчас нам трудно почувствовать сенсационность такого утверждения, но в то время многие простые люди, не то что ученые, восторженно приветствовали открытие Франклина: оно открывало путь в область новых "серендипити" - открытий на каждом шагу. Араго, собравший множество фактов, свидетельствующих о связи молнии с магнетизмом, чувствовал, что он на пороге нового открытия.

Радость и досада - вот, возможно, те чувства, которые он испытал, когда узнал решение долго не дававшейся ему задачи, решение, найденное Эрстедом.

Историки науки, возможно, еще долго будут оставаться в неведении и недоумении относительно обстоятельств этого странного открытия, которое стало чуть ли не классическим примером счастливой случайности.

Не ясна даже дата открытия. Одни исследователи относят его к 1819 г., другие - к 1820. Кое-кто сомневается даже в авторстве Эрстеда. Действительно, обстоятельства открытия дают возможность для кривотолков. 15 февраля 1820 г. Эрстед, уже заслуженный профессор, читал студентам лекции по физике. На лабораторном столе находились вольтов столб, провод, замыкающий его, зажимы и компас. В то время, когда Эрстед замыкал цепь, стрелка компаса вздрагивала и поворачивалась по направлению к проводу. Это было первое непосредственное подтверждение связи электричества и магнетизма. Это было то, что так долго искали все европейские и американские физики. Решение проблемы было потрясающе просто.

Казалось бы, все ясно. Эрстед продемонстрировал студентам еще одно подтверждение своей давнишней идеи о всеобщей связи разнородных явлений. Но почему же возникают сомнения, почему вокруг этого события впоследствии разгорелось так много жарких споров? Дело в том, что студенты, присутствовавшие на лекции, рассказывали потом совсем другое. По их словам, Эрстед хотел продемонстрировать на лекции всего лишь интересное свойство электричества нагревать проволоку, а компас оказался на столе совершенно случайно. И именно случайностью объявили они то, что компас лежал рядом с этой проволокой, и совсем случайно, по их мнению, один из зорких студентов обратил внимание на поворачивающуюся стрелку, а удивление профессора, по их словам, было неподдельным. Сам Эрстед в своих позднейших работах писал: "Все присутствующие в аудитории - свидетели того, что я заранее объявил о результате эксперимента. Открытие, таким образом, не было случайностью, как бы хотел заключить профессор Гильберт из тех выражений, которые я использовал при первом оповещении об открытии".

Следует сказать, что отклонение стрелки компаса в лекционном опыте было весьма незначительным, и поэтому в июле 1820 г. Эрстед снова повторил эксперимент, используя более мощные батареи. Эффект был значительно сильнее, причем тем сильнее, чем толще проволока, которой он замыкал контакты батареи. (Чем больше диаметр проволоки, тем меньше ее сопротивление и, стало быть, больше ток короткого замыкания.) Кроме того, он выяснил одну странную вещь, не укладывающуюся в ньютоновские представления о действии и противодействии. Выражаясь его же словами, "магнитный эффект электрического тока имеет круговое движение".

Чем же был поражен ученый? Почему в своем четырехстраничном памфлете он тщательно перечисляет свидетелей, не забывая упомянуть ни об одной из их заслуг? Среди них "Лауриц Эсмарх - видный ученый; министр юстиции, достойный человек Влейкель - кавалер ордена Дании; удостоенный высочайших наград Гаук, чье знакомство с естественными науками прославлено в стране, Рейнхард, профессор естественной истории; Якобсон, профессор медицины, человек, обладающий высочайшим мастерством проведения экспериментов; опытнейший химик Цейзе, доктор философии..."

Дело в том, что Эрстед, трактуя эксперимент, заронил глубокую мысль, мысль о вихревом характере электромагнитных явлений. "Вихреобразность" процесса, вызывающего в памяти водоворот, вихрь, спираль, долго не находила сторонников, и даже Фарадей поначалу не оценил эту мысль. Он еще долго был убежден в том, что силы, действующие между проводниками с током и магнитной стрелкой, - это силы притяжения и отталкивания, подчиняющиеся законам Ньютона.

Опыт Эрстеда доказывал не только связь между электричеством и магнетизмом. Не напрасно Эрстед в своем памфлете перечисляет свидетелей. То, что открылось ему, было новой тайной, не укладывающейся в рамки ньютоновских законов и прямо нарушающей третий из них: направления возмущающей силы - электричества (определяемого направлением провода) и силы реакции - магнетизма (определяемого направлением магнитной стрелки) были у Эрстеда перпендикулярны. Ученые, сгрудившиеся у лабораторного стола Эрстеда, впервые видели "противодействие", не противоположное по направлению "действию".

