Электромагнит можно перегружать, если увеличить ток, обтекающий обмотку. Форсаж – это последний резерв на пути достижения сверхсильных полей, поэтому магнитные рекорды обычно принадлежат создателям импульсных систем..

Это направление берет начало от Вольта, который, заинтересовавшись электрическими рыбами, попробовал построить что-то подобное живой природе. Нильский сомик оказался слабым, гораздо лучше рыба «Торпедо» – гигантский электрический скат. Создавая разряд напряжением 50...60 В, он может убить зашедшего в воду теленка, электрический угорь Амазонки создает импульс напряжением до 500 В..

Результат неудачного эксперимента. Иллюстрация с сайта National High Magnetic Field Laboratory

До Вольта уже были известны такие способы создания электричества, как натирание стекла шерстью, лейденская банка, нагрев турмалина. Сам Вольта научился электризовать жидкости кипячением и химическими реакциями, потом он построил вольтов столб, опустив два разнородных металла в едкую жидкость, однако этот источник не имел с «Торпедо» ничего общего, хотя изобретатель придал своей конструкции форму рыбы..

Потом природой электрического удара угря занялся Фарадей. 6 декабря 1838 г. он доложил результаты опытов перед Королевским обществом. Фарадей использовал два металлических электрода, один конец которых касался рыбы, а к другому были присоединены медные проводнички. Они, в свою очередь, крепились к небольшому соленоиду – проволочной спирали, внутри которой помещалась железная проволока. Во время разряда угря соленоид создавал относительно сильное магнитное поле, которое намагничивало проволочку. По расположению магнитных полюсов проволочки Фарадей определял полярность напряжения рыбы. Этот эксперимент долго оставался экзотическим эпизодом в истории физики. И лишь много лет спустя всерьез начал заниматься изучением импульсных магнитных полей замечательный советский физик академик П.Л. Капица..

Петр Леонидович Капица родился в 1894 г. в Кронштадте. Он окончил Петроградский политехнический институт и в 1921 г. был послан в Лондон в составе первой советской научно-промышленной делегации. Петр Леонидович и не предполагал тогда, что долго проживет в Англии, создаст там собственную школу и превратится из скромного доцента в ученого с мировым именем. Большую роль во всем этом сыграл другой член делегации, известный физик А.Ф. Иоффе. Это он послал Капицу в Кембридж просить место в лаборатории знаменитого физика Э. Резерфорда. Однако Резерфорд заколебался: в его «сургучно-веревочной», хотя и блестящей ядерной лаборатории уже работало 30 стажеров. Говорят, что Капица тогда заметил: «30 и 31 различаются примерно на 3%; поскольку Вы всегда предостерегаете против рабской точности измерений, такая трехпроцентная разница вовсе не будет Вами замечена». Правильна ли эта версия, сказать трудно, но так или иначе Капица остался у Резерфорда (с условием не вести «красную пропаганду»), и вскоре скромный стажер, плохо знающий английский язык, стал близким к Резерфорду человеком, имеющим свою лабораторию. Вслед за Фарадеем Капица обратился к импульсным магнитным полям, задумав довести их до небывалой силы..

Вот история восхождения молодого советского физика в Кембридже, в Кавендишской лаборатории Резерфорда, описанная им самим в письмах к матери О.И. Капице..

«12 августа 21-го года..

...Вчера в первый раз имел разговор на научную тему с профессором Резерфордом. Он был очень любезен: повел к себе в комнату, показывал приборы. В этом человеке, безусловно, есть что-то обаятельное, хотя порою он и груб»..

«1 ноября 21-го года..

...Результаты, которые я получил, уже дают надежду на благополучный исход моих опытов. Резерфорд доволен, как передавал мне его ассистент. Это сказывается на его отношении ко мне. Когда он меня встречает, всегда говорит приветственные слова. Пригласил в это воскресенье пить чаи к себе, и я наблюдал его дома. Он очень мил и прост... Но... когда он недоволен, только держись, так обложит, что мое почтение»..

Для изучения свойств альфа-частиц П.Л. Капица предложил помещать камеру Вильсона в магнитное поле. В нем траектория заряженной частицы искривляется, причем радиус искривления зависит от импульса частицы..

«29 ноября 1922-го года..

Для меня сегодняшний день до известной степени исторический... Вот лежит фотография – на ней только три искривленные линии – полет альфа-частицы в магнитном поле страшной силы. Эти три линии стоили профессору Резерфорду 150 фунтов стерлингов, а мне и Эмилю Яновичу – трех с половиной месяцев усиленной работы. Но вот они тут, и в университете о них все знают и говорят. Странно: всего три искривленные линии! Крокодил очень доволен этими тремя искривленными линиями. Правда, это только начало работы, но уже из этого первого снимка можно вывести целый ряд заключений, о которых прежде или совсем не подозревали, или же догадывались по косвенным фактам. Ко мне в комнату – в лабораторию – приходило много народу смотреть три искривленные линии, люди восхищались ими...».

«4 декабря 1922-го года..

Я эти дни был что-то вроде именинника, 2-го в субботу был прием у проф. Дж. Томсона по случаю приезда голландского физика Зеемана. Конечно, надо было напялить смокинг. Я говорил с Зееманом, и меня представляли примерно таким образом, что это, дескать, такой физик, который решает такие проблемы, которые считаются невозможными (для решения). И эти генералы меня трепали около 20 минут, пока я не ушмыгнул в угол... Сегодня Зееман и лорд Релей (сын) были у меня в лаборатории и смотрели мою работу...».

«15 июня 1923-го года..

Вчера был посвящен в доктора философии... Мне так дорого стоил этот миг, что я почти без штанов. Благо Крокодил дал взаймы, и я смогу поехать отдохнуть...».

Проведя серию экспериментов в магнитных полях до 43 тыс. Э (4,3 Тл), Капица решил распространить измерения на более сильные поля. Для этого необходимо было создать соленоиды, поле которых превышало бы прежнее примерно в 10 раз..

Основные трудности при создании сильных полей заключаются в том, что для этого необходим источник тока огромной мощности, кроме того, существует опасность разрушения соленоида при нагревании. Для решения этих проблем Капица предложил создавать сильные магнитные поля на очень короткое время в течение которого можно еще провести необходимые измерения и в то же время избежать разрушения соленоида..

Известно, что любая обмотка обладает тепловой инерцией: она не может мгновенно нагреться до температуры плавления даже под влиянием очень большого тока. В системах, работающих кратковременно, упрощается проблема источника сильного тока. Поэтому в качестве такого источника можно использовать устройства, способные дать мгновенный мощный разряд, следующий за относительно продолжительным периодом зарядки. Таких устройств довольно много. Можно, например, использовать электрическую энергию, накопленную в конденсаторной батарее, работающей при разрядке практически в режиме короткого замыкания. Можно воспользоваться магнитной энергией, накопленной в магнитном поле трансформатора. По расчетам Капицы, для получения магнитного поля 50 Тл понадобится трансформатор с малым числом витков на вторичной обмотке, с сердечником длиной 2...3 м и диаметром 30...40 см..

Модельный эксперимент с использованием магнитного поля трансформатора был без промедления проведен П.Л. Капицей вместе с известным английским физиком П.М.С. Блэкеттом. Эксперимент оказался неудачным. Выяснилось, что быстро механически разорвать первичную цепь трансформатора почти невозможно: при разрыве появляется дуга, и энергия намагниченного железа, вместо того чтобы обрушиться лавиной во вторичную цепь, возвращается в первичную и выделяется в дуге..

Конденсаторы также оказались непригодными, поскольку в то время они были весьма несовершенны и громоздки..

П.Л. Капица обратился к аккумуляторным батареям. Их тоже пришлось специально конструировать, поскольку необходимо было, чтобы их собственная емкость и активное сопротивление были бы минимальными. С помощью новых аккумуляторных батарей при их коротком замыкании удалось мгновенно получить ток 7 тыс. А и мощность 1000 кВт. Разряжая батарею на один из соленоидов с внутренним диаметром 1 мм, П.Л. Капица получил на 0,003 с (пока соленоид не разрушился) магнитное поле 50 Тл. С помощью этой батареи было испытано множество соленоидов самых разнообразных конструкций. В одном из соленоидов, навитом медной лентой, можно было проводить измерения в поле до 13 Тл. Когда же этот соленоид поместили на время опыта в жидкий азот, оказалось возможным проводить регулярные измерения в магнитном поле с индукцией 25 Тл. Это было тем максимумом, которого удалось в то время добиться с помощью аккумуляторов. Для получения больших полей необходимо было искать другой, более мощный источник электроэнергии, который должен был давать мощность порядка 50 тыс. кВт в течение времени, пока обмотка не нагреется до 150°С (тепловой предел электроизоляции), т.е. в течение 0,01 с..

В январе 1923 г. в Лондоне П.Л. Капица познакомился с молодым советским инженером М.П. Костенко, в то время работавшим в Англии. Костенко, как и Капица, был инженером-электромехаником по образованию и окончил тот же Политехнический институт. Вскоре они подружились. Петр Леонидович предложил своим новым друзьям супругам Костенко вместе съездить в отпуск во Францию. Он помог им получить французские визы, и они вместе отпраздновали в Париже День взятия Бастилии..

Интересно, что в то время Костенко как раз занимался теми вещами, которые могли заинтересовать Капицу, – он разрабатывал, в частности, электромагнитный молот и электромагнитную пушку – специализированные электромеханические системы, важным элементом которых была электрическая машина, работающая в режиме короткого замыкания..

Для опытов Капицы нужны были большие токи на весьма небольшие моменты времени. И он подумывал о токах короткого замыкания. Костенко, уже работавший с генераторами, действующими в условиях коротких замыканий (электромагнитный молот), предложил использовать для этой цели большие всплески тока, возникающие при внезапном коротком замыкании синхронных генераторов. В качестве нового источника большой мгновенной мощности можно было взять быстроходный синхронный генератор, чтобы использовать в течение небольшого промежутка времени запасенную ранее электромагнитную и кинетическую энергию ротора..

Костенко мастерски подобрал параметры необходимого генератора, получив максимально возможные для машины заданных габаритов всплески тока и соответствующие магнитные поля..

Капица ознакомил с проектом руководителя Кавендишской лаборатории. Профессор Резерфорд высоко оценил идею эксперимента и даже предположил возможность создания с помощью «ударного генератора» магнитных полей порядка 700 Тл (!) и тем самым, воздействовав на внутреннее поле атома и заставив все электроны вращаться в одной плоскости, «сплющить атом»..

Костенко и Капица стали соавторами предложенного ими устройства и получил 30 июня 1926 г. английский патент. Импульсный генератор был изготовлен и с большим успехом испытан..

В качестве мощного источника тока П.Л. Капица и М.П. Костенко предложили использовать электрогенератор номинальной мощностью 2 тыс. кВт, который в режиме короткого замыкания не сгорал, как обычные генераторы, а выдавал без аварийных последствий в течение 0,01 с мощность 50 тыс. кВт. Этот генератор был построен фирмой «Метрополитен Виккерс» по расчетам М.П. Костенко, П.Л. Капицы и Майлса Уокера. Генератор приводился во вращение специальным электродвигателем, получавшим энергию от аккумуляторных батарей..

Тоже магнитик... Иллюстрация с сайта National High Magnetic Field Laboratory

Масса ротора генератора составляла 2,5 т, диаметр его 50 см. Большой момент инерции ротора позволял обойтись без специального маховика. Генератор давал переменный ток, что было очень существенно, поскольку большой ток короткого замыкания был нужен лишь на небольшой промежуток времени. Если бы генератор давал постоянный ток, то по прошествии 0,01 с этот постоянный ток громадной силы должен быть выключен, а это само по себе – сложнейшая проблема. Переменный ток, как известно, два раза в течение каждого периода сам проходит через нулевое значение, и выключить генератор, когда ток проходит нулевое значение, не представляет особого труда. Нужно только строго синхронизировать момент прохождения тока через нуль с моментами включения и выключения генератора на короткое замыкание. Сделать это абсолютно точно невозможно: момент выключения может совпадать с таким временем, когда ток в обмотке еще не равен нулю. Поэтому П.Л. Капице «на всякий случай» пришлось сконструировать выключатель на ток 5 тыс. А (амплитуда тока 30 тыс. А), отключающий цепь за 0,0001 с. Этот выключатель сам по себе – подлинное произведение инженерного искусства..

Соленоид, на который обрушился колоссальный ток короткого замыкания генератора, представлял собой катушку из медной проволоки квадратного сечения. В последующих экспериментах медь была заменена сплавом меди с кадмием, обладающим большей механической прочностью при несколько повышенном электросопротивлении. Когда ток генератора проходил через катушку, в ней развивались грандиозные механические усилия, достигающие нескольких десятков тонн. Чтобы эти усилия не разорвали обмотку, она снаружи скреплялась прочной стальной лентой, воспринимающей усилия..

Это, однако, было не все. Под влиянием мощных сил катушка немного разматывалась, и концы ее отрывались от тех электровводов, через которые к катушке подавался ток. Катушка за катушкой «погибали» вследствие второстепенного явления уже после того, как были преодолены, казалось бы, все основные трудности. Устранение «мелочей» заняло несколько месяцев. Наконец решение было найдено. Капица создал обмотку, которая могла «дышать», т.е. автоматически расширяться. Один из контактов был сделан подвижным и сам после нескольких испытаний занимал то положение, которое ему «больше нравилось»..

Другой серьезной трудностью была краткость времени, в течение которого можно было производить измерения. Ведь магнитное поле существовало в соленоиде всего 0,01 с, и за это время все эксперименты надо было начать и закончить. Кроме того, работу осложняли микроземлетрясения, происходящие при резком торможении генератора в тот момент, когда его обмотка замыкалась накоротко. Несмотря на то, что генератор был установлен на массивном фундаменте, покоящемся на скальном основании на виброустойчивой подушке, волна микроземлетрясения искажала результаты измерений. Чтобы этого не происходило, П.Л. Капица нашел весьма изящный выход. Он расположил соленоид с объектом исследования в другом конце зала на расстоянии 20 м от генератора. Волна землетрясения, движущаяся со скоростью звука в данной среде, проходила 20 м за 0,01 с и достигала соленоида уже к тому времени, когда измерения проведены..

В момент короткого замыкания температура в обмотке очень сильно повышается, а затем постепенно выравнивается. Расчеты показали, что эта температура должна превышать температуру Солнца. Это дало повод профессору Эддингтону шутливо заявить: «Работы П.Л. Капицы и Э. Резерфорда по расщеплению атома приводят к тому, что, хотя температура в глубинах звезд, быть может, равна миллионам градусов, эти глубины являются довольно прохладным местом по сравнению с Кавендишской лабораторией»..

Вот что писал П.Л. Капица о своих опытах Резерфорду, находившемуся в то время в Каире..

«Кембридж. 17 декабря 1925 г..

Я пишу Вам это письмо в Каир, дабы рассказать, что мы уже сумели получить поля, превышающие 270 тыс., в цилиндрическом объеме диаметром 1 см и высотой 4,5 см. Мы не смогли пойти дальше, так как разорвалась катушка, и это произошло с оглушительным грохотом, который, несомненно, доставил бы Вам массу удовольствия, если бы Вы слышали его....

Но результатом взрыва был только шум, поскольку, кроме катушки, никакая аппаратура не претерпела разрушений. Катушка же не была усилена внешним ободом, каковой мы теперь намереваемся сделать..

...Я очень счастлив, что в общем все прошло хорошо, и отныне Вы можете с уверенностью считать, что 98 процентов денег были потрачены не впустую, и все работает исправно..

Авария явилась наиболее интересной частью эксперимента и окончательно укрепляет веру в успех, ибо теперь мы точно знаем, что происходит, когда катушка разрывается. Мы также знаем теперь, как выглядит дуга в 13 тыс. А. Очевидно, тут вообще нет ничего пагубного для аппаратуры и даже для экспериментаторов, если они держатся на достаточном расстоянии..

Со страшным нетерпением жажду увидеть Вас снова в лаборатории, чтобы в мельчайших деталях, иные из которых забавны, рассказать Вам об этой схватке с машинами»..

С помощью импульсного генератора П.Л. Капице удалось провести планомерные исследования в магнитных полях до 32 Тл. Это поле, занимавшее объем всего 2 см³, стало верхней границей уверенно получаемого магнитного поля. Вплоть до этой границы Капица совместно с другими учеными исследовал явления Зеемана и Пашена – Бека, магнитосопротивление, магнитострикцию и другие эффекты..

Рассматривая перспективы получения еще более сильных магнитных полей, П.Л. Капица указывал в одной из своих статей, что уже в то время (в 20-е годы) состояние техники позволяло сделать конденсаторные батареи, которые могли бы создать поле 200...300 Тл. Однако технические трудности оказались столь велики, что только лишь через 40 лет таким способом удалось получить поля, о которых говорил П.Л. Капица..

Рекорды, поставленные П.Л. Капицей, оставались нетронутыми более 20 лет. Они были побиты лишь в 50-х годах..

Постепенно Капица убедил Резерфорда построить специальную лабораторию для исследований в сильных магнитных полях и при сверхнизких температурах. Резерфорд поддержал эти предложения и даже получил соответствующие средства. Решение вопроса сильно облегчалось тем, что авторитет Капицы в Кембридже уже был чрезвычайно высок – его избрали даже членом Лондонского Королевского общества, т.е. английским академиком..

И вот на древней кембриджской земле рядом со старыми корпусами колледжа поднялось современное, хотя и не слишком большое здание лаборатории имени Монда, директором которой был назначен П.Л. Капица..

Торжественное открытие состоялось в феврале 1933 г. в присутствии премьер-министра Великобритании С. Болдуина и, разумеется, Э. Резерфорда..

Резерфорд был необычайно доволен и новым зданием, и его оборудованием, и особенно новым директором Монд-лаборатории. П.Л. Капица, по мысли Резерфорда, должен был бы впоследствии стать его преемником и по Кавендишской лаборатории..

Н. Винер вспоминал: «...в Кембридже была все же одна дорогостоящая лаборатория, оборудованная по последнему слову техники. Я имею в виду лабораторию русского физика Капицы, создавшего специальные мощные генераторы, которые замыкались накоротко, создавая токи огромной силы, пропускавшиеся по массивным проводам; провода шипели и трещали, как рассерженные змеи, а в окружающем пространстве возникало магнитное поле колоссальной силы... Капица был пионером в создании лабораторий-заводов с мощным оборудованием... Сейчас, в связи с созданием атомной бомбы и развитием исследований по физике атомного ядра, такие лаборатории стали совершенно обычными»..

Однако директором Монд-лаборатории П.Л. Капица пробыл недолго. Пришло время возвращаться на родину, надо было налаживать научную работу в Москве – создавать Институт физических проблем Академии наук СССР. Главными темами научных исследований этого института стали магнетизм и сверхнизкие температуры..

Обе эти проблемы должны были решаться комплексно, с участием физиков-экспериментаторов и физиков-теоретиков. Капица думал о том, что их работа в рамках единого института будет способствовать общему прогрессу исследований. По его замыслу здесь должны были работать первоклассные ученые, полностью отдавшие себя научному творчеству..

Однако Капица приехал в Москву, не имея ни сотрудников, ни научной школы. Готовых кадров не было. А может, это и неплохо – создавать новые направления и традиции..

Несколько лет заняло формирование и обучение основного и вспомогательного состава сотрудников, образование его ядра. В институте культивировалось служение науке. Руководство его также должно было участвовать в научном процессе. Капица не собирался отказываться от проведения собственных исследований. «Только когда работаешь в лаборатории сам, своими руками, проводишь эксперименты, пускай часто даже в самой рутинной их части, только при этом условии можно добиться настоящих результатов в науке, – писал он. – Чужими руками хорошей работы не сделаешь. Человек, который отдает несколько десятков минут для того, чтобы руководить научной работой, не может быть большим ученым. Я, во всяком случае, не видел и не слышал о большом ученом, который бы так работал, и думаю, что этого вообще быть не может. Я уверен, что в тот момент, когда даже самый крупный ученый перестал работать сам в лаборатории, он не только прекращает свой рост, но и вообще перестает быть ученым»..

Наконец, институт укомплектован, в нем ведутся исследования... «Мне кажется, цель достигнута, и институт можно считать не только одним из самых передовых в Советском Союзе, но и в Европе», – писал радостный Капица..

На установке для получения сверхсильных магнитных полей кавендишцы – механик Пирсон и лаборант Лауэрман – помогали продолжать кембриджские опыты. В одном из них был зафиксирован новый рекорд – получено импульсное магнитное поле в 50 Тл..

Мировая наука остро нуждалась в сверхсильных магнитных полях. Физики циклотронной лаборатории Гарвардского университета, например, мечтали о полях хотя бы 20 Тл, которые могли бы заметно искривлять траектории частиц, попадающих в толстые фотоэмульсии. Они использовали конденсаторные батареи..

Мощные конденсаторные батареи за 0,00001 с могли обеспечить получение электрической мощности 1 млн. кВт или 1 млрд. Вт (мощность Днепрогэса 600 тыс. кВт), удалось получить магнитное поле более 100 Тл. Внезапное высвобождение огромной энергии происходило с грохотом, напоминающим удар грома..

Вся эта лавина энергии загонялась в один-единственный массивный виток. Как показал П.Л. Капица, соленоиды обычного типа с намотанной на них медной проволокой, «выживают» лишь в полях до 30...35 Тл. Соленоиды «биттеровского» типа, изготовленные из медных дисков, оказались устойчивее, но и они выдерживали магнитные поля не выше 50...70 Тл. Соленоиды не в состоянии противодействовать огромным усилиям, возникающим в таких полях. Особенно слабым местом казалась межвитковая изоляция. Чтобы от нее избавиться, пришлось перейти на один-единственный массивный виток, который вместе с держателем изготовили из меди, закаленной стали или бериллиевой бронзы..

Цель экспериментов – выяснить, насколько различные металлы могут противостоять механическим и тепловым воздействиям сверхсильных импульсных полей. Эксперименты показали, что ни один металл не может без разрушения выдержать усилия, возникающие в магнитном поле 100 Тл. Казалось бы, этим и будут ограничены успехи физики сверхсильных полей. Однако современными учеными, по-видимому, найден выход из этого затруднительного положения. Он заключается в применении «бессиловых» обмоток, где используются принципы наложения противоположно направленных сил..