Памфлет Эрстеда вышел в свет 21 июля 1820 г. Мы не случайно точно указываем дату. Дальнейшие события развивались в весьма непривычном для неторопливой тогда науки темпе. Уже через несколько дней памфлет появился в Женеве, где в то время находился с визитом Араго. Первое же знакомство с опытом Эрстеда показало ему, что найдена разгадка задачи, над которой бился и он, и многие другие. Впечатление от опытов было столь велико, что один из присутствующих при демонстрации поднялся и с волнением произнес ставшую впоследствии знаменитой фразу: "Господа, происходит переворот..."

Араго возвращается в Париж потрясенный. На первом же заседании Академии, на котором он присутствовал сразу по возвращении, 4 сентября 1820 г. он делает устное сообщение об опытах Эрстеда. Записи, сделанные в академическом журнале рукой протоколиста, свидетельствуют, что академики просили Араго уже на следующем заседании, 11 сентября, т.е. через неделю, показать всем присутствующим опыт Эрстеда.

Сообщение Араго слушал и внезапно побледневший академик Ампер. Он, должно быть, почувствовал в тот момент, что пришла его пора перед лицом всего мира принять из рук Эрстеда эстафету открытия. Он долго ждал этого часа, успел состариться, превратиться из юноши в солидного профессора. И вот час пробил - 4 сентября 1820 г. Ампер понял, что должен действовать. Через две недели он сообщил о рождении электродинамики.

После открытия почести посыпались на Эрстеда как из рога изобилия: он был избран членом многих авторитетнейших научных обществ, в том числе Лондонского Королевского общества и Академии Франции, англичане присудили ему медаль Копли, а из Франции он получил давно заслуженный им приз в 3000 золотых франков, некогда назначенный Наполеоном для авторов самых крупных открытий в области электричества.

Принимая все эти почести, Эрстед никогда не забывал о том, что новый век требует нового подхода к обучению. Он основал в Дании общество для поощрения научных занятий. Польщенный европейской славой Эрстеда, король Фредерик VI пожаловал ему Большой крест Данеборга - высшую награду и, кроме того, разрешил основать Политехнический институт. В те же годы Эрстед организует литературный журнал, читает просветительные лекции для женщин, покровительствует "маленькому Гансу Христиану", своему тезке, будущему великому писателю Гансу Христиану Андерсену. Он совершает десятки заграничных поездок, блестяще овладевает немецким, французским, английским, латинским языками, на которых он читает лекции о науке и литературе. Эрстед становится национальным героем.

Он скончался 9 марта 1851 г. Хоронили его ночью. Толпа из двухсот тысяч человек, освещая путь факелами, провожала своего героя в последний путь. Звучали траурные мелодии, специально сочиненные в его память. Ученые, правительственные чиновники, члены королевской семьи, дипломаты, студенты, горожане восприняли его смерть как личную потерю. За многое они были благодарны ему. И не в последнюю очередь за то, что он подарил миру новые тайны.

Оглавление

До XVIII века cлова «магнит» и «железо» были синонимами. Затем на авансцену уверенно вышел электрический ток, он стал хозяином положения. А железо? Уже «мягкое», а не «жесткое», оно превратилось в своеобразный усилитель магнитного поля, повышая его в сотни раз!

Мало кому заметный, но поистине радикальный переворот от железа к железу с током совершился в 20-е годы прошлого столетия в лабораториях ученых.

После опубликования памфлета Эрстеда многие заинтересовались проблемами электромагнетизма: в том же 1820 г. Араго продемонстрировал проволоку с током, облепленную железными опилками, а Ампер доказал, что спираль с током – соленоид – обладает всеми свойствами природного магнита, притягивая мелкие железные предметы.

Что касается первого электромагнита, т.е. катушки, обтекаемой током и содержащей внутри железный сердечник, то его изобретения пришлось ждать еще пять лет. Это устройство создал Вильям Стерджен.

Образование магнитного потока в соленоиде. Иллюстрация с сайта ru.wikipedia.org

Он родился в Ланкастере в 1783 г. в семье сапожника. Отец не уделял семье ни малейшего внимания; он наслаждался жизнью, удил рыбу и слыл большим любителем петушиных боев. Молодого Вильяма послали учиться мастерству к сапожнику, и тот, по-видимому, держал его в черном теле. Вильям голодал, и поэтому, как только представился случай, сбежал от сапожника в воинскую часть. Было ему в то время девятнадцать лет. Через два года Вильям дослужился до артиллериста, он много читал, ставил физические и химические опыты.