Разработано большое число бессиловых и малосиловых обмоток. Бессиловые обмотки – это последняя надежда физиков на получение устойчивых полей в неразрушающихся обмотках в том случае, если не будут открыты более прочные и тугоплавкие материалы..

Сильные магнитные поля при разрядке мощных конденсаторных батарей на биттеровский соленоид, иногда запеченный для прочности в керамику, или на отдельный виток сейчас широко используются для создания полей 20...70 Тл..

Значительным техническим достижением является создание в Институте атомной энергии имени И.В. Курчатова (С.Х. Хакимов с сотрудниками) соленоида нового типа, представляющего собой цельноточеную спираль из бериллиевой бронзы. Этот импульсный магнит создает в зоне диаметром 8 см магнитное поле 30 Тл..

Магнитное поле магнитара с B ~ 1015 Гаусс. Иллюстрация с сайта en.wikipedia.org

А не существует ли способа получения сильного магнитного поля, основанного не на внезапном обрушивании на соленоид громадной энергии, а на каком-то ином принципе? Советские электротехники Г.А. Бабат и М.С. Лозинский в 1940 г. опубликовали статью, в которой высказали идею о «концентраторе» потока..

Эту идею легко понять. Представим себе разрезанную трубку с током, со стороны разреза замкнутую металлическим поршнем. Внутри трубки ток создает магнитное поле, характеризующееся густотой магнитных силовых линий, т.е. числом их, приходящимся на единицу площади сечения внутренней области трубки. Что произойдет, если поршень внезапно ввести во внутреннюю область трубки? Внутреннее сечение трубки резко сократится. Так как число силовых линий, сцепленных с трубкой, мгновенно измениться не может, плотность их в уменьшившемся сечении столь же резко возрастет. Следовательно, возрастут и магнитная индукция, и напряженность магнитного поля..

Таким образом, принцип «концентрации» потока сводится к тому, что поле относительно небольшой напряженности создается сначала в большом объеме, затем сечение магнитного потока резко сокращают – поле резко возрастает..

Хауленд и Фонер, используя идею Г.А. Бабата и М.С. Лозинского, создали концентратор без механического сокращения рабочей зоны магнита. Выяснилось, что, поместив внутри соленоида массивный виток с небольшим внутренним диаметром, можно также добиться эффекта концентрации: при импульсе тока во внешней обмотке в массивном витке наводятся вихревые токи, которые вытесняют магнитный поток к центральному отверстию массивного витка. С помощью концентраторов получено магнитное поле 45 Тл, в то время как в соленоиде без массивного витка поле более 30...35 Тл получить весьма трудно..

В других экспериментах получено магнитное поле 20 Тл в значительном объеме (примерно равном объему стакана). В этот объем вставлялись толстые фотоэмульсии для исследования ядерных процессов. Батарея конденсаторов при этом имела массу более 30 т..

Вершиной, венчающей все исследования в области сверхсильных магнитных полей, явилась серия экспериментов, проведенных несколько лет назад советскими физиками под руководством академика А.Д. Сахарова..

Рассматривая идею концентрации магнитного потока и понимая, что эффект концентрации тем выше, чем быстрее произойдет «схлопывание» зоны концентрации, можно прийти к выводу, что этот эффект будет наиболее успешным в том случае, если схлопывание произвести с помощью взрывчатых веществ..

Если внутри замкнутого массивного витка каким-то образом создать магнитное поле, то затем, сжимая виток с помощью кумулятивного взрыва, можно добиться того, что плотность магнитного поля внутри суженного витка сильно возрастет. Это происходит в силу того обстоятельства, что магнитный поток, сцепленный с каким-то контуром, не может мгновенно изменяться. Аналогичные идеи были позже опробованы и американскими физиками в Лос-Аламосской лаборатории..

Устройство, использованное в советских экспериментах, схематически изображено на рис. 6. Первоначальное магнитное поле 100 Тл создается при помощи устройства, также работающего на взрывном принципе. Металлическое кольцо-виток диаметром 7,5...10 см окружают 4...8 кг взрывчатки. Когда внешнее поле достигает максимума, взрывчатку подрывают и кольцо за 0,000001 с, т.е. со скоростью 4 км/с, сужается до 0,4 см..

В процессе схлопывания советскими физиками было замерено магнитное поле 2500 Тл, а американскими – 1460 Тл. (Это рекордное магнитное поле было получено путем последовательного использования двух взрывных, или магнитокумулятивных, генераторов МК-1, МК-2. Второй из них использовался для создания «запального» поля, которое затем охлопывалось генератором МК-1.) Дальнейшие измерения поля были невозможны, поскольку во время схлопывания диаметр кольца уменьшался настолько, что оно раздавливало датчик, с помощью которого производили измерения. Весь процесс длился миллионные доли секунды..

А.Д. Сахаров считает, что достигнутое поле – не предел. Используя другие взрывчатые вещества, например ядерные заряды, можно получить магнитные поля, равные 10000 Тл. Такие поля существуют лишь в недрах планет и звезд. Давление магнитного поля растет пропорционально квадрату его напряженности, поэтому при достижении столь сильных полей будут развиваться и соответствующие давления..

Проведение экспериментов при одновременном сочетании столь сильного поля и давления имеет чрезвычайно большое значение для изучения, например, процессов, происходящих внутри планет и звезд, при гравитационном коллапсе сверхзвезд и т.п..

Применяют ли импульсные поля в технике? Перспективы технического использования импульсных полей весьма многообещающи, хотя эта область техники пока делает свои первые шаги..

С помощью магнитного импульсного поля, например, наклепывают защитную металлическую трубку на стальной трос. Давление, развиваемое импульсным полем, настолько велико, что трубка придавливается к негладкой поверхности троса с такой плотностью, какую невозможно получить другим способом..

Точно так же можно использовать электромагнитные усилия, возникающие в мощных магнитных полях, для штамповки деталей, запрессовки проводящих элементов в изоляционные втулки и других технических целей. Сверхсильные магнитные поля, по-видимому, найдут применение в дальней космической радиосвязи, при изучении элементарных частиц и свойств плазмы..

Быть может, наиболее грандиозный и смелый проект использования импульсных полей в физических исследованиях – проект, в котором предлагается применять крупный магнитокумулятивный генератор для получения заряженных частиц с колоссальной энергией. Чтобы разогнать частицы до энергии 10¹² эВ, в качестве заряда потребуется использовать ядерное устройство. Взрыв предполагается осуществить в камере объемом 10⁴ м³, находящейся на дне шахты глубиной 1 км. Удивительно, что это, казалось бы, безумно дорогое устройство должно быть значительно дешевле обычного ускорителя, дающего частицы с той же энергией..

Оглавление

В этом рассказе о соленоидах речь пойдет о скульпторе, занявшемся физикой; о «проклятой» формуле, выведенной в 1898 г.; о соленоидах, которые требуют охлаждения воздухом, водой, керосином. Здесь же придется вспомнить о магните – «грейп-фруте» и магните из жидкого серебра..

Когда Ампер согнул проволоку колечком, которое назвал соленоидом, ему достаточно было пропускать по виткам ток в несколько ампер, который нагревал проводник, но выделенное тепло легко отбиралось воздухом комнаты. Почти сто лет воздушный океан сообщал свою температуру проводникам, через которые пропускали электрический ток, но наконец пробил час, когда охлаждающих возможностей атмосферы оказалось недостаточно. И тут в истории магнитов уместно вспомнить имя Френсиса Биттера..

Диамагнитные силы приводят к левитации живой лягушки в воде внутри соленоида Биттера с полем около 16 Тесла. Иллюстрация с сайта en.wikipedia.org

Биттер (1902...1967) родился в городе Виховкин, в штате Нью-Джерси, в семье известного американского скульптора. Тогда Виховкин еще не был превращен в мрачный придаток громадного порта Нью-Йорка, а представлял собой раскинувшийся на живописных зеленых холмах открытый восточным теплым ветрам маленький городок. Казалось, все способствовало тому, чтобы Френсис стал скульптором: творчество отца, склонность к занятиям искусством, прекрасные каменоломни по соседству, наконец, большой спрос на могильные памятники..

Дом, где жил Френсис, был выстроен по проекту отца. Вся жилая площадь и двор с фонтанами и конюшнями (Френсис любил лошадей) были отгорожены от улицы высокой стеной..

В 1909 г. семья переехала в Нью-Йорк. Впоследствии в своей книге «Магниты: курс для физиков» Биттер вспоминал: «Жизнь в нашей нью-йоркской студии была сравнительно размеренной. Жизнь детей подчинена строжайшему режиму. Мы изучали три языка: немецкий – с родителями, французский – с гувернанткой и английский – в школе. Уроки фортепьяно, танцев, посещение Музея естественной истории в дождливые дни, чтение «полезных» книг по воскресеньям – так проходила наша жизнь, пока я не был отослан двенадцати лет в школу». В это время погиб в такси, потерявшем управление, его отец, и мать тяжело переживала это несчастье..

«В моем образовании наука отсутствовала вообще, – писал Биттер, – хотя мы проходили восхитительные курсы алгебры и геометрии, которые я любил больше всего. Эти предметы легко давались мне, и, если я правильно вспоминаю, я был одним из лучших учеников в классе. Доказать теорему, исходя из постулатов, или решить уравнение – это было для меня волнующим переживанием, куда более интересным, чем латынь, история, английский и география»..

Под влиянием дяди, профессора Чикагского университета, Биттер поступил в 1919 г. в это учебное заведение. Он еще не интересовался наукой, но считался одним из лучших студентов, во всяком случае, одним из наиболее способных. Вершиной его активности в студенческие годы стала отнюдь не научная работа, а организация для своих однокашников дешевой поездки в Европу на судне-скотовозе. И тут, в Вене, он впервые увлекся работами Эйнштейна и его теорией относительности..

В Чикагский университет Биттер не вернулся. Его привлек теперь Колумбийский университет, где он стал единственным студентом, избравшим для изучения небесную механику, учитывающую релятивистские эффекты. Интерес к этим проблемам Биттер сохранил на всю жизнь. Одна из его первых публичных лекций была посвящена теории относительности, преобразованиям Лоренца..

В 1925 г. он стал бакалавром и поехал в Берлин доучиваться: «Я слушал много известнейших лекторов. Я слушал Макса Планка, отца квантовой теории; Макса фон Лауэ, который открыл рассеяние рентгеновских лучей в кристаллах; Альберта Эйнштейна. Я помню коллоквиум, на котором впервые было сообщено о волновой механике Эрвина Шредингера. Я ехал обратно в метро уже поздно ночью, когда внезапно заметил, что в вагон вслед за мной вошел Эйнштейн. Хотя я не был ему представлен формально, он, видимо, сразу узнал меня по коллоквиуму, так как сразу начал: «Слушайте, что Вы об этом думаете? В какое чудесное время мы живем!»..

Возможно, именно эта встреча и определила научные интересы Биттера. Для начала он купил двухтомную «Теорию электричества и магнетизма» и проштудировал ее от корки до корки..

В 1926 г. Биттер уже заканчивал докторскую диссертацию в Колумбийском университете, когда выяснилось, что тема диссертации была уже кем-то ранее досконально разработана. «И когда я бессмысленно шлялся по коридорам, мысленно взвешивал, какая другая тема могла бы потянуть на настоящее исследование, мой взгляд упал на внушительного вида магнит в одной из пустых лабораторий...», – писал впоследствии Биттер. Так один из наиболее знаменитых ученых-«магнитчиков» наших дней обратился к магниту..

На выбор Биттером научного направления оказал огромное влияние его визит в Кембридж, в магнитную лабораторию П.Л. Капицы. Однако это было только толчком. Биттер пошел своим путем в направлении создания не импульсных магнитов, а магнитов, предназначенных для длительной работы..

Во время войны Биттер обезвреживал магнитные мины, разбрасываемые немецкими самолетами-амфибиями вблизи английских портов. Это было необычное время для Биттера. Он жил в скромном «маленьком частном домике» на Арлингтонской улице в Александрии, близ Вашингтона, в атмосфере строгой секретности. Лишь в послевоенные годы Биттер стал заниматься «мегагауссной» тематикой – проектировал сверхсильные магниты..

В 1965 г. он перенес тяжелую операцию, и врачи не могли сказать ничего утешительного. Однако он не сдался и продолжал работать, но уже над мощными разрядными импульсными магнитами. 26 июля 1967 г. Биттер скончался, а 21 ноября 1967 г. главная магнитная лаборатория США – Национальная магнитная лаборатория – была названа его именем..

В 30-е годы Биттеру для исследования тонких магнитных явлений в газах потребовалось сильное магнитное поле – примерно 10 Тл. Необходимо было в короткий срок создать магнит, который мог бы в течение длительного времени (несколько часов) обеспечить исследователю это грандиозное поле, в 200 тыс. раз превышающее магнитное поле Земли..

Перед тем как приняться за решение этой задачи, Биттер изучил все, что было до него сделано в области сильных магнитных полей..

В это время уже работали очень мощные электромагниты в Белль-Ви, близ Парижа (поле до 9 Тл), в Упсальском университете в Швеции (до 7 Тл). Это были громадные сооружения со стальным магнитопроводом и ярмом, классические магниты массой несколько десятков тонн. Нечего было и думать о том, чтобы создать магнитное поле 10 Тл с помощью электромагнита со стальным сердечником, хотя теоретически легко показать, что несмотря на «насыщение» в магнитных системах со сталью можно получить сколь угодно большое поле. Бесконечное поле будет в том случае, если вся Вселенная, за исключением точки, в которой создается магнитное поле, будет заполнена намагниченным железом....

Биттер прекрасно понимал, что для достижения поля 10 Тл ему придется заполнить насыщенным железом если не Вселенную, то уж во всяком случае свою лабораторию. Вариант с железным сердечником не подходил. Пришлось взяться за изобретенный французскими учеными Араго и Ампером электромагнит без стального сердечника, позже названный соленоидом. Он представляет собой спираль, обтекаемую электрическим током. Неприятности, которые подстерегали ученых на этом пути, были сформулированы французским электротехником Фабри в виде формулы – «формулы Фабри», опубликованной в журнале «Электрическое освещение» за 1898 г..

О чем говорит формула? Об очень грустных вещах: если вы хотите увеличить магнитное поле, например, в 10 раз, извольте увеличить электрическую мощность, расходуемую в соленоиде, в 100 раз. Для достижения сильных магнитных полей потребуются целые электростанции. Академику П.Л. Капице, уже в 1923...1927 гг. получившему поле 50 Тл, не пришлось преодолевать эту трудность – он сумел создать сильное поле, продолжающееся во времени, лишь одну тысячную долю секунды. Но это не устраивало Биттера – ему нужны были стационарные поля. Выход был один – нужно строить соленоид..

Биттер отправился на Бостонскую электростанцию. Ему удалось договориться с руководством Эдисоновской электрической компании о том, что ночью, когда в городе будет некоторая свободная электрическая мощность, Биттер будет питать этой мощностью свое «прожорливое дитя». Магнит размером с автомобильное колесо был установлен в одном из помещений электростанции. Когда его включили впервые в 1937 г., в зале случилось что-то невообразимое: мелкая железная пыль, опилки, гвозди, болтики со всех концов помещения устремились к небольшому бронзовому кожуху, к которому были подведены две мощные водопроводные трубы. По ним подавалась охлаждающая вода из теплообменника, который омывался водой из реки, протекающей поблизости. Роль этих труб очень большая. Если бы к магниту не подавалась охлаждающая вода со скоростью 50 л/с, то магнит мгновенно бы сгорел..

Потребляемая мощность магнита примерно равна 1700 кВт, или 1,7 МВт. Вся эта мощность выделялась в виде тепла, которое необходимо было тут же отводить во избежание повышения температуры магнита..

Конструкция Биттера оказалась настолько удачной, что до сих пор соленоиды, построенные по этому принципу, называют биттеровскими. Оригинальный биттеровский соленоид, с помощью которого впервые в течение длительного времени было получено магнитное поле 10 Тл, представлял собой штампованные медные диски с 600 отверстиями для охлаждающей воды, имевшие радиальную прорезь. Последняя служила для того, чтобы, немного изогнув диск, можно было присоединить его к следующему диску для образования непрерывной спирали с током..

Первый биттеровский соленоид с полем 10 Тл, будучи сильнейшим в мире, непрерывно работал «на науку». Единственным перерывом в его работе было время, когда для осуществления «манхеттенского проекта» (создание первой американской атомной бомбы) с помощью магнита Биттера в Ок-Ридже разделяли изотопы урана..

Бурное развитие физики в 60-е годы, особенно таких ее направлений, как магнитное удержание плазмы, исследования сверхпроводимости, антиферромагнетизма, квантовой оптики, элементарных частиц, привели к тому, что сверхсильные магнитные поля стали остро необходимы, и для их получения были организованы лаборатории и институты в Советском Союзе, США и Англии..

Достигнутое в 1965 г. магнитное поле 25 Тл в полмиллиона раз больше земного, в 100 раз больше поля солнечных пятен и лишь в 4 раза уступает магнитному полю, которое, по расчетам, должно существовать в атомном ядре..

Сверхпроводящий соленоид электромагнита. Иллюстрация с сайта National High Magnetic Field Laboratory

Поле 25 Тл достигнуто в Национальной магнитной лаборатории США с помощью тройного соленоида, созданного Кольмом по расчету Монтгомери. Этот рекордный соленоид с внутренним диаметром 10 см потреблял мощность 16 тыс. кВт. Его внешняя секция намотана полой медной шиной квадратного сечения, внутренние секции выполнены из медных дисков, на поверхности которых химическим способом вытравлены радиальные каналы для охлаждения. Для изготовления магнита использовано более 3 т меди. Давление магнитного поля на внутренние секции было так велико, что медь начала «течь». Это давление более чем в 3 раза превышало существующее на дне глубочайшей океанской впадины. Интересна система охлаждения магнита, основанная на принципе пленочного кипения. При этом температура охлаждаемой медной спирали была выше 100°С, что вызывало возникновение на ней многочисленных пузырьков пара, которые в течение тысячных долей секунды превращались в огромное количество сравнительно холодной воды, водопадом (Слово «водопад» здесь использовано не случайно. Для охлаждения этого магнита используется вода протекающей неподалеку от лаборатории реки. Тепло, выделяющееся в соленоиде, столь велико, что температура воды в реке на участке ниже лаборатории повышается на полградуса.) обрушивающейся на соленоид. Удельная теплота парообразования воды очень велика, поэтому при образовании на поверхности спирали пузырьков от спирали отбирается гораздо более значительная энергия, чем та, которая отбиралась бы просто при нагревании охлаждающей воды. Этот принцип локального, или пленочного, кипения был впервые использован в небольшом магните Кольма, с помощью которого получено поле 12,6 Тл. По сравнению с соленоидом Биттера (поле 10 Тл) размером с колесо легковой автомашины этот магнит величиной с грейпфрут был просто крошкой..

Сходную систему охлаждения имеет еще один грандиозный магнит. Он был создан в Физическом институте АН СССР имени П.Н. Лебедева под руководством академика А.М. Прохорова научными сотрудниками Л.П. Максимовым и В.Г. Веселаго. Соленоид, напоминающий из-за множества шлангов-щупалец чудовищного осьминога, рассчитан на получение магнитных полей более 20 Тл. Чтобы снабжать это «чудовище» электроэнергией, построена специальная электростанция..

Колоссальное поле, полученное Кольмом в его магните на 25 Тл, создано в рабочей зоне диаметром всего 10 см, хотя размер магнита более 1 м в поперечнике. Проводить какие-либо крупномасштабные исследования на этом соленоиде довольно сложно, поэтому конструкторы искали новые пути, с помощью которых можно было бы получать значительные магнитные поля в больших рабочих объемах..

Может быть, использовать другое охлаждающее вещество? Интересный эксперимент был проведен в Калифорнийском университете. Там еще в 1959 г. был построен соленоид, охлаждаемый керосином. Почему выбран керосин? Дело в том, что вода, особенно с примесями, не является идеальным изолятором, и по достижении некоторого напряжения начинают сказываться ее электрические свойства. Обмотка, охлаждаемая водой, подвергается коррозии. Анализ других жидкостей, которые можно было бы использовать для охлаждения, показал, что с точки зрения теплоемкости и безвредности наилучшим для обмотки является очищенный керосин, закупоренный в сосуде, наполненном нейтральным газом..

«Керосиновый» соленоид, имеющий внутренний диаметр 10 см, был намотан медной шиной, потреблял мощность 6 тыс. кВт и обеспечивал получение магнитного поля 10 Тл. Каждую секунду к нему для охлаждения подавался центнер очищенного керосина..

Оглавление

Этот пожилой человек с бледным лицом и уныло торчащими усами не производил впечатления героической личности, хотя он совершил не один научный подвиг. Он ожижил "солнечный" газ - гелий, понизив его температуру почти до абсолютного нуля. Он открыл фантастические материалы - сверхпроводники. Он первым создал столь технически оснащенную лабораторию, что она стала эталоном для грядущих лабораторий XX века!.

Его звали Гейке Камерлинг-Оннес (1853...1926). Он учился у знаменитых Кирхгофа (правила Кирхгофа) и Бунзена (горелка Бунзена). На рубеже XIX и XX веков ему удалось создать в Лейденском университете лабораторию с невиданно мощными ожижителями воздуха, азота и водорода, с сильным коллективом стеклодувов, со своим научным журналом..

Он знал, что делал. Еще в 1790 г. Ван-Марум, директор музея в Гааге, первым в мире превратил газ аммиак в жидкость, кипящую при - 33°С! Камерлинг-Оннес достойно отметил столетний юбилей соотечественника. Хотя со сжижением водорода его опередил Дьюар, но последний газ - гелий все же стал жидкостью у голландца (1908 г.: при температуре - 268°С; Нобелевская премия 1913 г.)..