Однажды, когда их часть стояла на острове Ньюфаундленд, налетел страшный ураган, сопровождавшийся молниями и громом. Ураган произвел на Вильяма неожиданно сильное впечатление и привлек его внимание к электричеству. Он стал читать книги по естествознанию, однако вскоре с горечью понял, что ничего в них не понимает. Тогда он решил начать с самых азов и занялся письмом, чтением и грамматикой. Сержант тон же части снабжал его книгами, которые Вильям, освободившись от вахты, читал по ночам. Вскоре он перешел к математике, мертвым и новым языкам, оптике и естествознанию. Его страстью в свободное время было ремонтировать часы и чертить.

После освобождения от воинской службы в 1820 г. Стерджен купил токарный станок и посвятил себя изготовлению физических приборов, в частности электрических. Благодаря поддержке известного тогда химика Джеймса Марша он был назначен лектором в Военную академию Ост-Индской компании в Аддискомбе, где и преподавал до 1838 г.

Первым вкладом Стерджена в науку стала разработка им модифицированной модели вращающихся цилиндров Ампера, описанной в «Философском журнале» в 1823 г. На следующий год он написал четыре статьи по термоэлектричеству, а 23 мая 1825 г. представил Обществу искусств несколько усовершенствованных приборов для электромагнитных экспериментов, среди которых был ставший теперь знаменитым первый электромагнит. Идея цилиндрического и подковообразного магнитов захватила его еще в 1823 г. Тогда Стерджен и построил вращающееся «колесо Стерджена» – фактически одну из первых модификаций электромотора.

Стерджен сделал ряд очень важных открытий, о которых написал несколько статей, однако «Философский журнал», для которого они предназначались, отказался их печатать, и Стерджену не оставалось ничего, как создать свой собственный журнал – «Анналы электричества».

Музей науки в Манчестере, директором которого стал Стерджен в 1840 г., был слишком научным, чтобы быть прибыльным, и Стерджен жил в бедности. В 1850 г. изобретатель электромагнита умер, так и не получив в награду за свое великое изобретение ни богатства, ни славы.

Ученик Стерджена, знаменитый английский физик Джеймс Прескотт Джоуль, писал, что Стерджен был высокого роста и хорошо сложен, обладал благородной внешностью и приятными манерами. К сожалению, портрета его не сохранилось. На его могильной плите выбито: «Здесь лежит изобретатель электромагнита...»

Первый в мире электромагнит, продемонстрированный Стердженом 23 мая 1825 г. Обществу искусств, представлял собой согнутый в подкову лакированный железный стержень длиной 30 и диаметром 1,3 см, покрытый сверху одним слоем изолированной медной проволоки. Электроэнергией он снабжался от гальванической батареи (вольтова столба). Электромагнит удерживал на весу 3600 г и значительно превосходил по силе природные магниты такой же массы. Это было блестящее по тем временам достижение.

Сам Стерджен особенно высоко оценивал свою идею, связанную с заменой жесткого железа мягким. Ученый свободно оперировал такими понятиями, как «магнетизм», «магнитная энергия», «однородность магнитного материала», «отжиг железа» и т.д.

Правление общества оценило заслуги Стерджена. Он получил медаль и денежную премию, а первый электромагнит был выставлен в музее общества.

Джоуль, экспериментируя с самым первым магнитом Стерджена, сумел довести его подъемную силу до 20 кг. Это было в том же 1825 г.

В 1828 г. лондонский часовой мастер Воткинс изготовил электромагнит, который поднимал 30 кг.

Тогда же профессор Молл из Утрехта, взяв за основу конструкцию Воткинса, изготовил магнит, «поднимавший наковальню массой 60 кг и не поднимавший наковальню массой 80 кг».

В 1832 г. Стерджен изготовил магнит, поднимавший 160 кг, но уже в том же году Марш создал магнит, способный поднять более 200 кг. Однако Стерджен не собирался терять первенства. По его заказу в 1840 г. был выполнен электромагнит, способный поднять уже 550 кг!

К тому времени у Стерджена нашелся очень сильный соперник за океаном. В апреле 1831 г. профессор Йельского университета Джозеф Генри (его именем названа единица индуктивности) построил электромагнит массой около 300 кг, поднимавший около 1 т.