Камерлинг-Оннес сжижал газы, чтобы выяснить, что же несут с собой все более низкие температуры. С температурой было все ясно - у нее было предельно низкое значение, а как с электрическим сопротивлением? Оно снижалось вместе с температурой. Формула Фабри давала надежду на получение поля примерно 100 Тл. Несколько лет труда - и сверхсильное магнитное поле должно покориться! Какая великая желанная цель!.

Но исследователи недооценивали два обстоятельства: во-первых, низких температур достигать не так просто. Чтобы их получить, необходимо затратить значительную энергию; во-вторых, с ростом напряженности магнитного поля вследствие явления, называемого магнитосопротивлением, растет и электрическое сопротивление металла, причем при низких температурах эффект магнитосопротивления проявляется особенно сильно..

Академик П.Л. Капица в одной из своих статей представил результаты проверки идеи, предложенной в свое время известным французским ученым Перреном: охлаждать соленоиды жидким воздухом..

Выяснилось, что для охлаждения соленоида с магнитным полем 10 Тл, создаваемым в области диаметром 1 см, потребуется прокачивать через него 24 л/с жидкого воздуха. Для обеспечения работы соленоида пришлось бы построить завод по производству жидкого воздуха..

Может быть, в результате этих обстоятельств, а может быть, и по другим причинам, развитие низкотемпературных, но несверхпроводящих, или, как их иногда называют, криогенных магнитов сильно задержалось..

Первой попыткой использовать низкую температуру для снижения электрического сопротивления была постройка в 1961 г. одного из самых больших в мире соленоидов на 10 Тл, выполненного из алюминия, охлаждаемого жидким неоном (температура кипения 27 К). Внутренний диаметр соленоида составил 30 см, длина 200 см, масса алюминиевых обмоток 5 т. Это один из самых больших соленоидов в мире. Он предназначался для термоядерных исследований и поэтому на концах имел "магнитные пробки", в которых напряженность магнитного поля достигала 20 Тл. Однако такой соленоид мог работать только в течение 1 мин; за это короткое время весь запасенный в криостатах жидкий неон превращался в газ..

Сделано немало попыток создать большее магнитное поле, применив другие охлаждающие вещества (например, жидкий азот, жидкий водород) и другие материалы обмоток (например, натрий, запрессованный в тонкую стальную трубку). Результаты проведенных экспериментов были многообещающими, но превзойти достигнутое пока никто не смог..

Чаще всего такие магниты питаются от собственной энергетической установки, вырабатывающей постоянный ток мощностью несколько тысяч киловатт. Когда этой мощности недостаточно (как это получилось с рекордным соленоидом Кольма), на вал машин насаживают маховик. Накопив в нем достаточную энергию, можно, как это было сделано П.Л. Капицей, в течение короткого времени снимать с генераторов мощность, превышающую номинальную в несколько раз..

В настоящее время генераторы, предназначенные для кратковременного питания крупных электромагнитов, могут иметь массу роторов до нескольких сотен тонн..

В Королевском радарном центре Великобритании источником питания соленоидов служили мощные аккумуляторные батареи, снятые с подводной лодки..

В поисках новых путей Кольм разработал конструкцию соленоида, названного им гидромагнитом. Соленоид состоит из соосных труб, между которыми в радиальном направлении поступает какая-нибудь хорошо проводящая электричество жидкость, например жидкий натрий или жидкое серебро. Обе трубы помещены в небольшое магнитное поле. Поступающая жидкость пересекает силовые линии поля, и в ней наводится электродвижущая сила (ЭДС), под действием которой в жидкости начинает течь электрический ток, совпадающий по направлению с током, создающим поле возбуждения. Таким образом, сама жидкость становится обмоткой соленоида. Магнитное поле, которое можно получить с помощью этой "обмотки", зависит от скорости перемещения жидкости, ее электропроводности и значения поля возбуждения. Кольм рассчитал, что в гидромагните, наполненном расплавленным серебром, при температуре 1000°С в магнитном поле 6 Тл при расходуемой мощности 70 тыс. кВт и скорости поступления серебра 200 л/с можно получить магнитное поле 40 Тл..

Однако, если отвлечься от прочих трудностей, достижение столь грандиозных полей приводит к тому, что материалы обмотки под действием давления магнитного поля начинают течь. В соленоиде Кольма на 25 Тл давление, как уже говорилось, в 3 раза превышает давление на дне глубочайшей океанской впадины. А давление растет пропорционально квадрату напряженности поля. При увеличении напряженности поля чуть больше чем в 3 раза давление возрастает в 10 раз..

При поле напряженностью 100 Тл магнитные усилия эквивалентны тем, которые развиваются в жерле пушки при выстреле. Держать такое поле - это все равно, что задержать взорвавшийся в казенной части пушки снаряд таким образом, чтобы и снаряд не вылетел, и пушка не разорвалась..

А обязательно ли рост напряженности поля связан с ростом давления? Электромагнитная сила может быть рассчитана как векторное произведение плотности тока в обмотке на индукцию магнитного поля (это та же самая лоренцева сила, которая отклоняет частицы в ускорителях). Разработана конфигурация обмоток и соленоидов, в которых почти полностью отсутствуют усилия. Такие обмотки и соленоиды называют бессиловыми. Недавно была построена крупная бессиловая система для исследования термоядерных реакций, работающая на несколько ином принципе: в ней усилия с обмоток соленоида переносятся на массивную стальную несущую конструкцию..

При изучении вопроса о возможности создания бессиловых обмоток советские и американские ученые пришли к выводу, что эта проблема совсем не безнадежна..

Рассмотрим, например, обмотку, выполненную в виде длинной спирали с большим шагом. Такая обмотка создает два поля (поле, конечно, одно, но для удобства его часто раскладывают на осевую и радиальную составляющие, которые дают в сумме действительное поле): суммарное поле, направленное вдоль оси (осевое), и поле, окружающее каждую проволочку в отдельности (кольцевое). Осевое поле обмотки стремится разорвать ее; поле, окружающее обмотку, стремится ее сжать. Таким образом, усилия, направленные в разные стороны, взаимно уничтожаются..

Более приемлемой, возможно, окажется другая обмотка. Ее можно выполнить из нескольких слоев, причем обмотка во внутреннем слое почти параллельна оси, а во внешнем - почти перпендикулярна к ней. В такой обмотке переход от осевого поля к кольцевому осуществляется постепенно, и усилия сжатия распространяются равномерно на все слои. Эта система - прообраз мощных систем будущего, в которых магнитные поля колоссальной напряженности будут сочетаться с изяществом и ажурностью конструкции..

Логическим развитием тенденции охлаждения соленоидов стал уход в зону предельно низких температур. У Биттера охлаждение витков водой позволяло повысить пропускаемые по ним токи, ни о какой экономии энергии речи не было, ибо потери росли быстрее, чем ток. При низких температурах снижалось сопротивление проводников и вместе с ним выделение тепла током. Наконец, произошло невероятное событие - почти у абсолютного нуля (-273°С) электропроводность некоторых металлов росла до бесконечности! "Виновником" оказался Генке Камерлинг-Оннес..

В жизни Камерлинг-Оннеса ничто, казалось, не предвещало мировой славы. Известный ученый, опубликовавший в специальной литературе многочисленные работы по радиоактивности, термодинамике и сжижению газа, обладающий скорее инженерным складом ума, чем аналитическим. Но в 1911 г. одним весенним утром он вошел в лабораторию обычным заведующим кафедрой, а вышел первооткрывателем сверхпроводимости. Один день принес ему бессмертие. Вот как это произошло..

До того было неясно, как должно изменяться электрическое сопротивление металлов при снижении их температуры..

Ученые придерживались трех различных точек зрения:.

1. Из классической теории электромагнетизма известно, что сопротивление проводника падает с уменьшением температуры. Объяснить это явление можно довольно просто. Электрический ток - это поток свободных электронов, проходящих сквозь кристаллическую решетку металла. При высоких температурах вследствие теплового колебания атомов кристаллической решетки вероятность столкновения электронов с решеткой велика. Это препятствует движению электронов и создает сопротивление току. При низких температурах, когда амплитуда колебаний атомов в решетке уменьшается, вероятность столкновения электронов с решеткой становится меньше и ток встречает, таким образом, меньшее сопротивление. При абсолютном нуле, когда решетка уже неподвижна, сопротивление проводника равно нулю.

2. Сопротивление току сохранится и при абсолютном нуле, поскольку и тогда некоторые электроны будут сталкиваться с решеткой, тем более что кристаллические решетки, как правило, не являются идеальными - в них всегда есть дефекты и включения примесей.

3. Сопротивления металлов при приближении температуры к абсолютному нулю должны возрастать, так как в силу конденсации электронов на решетке (грубая аналогия - образование капелек воды на холодной ложке, поднесенной к горячему чаю) их число при охлаждении непрерывно снижается, вследствие чего электропроводность (определяемая числом свободных электронов) уменьшается (электропроводность - величина, обратная удельному сопротивлению).

Действительно, трудно представить себе еще какой-нибудь вариант. Но... Весной 1911 г. Камерлинг-Оннес заморозил ртуть в сосуде Дьюара, содержащем жидкий гелий. Затем он пропустил через ртуть ток и наблюдал за стрелками измерительных приборов, показывающих сопротивление, которое, как и следовало ожидать, постепенно снижалось по мере падения температуры. Такое соотношение между сопротивлением и температурой сохранялось до тех пор, пока температура не снизилась до 4,12 К. Внезапно электрическое сопротивление ртути исчезло; не осталось даже сопротивления, обусловленного столкновениями электронов с дефектами и примесями решетки..

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

Камерлинг-Оннес повторил эксперимент. Он взял очень загрязненную ртуть, у которой остаточное сопротивление, вызываемое примесями, должно быть очень явно выражено. Однако вблизи той же температуры (4,12 К) сопротивление ртути почти также внезапно исчезло. Как увеличить сопротивление столбика ртути, довести его до того значения, которое было бы зарегистрировано приборами? Очевидно, нужно увеличить длину столбика и уменьшить его сечение. Камерлинг-Оннес изготовил столбик ртути толщиной менее человеческого волоса и длиной 20 см. Измерив теперь сопротивление, он поразился: стрелки приборов не сдвинулись с места. Нуль..

Камерлинг-Оннес готовил еще один эксперимент с еще большей точностью измерений. Из ртути ученый изготовляет кольцо и подвешивает его горизонтально на тонкой нити. Если в таком кольце навести ток, выключив, например, находящийся поблизости электромагнит, нить закрутится на некоторый угол. Этот угол можно измерить с большой точностью, укрепив на нити зеркальце и прослеживая положение "зайчика". Если в кольце существует какое-нибудь сопротивление, ток в кольце будет постепенно затухать. Это приведет к ослаблению закручивания нити, и "зайчик" переместится. Камерлинг-Оннес проделывает этот опыт. "Зайчик" не трогается с места..

Это могло означать только одно - равенство нулю электрического сопротивления кольца, т.е. сверхпроводимость ртути при температуре, близкой к абсолютному нулю..

Камерлинг-Оннес понимал всю ответственность, которая ляжет на него, когда он объявит, что сопротивление было равно нулю, и много раз повторял измерения, все время повышая их точность. Опять нуль! Открыта сверхпроводимость!.

Понадобилось, однако, более полувека для того, чтобы сверхпроводимость перестала быть исключительно лабораторным курьезом..