Все эти магниты по конструкции представляли собой подковообразные стержни, обмотанные проволокой. Джоуль в ноябре 1840 г. создал магнит собственной конструкции, в виде толстой стальной трубы, разрезанной вдоль оси. Сечение этого магнита было очень большим, магнит оказался компактным и поднимал 1,3 т. В то же время Джоуль построил магнит совершенно новой конструкции – притягиваемый груз испытывал действие не двух полюсов, как обычно, а значительно большего количества, что позволило резко увеличить поднимаемый груз. Магнит массой 5,5 кг удерживал груз массой 1,2 т.

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

Когда немецкий учитель Георг Симон Ом положил на стол ректора Берлинского университета свою диссертацию, где впервые был сформулирован закон, без которого невозможен ни один электротехнический расчет, он получил весьма резкую отповедь. Электричество-де 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 Вильгельм Фридрих Гегель.

Первые магниты были сделаны «как бог на душу положит». Однако не любая форма давала хороший результат. Случайно получилось так, что Стерджен для своего первого магнита выбрал очень удачную – подковообразную – форму (подковообразные магниты изготовляют до сих пор). Отсутствие опыта и элементарной методики расчета магнитов привело к тому, что некоторые разновидности магнитов, предложенные в то время, были бы, на наш взгляд, просто абсурдными. Так, трехлапый магнит не мог бы успешно работать, так как магнитные потоки каждого стержня противодействовали бы друг другу – поток одного стержня замыкали на втором стержне, где он действовал навстречу потоку этого стержня.

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

Лабораторные магниты того периода изготовлялись «на глазок». Никакой теории, которая позволила бы заранее предсказать свойства магнитов, не существовало. Первый вклад в теорию расчета электромагнитов внесли русские ученые Э.X. Ленц и Б.С. Якоби, указавшие на связь подъемной силы электромагнита и произведение силы тока в катушках на число витков обмотки.

После Ленца и Якоби крупный вклад в теорию расчета магнитов внесли англичане братья Гопкинсоны, которые предложили метод учета насыщения – явления, давно замеченного проектировщиками магнитов и заключающегося в том, что в магните заданной формы после некоторого предела увеличением тока в катушках нельзя повысить его подъемную силу. Современная теория связывает это явление с тем, что при достижении некоторого намагничивающего тока элементарные магнитики (диполи) железа (ферромагнетика), ранее расположенные беспорядочно, в основном ориентированы в одном направлении и при дальнейшем усилении намагничивающего тока существенного увеличения числа магнитиков, ориентированных в одном направлении, не происходит. Насыщение стали привело к тому, что индукция магнитного поля первых магнитов не превышала 2 Тл.

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

Нельзя сказать, чтобы эта борьба была очень успешной. За сто лет этой напряженной войны физиков с непокорной «насыщающейся» сталью индукция магнитного поля в магнитах возросла всего лишь в два с половиной раза. Над этой проблемой работали многие видные физики и электротехники.

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.

Масса магнитов быстро увеличивается – теперь в большей степени за счет катушек. Если в 1881 г. самый большой в мире лабораторный магнит весил около 1 т, то в 1930 г. – уже около 120 т.

Первым отметку «5 Тл» пересек в 1903 г. магнит профессора Грея в Глазго. Ему удалось это сделать, применив мощные катушки, близко придвинутые к коническим полюсам.

Интересная идея была высказана французским ученым Перро в 1914 г.: он предложил кроме двух обычных катушек, расположенных на полюсах, использовать третью, охватывающую собой рабочую зону машин. Индукция магнитного поля магнита Перро достигла 5,1 Тл. К 1914 г. профессор Беккерель (младший) в Парижском музее естественной истории создал магнит, индукция магнитного поля которого возросла до 5,5 Тл, три других самых мощных магнита того времени – Вейсса в Цюрихе, Кайзера в Бонне и Эймса в США – работали на уровне 4,5 Тл.

Следует отметить, что создание Беккерелем магнита с индукцией поля 5,5 Тл, было воспринято физиками всего мира как большая сенсация. «Гигантский», «мощнейший», – писали об этом электромагните газеты. Увеличение индукции магнитного поля лишь на 10% стоило многих трудов и ухищрений. Однако самое главное заключалось в том, что для изготовления полюсов магнита был использован новый материал – сплав железа с кобальтом, который насыщается при индукции на несколько процентов большей, чем ранее применяемые материалы. Потребляя мощность 22 кВт, электромагнит в междуполюсном промежутке создавал поле, магнитная индукция которого составляла 5,5 Тл. При замене феррокобальтовых наконечников железными индукция полей снижалась до 5,2 Тл.