Наиболее известное и, видимо, ценное свойство сверхпроводников - отсутствие электрического сопротивления постоянному току..

Результаты прямых измерений говорят о том, что оно меньше сопротивления металлов при нормальной температуре по крайней мере в 10²³ раз..

Иногда спрашивают: "Неужели сопротивление сверхпроводников равно нулю? Может быть, оно просто очень мало, и мы не замечаем его лишь потому, что не обладаем совершенной измерительной техникой?".

Разрешить этот вопрос попытался американский ученый Коллинс. В марте 1954 г. он возбудил ток в сверхпроводящем свинцовом кольце и наблюдал за значением этого тока. Если сопротивление, хотя бы ничтожное, есть, то ток все время будет уменьшаться, "затухать". Например, для уменьшения тока в серебряном кольце практически до нуля требуется всего лишь несколько десятых долей секунды. Как же затухал ток в кольце Коллинса? Измерения, произведенные в сентябре 1956 г., показали, что в кольце Коллинса ток абсолютно не изменился, впоследствии этот же опыт проводился в течение 10 лет. Расчет показал, что ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи, уменьшится на значение, которое можно зафиксировать, за время, не меньшее 100 тыс. лет..

Однако при исследовании затухания магнитного кольца внутри ниобий-циркониевой трубки (25% циркония) было найдено, что поток все-таки затухает. Это затухание происходит по логарифмическому закону - за первую секунду поток снижается на 1%, за следующие 10 с - еще на 1% и т.д. Полное затухание потока в этой.трубке, т.е. снижение его до значения, которое уже нельзя измерить современными приборами, займет 10⁹² лет. Это время в миллиарды миллиардов раз превышает время существования нашей Галактики. К результатам таких экспериментов следует, однако, подходить с осторожностью. Известно, что всякое кольцо, создающее магнитное поле, испытывает силы, стремящиеся увеличить кольцо в размерах, попросту разорвать его. Увеличение диаметра кольца хотя бы на одну миллионную часть сразу же выразится в снижении поля, которое можно приписать наличию в сверхпроводнике электрического сопротивления..

Если первое основное свойство сверхпроводников - отсутствие сопротивления - было открыто в 1911 г., то второе важнейшее свойство - лишь спустя 22 года. В 1933 г. немецкие физики Мейснер и Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники - идеальные диамагнетики. Что это означает?.

Мы постоянно находимся в магнитном поле Земли. Силовыми линиями этого поля пронизываются все предметы и существа на Земле. Если на пути силовых линий попадается какой-нибудь ферромагнетик, например, кусок железа, то в этом куске магнитные линии как бы сгущаются. Если же на пути силовой линии встретится диамагнетик, в нем, наоборот, создается разрежение, вакуум силовых линий. В сверхпроводник магнитные силовые линии вообще не проникают. Другими словами, сверхпроводник - абсолютный диамагнетик. Внутренняя область сверхпроводника идеально экранирована от внешних магнитных полей токами, протекающими в тонком поверхностном слое сверхпроводника. В этот слой проникает и магнитное поле, вследствие чего его глубину называют глубиной проникновения и обозначают буквой K. Диамагнетизмом сверхпроводников можно воспользоваться, например, для того, чтобы придать силовым линиям магнитного поля заданную конфигурацию. Поле будет обходить сверхпроводник, а силовые линии принимать очертания, повторяющие контур сверхпроводника..

Сверхпроводник существенно отличается от идеального проводника с сопротивлением, равным нулю. В идеальный проводник поле может проникать. Наоборот, никакими способами нельзя заставить магнитное поле проникнуть внутрь сверхпроводника!.

Впрочем, один способ есть: при достижении магнитным полем в какой-либо точке сверхпроводника значения, превышающего некоторое критическое значение, сверхпроводник в этой точке выходит из сверхпроводящего состояния. Критические магнитные поля чистых металлов малы: они не превышают сотых долей тесла..

Ток, протекающий по сверхпроводнику, при превышении им критического значения или критической плотности также может вызывать потерю сверхпроводимости. Значение этого тока в чистых сверхпроводниках связано с критическим магнитным полем так называемым правилом Сильсби: сверхпроводимость уничтожается таким током в проводнике, который создает на поверхности сверхпроводника поле, равное критическому. Значение поля на поверхности проводника можно установить, пользуясь законом полного тока..

У каждого сверхпроводника есть также своя критическая температура, т.е. температура, выше которой он скачком теряет сверхпроводящие свойства. Эта температура весьма мала..

На критическую температуру влияют, хотя и слабо, механические напряжения в образце. Как правило (однако, не всегда), увеличение механических напряжений в образце влечет за собой повышение критической температуры. Это можно установить лишь с помощью весьма чувствительных методов..

Аналогичная зависимость существует между механическим напряжением и критическим магнитным полем. Было показано, в частности, что критическое поле образца олова при 2 К, составляющее 0,021 Тл, повысилось до 1,5 Тл, после того как в олове были искусственно созданы механические напряжения..

Уменьшение размеров испытуемого образца примерно до 1 мкм существенно изменяет свойства сверхпроводника. Такой образец уже не будет диамагнитным, а его критическое поле и ток сильно возрастут..

Уменьшая толщину образца, можно увеличить его критическое поле в несколько сот раз. У сверхпроводящей свинцовой пленки толщиной 20 А критическое поле равно 40 Тл. Плотность критического тока в тонких сверхпроводящих пленках также сильно возрастает..

В слоях толщиной около 100 А плотность тока достигает 10⁷...10⁸ А/см²..

При увеличении частоты магнитного поля или тока сверхпроводник постепенно начинает приобретать сопротивление. Однако при частоте вплоть до 10⁷ Гц оно еще практически равно нулю..

Как показал американский ученый Купер, электроны в сверхпроводящем состоянии образуют пары. Образование этих пар становится возможным, когда взаимодействие электронов проводимости, имеющих антипараллельные спины (грубо говоря, вращающиеся в разные стороны), с решеткой приводит к возникновению между ними сил притяжения, преодолевающих силы электрического отталкивания..

На основании предположения Купера были разработаны теория сверхпроводимости БКШ, названная по фамилиям авторов Дж. Бардина, Купера, Шриффера, и теория Н.Н. Боголюбова..

На разрыв куперовских пар требуется затратить некоторую энергию. В результате этого энергия сверхпроводящих электронов на некоторое значение меньше энергии нормальных электронов. Эту разницу называют энергетической щелью. Это так называемый фотонный механизм образования куперовских пар. Расчеты показывают, что такой механизм может обеспечить сверхпроводимость при температурах, ни в коем случае не превышающих 50 К. Конечно, даже эта температура не очень удобна для работы, но ее достичь пока не удалось. Рекорд перехода в сверхпроводящее состояние у сплава ниобия с германием (24 К) продержался почти 10 лет..

А не может ли существовать иных механизмов, приводящих к образованию электронных пар? В 1964 г. американец В. Литтл предположил существование механизма, при котором электроны могли бы взаимодействовать, индуцируя электрический заряд на длинных органических молекулах, В то же время академик В.А. Гинзбург теоретически открыл еще один так называемый экситонный механизм образования куперовских пар. Эти теории предсказывали, что сверхпроводимость может существовать даже при комнатных температурах, т.е. при 300 К..

Физики-экспериментаторы не покидали лабораторий, лихорадочно исследуя "подозрительные" материалы - органические полимеры и слоистые структуры металл - проводник. Им сопутствовала удача - были открыты новые сверхпроводники, но... температура их перехода оказалась небольшой. Гораздо ниже уже достигнутых 24 К..

Полна драматизма история научных открытий! Увлекшись органическими полимерами и слоистыми структурами, ученые-экспериментаторы оказались недостаточно внимательными к другим веществам, в частности к керамикам. В 1979 г. исследователи Института общей и неорганической химии АН СССР имени Н.С. Курнакова И.С. Матьггин, Б.Г. Кохан и В.Б. Лазарев получили новую лантан-стронциевую и лантан-бариевую керамику. Керамика оказалась примечательной - она проводила ток, как обычный металл. Электросопротивление керамики, как и полагалось, снижалось с понижением температуры. Исследователи довели испытание до температуры жидкого азота (77 К) и остановились... Они никак не ожидали того, что эта керамика... если понизить ее температуру еще до 40 градусов... превратилась бы в удивительный высокотемпературный сверхпроводник, который так давно искали! Но не там....

И вот, в апреле 1986 г. ученые Цюрихского филиала фирмы ИБМ в Швейцарии Дж. Беднорц и А. Мюллер, исследуя по существу ту же керамику, что и наши химики, но при, более низких температурах, обнаружили в ней сверхпроводимость при 30 К! Так был побит рекорд, продержавшийся почти 10 лет!.

Однако и это важнейшее достижение не было замечено - в январском 1987 г. номере журнала "Физике тудей", где зарегистрированы все крупнейшие достижения физики 1986 г., об этом открытии не сказано ни слова!.

Диамагнитная левитация магнита над поверхностью высокотемпературного сверхпроводника. Иллюстрация с сайта www.wondermagnet.com

Настоящий бум начался в начале 1987 г. Из лабораторий США, КНР, СССР с лихорадочной скоростью стали поступать новые и новые сверхсенсационные сообщения. Температура сверхпроводящего перехода росла буквально на глазах! 35... 40... 92 К. Это уже выше температуры кипения жидкого азота. Рекордная температура достигнута одновременно учеными СССР и США. Заведующий лабораторией сверхпроводимости Физического института АН СССР имени П.Н. Лебедева А.И. Головашкин 11 марта 1987 г. на общемосковском семинаре физиков, проводящимся в ФИАНе под руководством В.Л. Гинзбурга, сообщил, что ему и его сотрудникам на одном из образцов керамики удалось получить температуру сверхпроводящего перехода 102 К. Перейден рубеж, еще полгода назад казавшийся немыслимым! Впервые обнаружен нефотонный механизм образования куперовских пар, предсказанный четверть века назад. Ученые штурмуют "комнатные температуры" - около 0°С. Может быть, когда эта книга выйдет в свет, "комнатные" сверхпроводники станут реальностью!.

Чистые сверхпроводники (за исключением ниобия) относят к сверхпроводникам 1-го рода (группы). Большинство сверхпроводников, а их уже открыто более тысячи, относят к сверхпроводникам 2-го рода. Термин "сверхпроводники 2-го рода" введен в 1952 г. советским ученым А.А. Абрикосовым, развившим теорию сверхпроводимости Гинзбурга - Ландау. Термин оказался необходим для определения сверхпроводников с отрицательной поверхностной энергией, в отличие от сверхпроводников 1-го рода, у которых поверхностная энергия на границе сверхпроводящей и нормальной фаз положительна. Отрицательная поверхностная энергия может иметь место, если так называемый параметр Гинзбурга - Ландау больше 1/√2..

В 1961 г., встретившись со студентами, прославленный академик Л.Д. Ландау рассказал о себе. Родился он в Баку. В школе учился посредственно, зато любил математику, в 12 лет научился дифференцировать, в 13 - интегрировать..

В Бакинском университете он учился одновременно на двух факультетах физики и химии, но, когда в 1924 г. перевелся в Ленинград, отдал предпочтение физике. Заниматься наукой и печататься в специальных журналах начал еще студентом, после аспирантуры Ленинградского физтеха полтора года стажировался в Германии, Швейцарии, Дании, Англии, где его поразили скромность, доступность, приветливость таких признанных светил европейской науки, как В. Паули, В. Гейзенберг. М. Дирак, Н. Бор, А. Эйнштейн. Потом работал в Ленинграде, Харькове, Москве..

Л.Д. Ландау был поистине человеком необычным. Талантливый, работоспособный, мыслящий оригинально, он славился невероятным стремлением оспаривать все устоявшееся. Так, он считал, или, по крайней мере, писал, что Татьяна Ларина "в целом была довольно занудной особой", что замысел "Героя нашего времени" мог бы разъяснить один лишь Лермонтов и т.п..

Будучи в 30-х годах в заграничной командировке, он поразил одного своего приятеля и соавтора взглядами на брак. Тот впоследствии вспоминал:.

"Ландау нравилось делать заявления, шокирующие представителей буржуазного общества. Когда мы были вместе с ним в Копенгагене, я женился. Он одобрил мой выбор (и играл в теннис с моей женой). Однажды он спросил нас, как долго мы собираемся быть вместе. Когда я ответил, что, конечно же, весьма долгое время и что у нас нет никаких намерений расторгнуть брак, он разволновался и сказал, что только капиталистическое общество может заставить своих членов испортить саму по себе неплохую вещь, чрезмерно продляя ее таким способом"..

В 1937 г., поссорившись с директором Ленинградского физико-технического института (ЛФТИ) А.Ф. Иоффе и руководством Харьковского университета, где он работал после ЛФТИ, Л.Д. Ландау появляется в Москве. П.Л. Капица приглашает его в Институт физических проблем, и Ландау немедленно соглашается..

Он сразу же начинает активнейшую деятельность в новых малоразработанных и важных направлениях - в теории фазовых переходов, статистической теории атомных ядер, каскадной теории электронных ливней... Основное внимание его занимает загадка непонятного явления, открытого П.Л. Капицей, - сверхтекучести..

Ландау предположил, что жидкий гелий представляет собой некоторый конгломерат из двух жидкостей, находящихся в различных квантовых состояниях. Этим он и объяснял одновременные встречные движения жидкого гелия..

Вокруг талантливого физика довольно быстро сформировалось окружение, "школа Ландау". Попасть туда было нелегко, "теорминимум" включал десять дисциплин, за 28 лет всего 43 человека сдали эти экзамены целиком. Рекорд (два с половиной месяца) остался за Померанчуком, обычно у соискателей на подготовку и сдачу экзаменов уходило до трех лет..

На теоретических семинарах можно было говорить о любой проблеме теоретической физики. Со времени стажировки в Копенгагене у Н. Бора Ландау вместе с тогдашними коллегами В. Вайскопфом и Р. Пайерлсом взяли за правило не придерживаться узких специализаций, чтобы всегда видеть физику целиком. Атмосфера обсуждений была предельно демократичной, можно было резко критиковать взгляды другого при условии, что критика шла на пользу обсуждаемому предмету. Неслучайно, что эта творческая атмосфера способствовала созданию знаменитого "Курса теоретической физики", разросшегося впоследствии до десяти томов и выполняющего функции камертона советской науки..

Курс стал издаваться с 1938 г.; авторами выступили тогда Ландау и его друг Евгений Михайлович Лифшиц. Без Лифшица курс никогда бы не увидел света. Гений Ландау имел одну особенность - он писал с колоссальным трудом даже письма. Лифшиц говорил об этом:.

"Ему было нелегко написать даже статью с изложением собственной (без соавторов!) научной работы, и все такие статьи в течение многих лет писались для него другими. Непреодолимое стремление к лаконичности и четкости выражений заставляло его так долго подбирать каждую фразу, что в результате труд написания чего угодно - будь то научная статья или личное письмо - становился мучительным"..

Все книги Ландау написаны в соавторстве с Е.М. Лифшицем, А.С. Ахиезером, А.И. Китайгородским, Ю.Б. Румером, А.Я. Смородинским; это же относится и к большинству его статей. Если отвлечься от соавторства с Р. Пайерлсом, Э. Теллером и другими крупными зарубежными физиками, основной массив совместных работ Ландау падает на сотрудничество с его многочисленными учениками (А.А. Абрикосов, Е.М. Лифшиц, И.А. Померанчук, И.М. Халатников и др.)..

Жизнь и творчество Ландау неотделимы от жизни и творчества его учеников. Ландау выработал, как говорит академик Капица, "крайне своеобразный процесс исследования, основная особенность которого заложена в том обстоятельстве, что трудно отделить собственную работу Ландау от работы его студентов. Трудно представить, как он мог бы успешно работать в столь различных областях физики без своих студентов"..

В школе Ландау были глубоко восприняты и развиты традиции научного общения, бережно пестовавшиеся в лучших европейских физических школах (в кавендишской у Дж. Томсона и Э. Резерфорда, в копенгагенской у Н. Бора). Достаточно сказать, что научное общение Ландау было настолько интенсивным, что он мог бы не читать физических книг и журналов, черпая информацию у студентов и коллег на своих бурных семинарах..

Касаясь взаимоотношений со своими соавторами и учениками, Ландау как-то сказал со свойственной ему, образностью: "Некоторые говорят, что я граблю своих учеников. Некоторые - что ученики грабят меня. Правильнее было бы сказать, что у нас происходит взаимный грабеж"..

Преданность и любовь физиков к Ландау особенно ярко проявились в 1962 г., когда Ландау тяжело пострадал в автомобильной катастрофе. Шесть лет ученики, друзья, коллеги ежедневно боролись за жизнь ученого, но вернуть его в строй не удалось. В больнице посол Швеции вручил Ландау Нобелевскую премию..

Ландау, по его собственным словам, прожил свою жизнь счастливо, все ему удавалось, он сделал все, на что был способен..

Он трезво и скромно оценивал свои успехи в науке. Известна его логарифмическая шкала ценностей - научных заслуг отдельных ученых, состоящая из пяти классов, причем представители каждого последующего класса сделали, по мнению Ландау, в десять раз меньше предыдущего..

К первому классу он причислял Ньютона, Френкеля, Клаузиуса, Максвелла, Больцмана, Гиббса, Лоренца и Планка, Бора, Гейзенберга, Шредингера, Дирака и Ферми. Эйнштейн принадлежал к "половинному классу". Себя Ландау относил к "двухполовинному классу", но однажды, после какой-то особо удачной работы он перевел себя во второй класс..

Ландау первым пролил свет на природу сверхпроводимости. В 1950 г. он и считающий себя его учеником В.Л. Гинзбург (ныне академик) опубликовали обобщенную феноменологическую теорию сверхпроводимости, являющуюся по существу следствием идеи об одновременном существовании двух электронных жидкостей..

Ландау первым сопоставил два "странных" явления, сверхпроводимость и сверхтекучесть - течение жидкого гелия II без трения через узкие капилляры, и предположил, что они родственны. Сверхпроводимость - это сверхтекучесть весьма своеобразной жидкости - электронной. Эта идея Ландау оказалась в высшей степени плодотворной, на ее основе построено большинство теорий сверхпроводимости..

Следующий шаг был сделан одновременно советским физиком академиком Н.Н. Боголюбовым и американскими физиками Д. Бардиным, Л. Купером и Дж. Шриффером. Теория, разработанная ими, сводится, грубо говоря, к предположению о том, что сверхпроводящие электроны в отличие от обычных объединены в пары, тесно связанные между собой. Разорвать пару и разобщить электроны чрезвычайно трудно. Такие мощные связи позволяют электронам двигаться в материале, помогая друг другу и не встречая электрического сопротивления..

Ярким достижением в разработке теории сверхпроводимости являются работы ученика Л.Д. Ландау члена-корреспондента АН СССР А.А. Абрикосова. Он, детально рассмотрев один из "малоинтересных" частных случаев уравнения Гинзбурга - Ландау, теоретически подтвердил давнюю догадку Шубникова о преимуществах сверхпроводящих сплавов перед сверхпроводящими металлами. За разработку этой теории ее авторы удостоены Ленинской премии, а теория получила мировое признание..

Когда основные положения ее были доложены Абрикосовым на Международной конференции по низким температурам в Москве, в зале долго не смолкали аплодисменты..

Итак, теория разработана, она утверждает, что в металлургических лабораториях со дня на день должны появиться сплавы с предсказанными физиками чудесными свойствами....

И вот в 1961 г. американский физик Дж. Кунцлер, исследуя сплав ниобия с оловом, обнаруживает совершенно фантастические сверхпроводящие свойства этого соединения. Оказалось, что даже самое сильное магнитное поле 8,8 Тл, имевшееся тогда в Соединенных Штатах, не в силах разрушить сверхпроводимость сплава. (В 1961 г. в США крупнейший исследовательский электромагнит давал поле 8,8 Тл; именно в его поле и проводились испытания нового сверхпроводника. Поле магнита, как видно из статьи Кунцлера, оказалось недостаточным, чтобы "выключить" сверхпроводимость.) Вскоре в Институте физических проблем под руководством члена-корреспондента АН СССР Н.Е. Алексеевского было обнаружено несколько других сверхпроводящих соединений и сплавов, обладающих удивительными свойствами....

Путь к сверхпроводящим магнитам, сверхпроводящим техническим устройствам был открыт....

Уже через несколько лет были созданы магниты, о которых Камерлинг-Оннес мог только мечтать: сверхпроводящие, легкие, дешевые, небольшие по габаритам, с полем сначала 10, 12, а потом и 25 Тл. Они созданы в Институте атомной энергии имени И.В. Курчатова, в Институте теоретической и экспериментальной физики..

Сверхпроводники, имеющие параметры Гинзбурга - Ландау более 1/√2, - это в основном различные сверхпроводящие сплавы. Из теории ГЛАГ (В.Л. Гинзбург - Л.Д. Ландау - А.А. Абрикосов - Л.П. Горьков) следует, что критические поля и температуры сверхпроводников 2-го рода должны быть очень высокими. Открытие Кунцлером сверхпроводимости у Nb₃Sn блестяще подтвердило этот вывод. Как выяснилось позже, критические поля многих сплавов (таких, например, как Nb₃Ge, V₃Ga и др.) превышают 20...25 Тл. Эти сверхпроводники обладают по сравнению со сверхпроводниками 1-го рода более высокими критическими полями и температурами. Возможно, что в скором времени будут открыты сверхпроводники с еще лучшими сверхпроводящими свойствами. Так, пределом критической температуры считают 40 К (достигнуты температуры, превышающие 20 К). Это ограничение относится к известному типу сверхпроводимости, при котором образование электронной пары, способной двигаться через решетку без трения, обусловливается полем колебаний решетки. В этом поле один электрон испускает квант колебания, а другой поглощает его, вследствие чего потерь энергии не происходит и электрическое сопротивление отсутствует..

Если же механизм сверхпроводимости иной, то возможно получение более высоких критических температур. Так, в печати обсуждалась возможность сверхпроводимости в линейных полимерах вплоть до критической температуры 1000 К..