Если расстояние между полюсами было 2 мм и полезный объем 14 мм³ (т.е. объем, в который можно было поместить лишь небольшой образец), то индукция магнитного поля достигла 5,9 Тл. Когда полезный объем был уменьшен до 0,5 мм³ (полюсы, по сути дела, соприкасались), индукция поля возросла до 6,5 Тл. Обмотка электромагнита состояла из тысячи витков медной трубки, по сечению которой шел ток, а по полости – охлаждающая вода. Магнит охлаждался так хорошо, что мог работать круглые сутки. Другие магниты, не имевшие искусственного охлаждения, не могли вследствие сильного нагрева работать подряд более 2 ч.

Беккерель хотел при помощи этого магнита уточнить некоторые неясности теории эффекта Зеемана. «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.

Все физики могли видеть, с каким трудом были получены дополнительные 0,5 Тл, тем не менее некоторые из них полагали, что весь вопрос заключается в стоимости и размерах магнита. Сделать магнит колоссальным, вложить в него массу денег – и можно получить сколь угодно большое магнитное поле.

Надежду на то, что электромагнит гораздо большей мощности, возможно в 100 Тл, будет построен в ближайшие годы, выразили на Международном конгрессе электриков в 1914 г. директор международного бюро мер и весов Гийом и профессор физики в Сорбонне Перрен. Они полагали, что по стоимости электромагнит будет равен мощному дредноуту (12...14 млн. дол.) и потребует для создания нескольких лет.

Однако даже такой ценой не удалось бы повысить индукцию поля электромагнитов до 100 Тл или, что то же самое в единицах другой системы измерений (СГС) – до 1 млн. Гс. Даже сейчас такое стационарное поле – недостижимая мечта физиков. И виновно в этом не в последнюю очередь насыщение.

В 30-е годы в Белль-Ви, близ Парижа, вступил в строй самый большой из всех построенных ранее лабораторных магнитов. Этот магнит был создан Французской академией наук для изучения магнетизма. Кроме огромной массы он имел полюсные наконечники из особого сплава – пермендюра, обладающего несколько большей индукцией насыщения, чем сталь. Это позволило достичь большого поля. Но и оно составляло лишь 5,2 Тл при произведении силы тока на количество витков, равном 500 тыс. А. Длина магнита 630 см, высота 275 см, масса 120 т.

В 1934 г. в университете шведского города Упсала вступил в строй новый мощный магнит. Он отличался от французского тем, что полюсы его имели значительно большую конусность, а катушки и сам полюс меньшую высоту. Этот электромагнит, рассчитанный Дрейфусом, оказался гораздо эффективней французского. Он весил всего лишь 30 т, но с его помощью при том же объеме можно было получить поле примерно 5,8 Тл. В этом магните полюсы притягивались с силой более 60 т.

С тех пор было построено много мощных электромагнитов, но парижский и упсальский до сего времени остаются рекордсменами – первый по массе, второй – по эффективности.

Сейчас почти в каждой физической лаборатории имеется электромагнит: магниты используются для изучения свойств веществ в сильных полях, для испытания новых материалов, в современных уникальных измерительных приборах, в квантовой электронике, при исследовании взаимодействия атомных частиц, для медицинских и биологических исследований. Они не поражают размерами, однако с их помощью можно получить в довольно значительном объеме поле 4...5 Тл, необходимое для исследований.

Магнитный ковер на Солнце. Иллюстрация с сайта www.astronet.ru

Самый впечатляющий и необычный исследовательский электромагнит, который никогда не был построен, предложил знаменитый американский изобретатель Томас Альва Эдисон. В начале 90-х годов прошлого столетия он предложил создать 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, масса которой не менее 100 млн. т. Если бы обмотать эту скалу большим количеством проволоки так, чтобы скала играла роль гигантского сердечника колоссального электромагнита, то с помощью этой обмотки, в силу ее большой индуктивности, можно было бы следить за изменением магнитного состояния Солнца.

В настоящее время, конечно, в таком датчике магнитного поля космических тел нет необходимости. Электромагнитные процессы на Солнце можно хорошо изучать с помощью радиотелескопов и других приборов, хотя и громоздких, но все-таки в несколько тысяч раз более легких и удобных, чем магнитная скала. Однако для своего времени идея Эдисона была удивительно смелой и передовой.

Оглавление