Свойства сверхпроводников 1-го и 2-го рода значительно различаются: например, переход в сверхпроводящее состояние у сверхпроводников 2-го рода происходит очень плавно, в широком диапазоне значений магнитного поля..

Поскольку сверхпроводники 2-рода проницаемы для магнитных полей и обладают при наличии неоднородности состава гистерезисом, питание их переменным током или помещение их в переменное магнитное поле вызывает потери энергии. Показано, что эти потери при частоте 50 Гц для ниобий-циркониевого (25% циркония) сплава составляют 0,3 кВт, если по сверхпроводнику длиной 1 м проходит ток 10 кА. Эти потери можно значительно снизить, если уменьшить размеры сверхпроводника, например, разделив его на тонкие нити или впрессовав в пористый материал..

Такие "синтетические" сверхпроводники обладают по крайней мере двумя преимуществами: во-первых, при уменьшении размеров сверхпроводника улучшаются его сверхпроводящие свойства; во-вторых, снижаются потери на вихревые токи в несверхпроводящих областях синтетического сверхпроводника....

Если вспомнить Камерлинг-Оннеса, то, будучи скорее инженером, чем чистым физиком, он уже в 1913 г. решил построить сверхпроводящий электромагнит на 10 Тл, не потребляющий энергии. Поскольку, рассуждал Камерлинг-Оннес, сопротивление сверхпроводника равно нулю, ток в сверхпроводящем кольце будет циркулировать вечно, не затухая. Всякий ток, как известно, создает магнитное поле. Так почему бы не сделать из сверхпроводящей проволоки мощный электромагнит, не нуждающийся в питании энергией? Это было бы революцией в электротехнике, и человечество сэкономило бы миллионы киловатт электроэнергии, растрачиваемой понапрасну не только в обмотках магнитов, но и в обмотках электрических машин и трансформаторов. Наконец, можно было бы передавать электроэнергию по сверхпроводящим линиям передачи без потерь..

К сожалению, мечте Камерлинг-Оннеса о сверхпроводящем соленоиде на 10 Тл не суждено было сбыться по крайней мере при его жизни. Как только Камерлинг-Оннес пробовал пропускать по сверхпроводнику значительный ток, сверхпроводимость исчезала. Вскоре оказалось, что и слабое магнитное поле (индукция самое большее в несколько сотых долей тесла) также уничтожает сверхпроводимость. Поскольку такие слабые поля можно было гораздо проще получить с помощью постоянных магнитов, реализацией идеи создания сверхпроводящих магнитов никто тогда серьезно не занялся. Это довольно грустное открытие сделало с того времени разговоры о сверхпроводящих магнитах беспредметными..

Надежды на постройку мощных сверхпроводящих магнитов возродились почти через двадцать лет, в начале 30-х годов, когда голландские физики Де Гааз и Вуугд, преемники Камерлинг-Оннеса по Лейденской лаборатории (Камерлинг-Оннес умер в 1926 г., так и не дожив до начала практического использования своего открытия), установили, что сплав свинца с висмутом остается сверхпроводящим в магнитных полях, превышающих 1,5 Тл. Это открытие давало возможность строить сверхпроводящие магниты по крайней мере с таким полем. Однако эти магниты так никто и не построил. Известный физик Кеезом, бывший в то время директором Лейденской лаборатории, объявил, что максимальные токи, которые при наличии магнитного поля выключают сверхпроводимость в сплаве свинца с висмутом, ничтожно малы. Приговор был вынесен..

В истории сверхпроводящих магнитов произошло, быть может, самое драматическое событие. Впоследствии оказалось, что Кеезом сделал то, чего не имел права делать: он экстраполировал данные, полученные им в слабых полях, на область сильных полей. К несчастью, Кеезом был слишком авторитетен. Едва узнав о его результатах, физики оставили надежду построить сверхпроводящий магнит и занялись другими проблемами. Между тем в настоящее время известно, что критический ток для сплава свинец-висмут в полях до 2 Тл достаточно высок для того, чтобы создать довольно мощные сверхпроводящие магниты. Авторитет Кеезома стоил физике очень дорого: постройка сверхпроводящих магнитов была отложена почти на 30 лет..

Лишь после того, как в 1961 г. Кунцлер и его сотрудники объявили, что кусочек проволоки из сплава ниобия с оловом (Nb₃Sn) оставался сверхпроводящим в поле 8,8 Тл, даже в том случае, когда одновременно по этой проволоке пропускали ток плотностью 1000 А/мм², началась новая эра в истории сверхпроводимости..

Использование сверхпроводящего магнита в ЯМР томографе. Иллюстрация с сайта www.magnet.fsu.edu

Свойства вновь открытых сверхпроводников делали реальными планы их использования в технике. Сверхпроводимость начала как бы вторую жизнь, но теперь уже не в качестве любопытного лабораторного феномена, а как явление, открывающее перед инженерной практикой весьма серьезные перспективы. Но и здесь оказались свои трудности..

Если все сложилось так удачно, то спрашивается, почему традиционные мамонтоподобные магниты еще не вышли из употребления? Почему до сих пор сверхпроводящие магниты не завоевали принадлежащего им по праву места?.

Пожалуй, в первую очередь это объясняется тем, что сверхпроводники с хорошими свойствами оказались очень капризными. Обращение с ними потребовало от ученых поиска новых технологических решений, новых представлений о природе сверхпроводимости. Сейчас уже созданы сверхпроводящие электротехнические материалы, которые можно успешно использовать в электромагнитах. Среди них есть, например, такие сплавы, как ниобий-цирконий-титан и ниобий-титан. Они хорошо поддаются обработке и из них сравнительно легко получить проволоку. Злые языки, правда, подшучивают, что эта проволока дороговата, так как ее пока что изготовляют сами ученые. Но производство сверхпроводящей проволоки уже налажено на заводах, и стоимость ее неуклонно снижается..

Однако наиболее перспективные сверхпроводящие материалы (сплавы ниобий-олово и ванадий-галлий) чрезвычайно хрупки (например, сплав ванадий-галлий легко растирается в порошок пальцами). Поэтому такие соединения приходится упаковывать в гибкие трубки или наносить на гибкую подложку. Даже такая сложная технология изготовления себя оправдывает. Вот лишь один факт. В сверхпроводящих соленоидах, навитых из стальной ленты с нанесенным на нее слоем из сплава ниобий-олово, достигнуты магнитные поля до 17 Тл. И это при массе магнита в несколько десятков килограммов вместо нескольких десятков тонн и практически при нулевом потреблении электроэнергии вместо нескольких тысяч киловатт, которые потребовались бы для работы несверхпроводящего магнита с теми же параметрами!.

Сверхпроводящие соленоиды могут работать почти не потребляя энергии, поскольку однажды возбужденный в них ток практически не затухает..

Количество энергии, расходуемой в ожижителе гелия и необходимой для поддержания магнитов при низкой температуре, не идет ни в какое сравнение с теми громадными количествами ее, которые тратятся в несверхпроводящих магнитах..

Конечно, постройка сверхпроводящих магнитов - далеко не простое дело. Одна из серьезных и неожиданных трудностей, с которой пришлось столкнуться конструкторам сверхпроводящих магнитов, - так называемая проблема деградации сверхпроводящей проволоки в соленоидах. Чтобы понять сущность деградации, вспомним, как, например, определяют нагрузку, которую может выдержать балка. Для этого, конечно, не обязательно ее подвергать испытаниям. Надо лишь знать материал, из которого сделана балка, и характер ее нагружения в работе. А так как прочность материала известна (она измерена в результате испытаний небольших образцов), то все сводится к несложным расчетам. Грубо говоря, во сколько раз сечение балки больше сечения образца, во столько раз большую нагрузку эта балка сможет выдержать. Словом, какой бы длинной или толстой ни была балка, ее свойства можно более или менее достоверно заранее рассчитать, зная свойства маленького образца из того же материала..

А вот для сверхпроводящих сплавов этих простых зависимостей не существует. Если сечение одной проволоки в 10 раз больше сечения другой, сделанной из такого же материала, то это вовсе не значит, что по первой можно пропускать ток в 10 раз больший. Кроме того, характеристики сверхпроводника, измеренные на кусочке проволоки, не совпадают с характеристиками навитых на катушки длинных кусков проволоки. Катушки, рассчитанные на одно поле, дают в действительности другое, значительно более низкое..

Это явление объясняют тем, что магнитное поле проникает в сверхпроводник в виде так называемых квантов потока. Так как проникновение потока носит скачкообразный характер и всякое изменение поля во времени вызывает появление ЭДС, в некоторых участках проволоки образуются вихревые токи, разогревающие проволоку и преждевременно переводящие ее в нормальное, несверхпроводящее состояние. Поэтому приходится увеличивать объем и массу катушки по сравнению с теми, которые она имела бы, если бы характеристики короткого и длинного кусков проволоки совпадали. Это очень невыгодно по экономическим соображениям: сверхпроводящая проволока пока еще дорога (несколько сотен рублей за 1 кг)..

В настоящее время проблему деградации интенсивно исследуют. Иногда с ней удается справиться. Уменьшению деградации способствует, например, покрытие сверхпроводящей проволоки медью. Выяснилось, что при увеличении толщины слоя меди свойства сверхпроводящих соленоидов значительно улучшаются. Поэтому некоторые исследователи пришли к выводу, что наилучшим материалом для сверхпроводящих магнитов является... медь, в которую впрессован сверхпроводник! В таких системах эффект деградации полностью отсутствует..

Как ни странно, другая проблема, считавшаяся одной из наиболее труднопреодолимых, оказалась на поверку сравнительно простой. Речь идет о том, что сверхпроводимость известных до сих пор соединений существует лишь при температурах, очень близких к абсолютному нулю. Так, ни один из известных сверхпроводников не может оставаться в сверхпроводящем состоянии при температуре выше 24 К. Не очень радуют и прогнозы физиков-теоретиков. Они установили, что принципиально невозможно получить материал, остающийся сверхпроводящим при температурах выше 40 К, т.е. выше -233°С. Тем не менее поиск сверхпроводников, не теряющих сверхпроводимости при 30...40 К, ведется весьма активно..

Для получения низких температур пользуются гелием, превращающимся в жидкость при 4,2 К. Даже самые незначительные количества тепла, проникшего в сосуд, где содержится жидкий гелий, способны вызвать его быстрое испарение, поэтому жидкий гелий надо хранить в специальных сосудах, имеющих исключительно хорошую теплоизоляцию..

Решать эту проблему конструкторам сверхпроводящих магнитов фактически не пришлось. Они воспользовались плодами разработок, проведенных теми, кто занимался вопросами освоения космоса. Успехи ученых и инженеров СССР и США, работающих над задачей хранения ракетного топлива в сосудах-криостатах, привели к созданию надежной конструкции и эффективного способа изоляции таких сосудов. В них можно хранить жидкий гелий в течение нескольких месяцев..

Наиболее прогрессивным до сего времени методом охлаждения газообразного гелия является метод получения его в жидком виде с помощью созданного академиком П.Л. Капицей в 1934 г. поршневого детандера. Сущность этого метода заключается в том, что газообразный гелий расширяется в специальном сосуде - детандере, толкая при этом поршень, т.е. совершает некоторую работу, отдавая энергию. При этом гелий охлаждается. Многократно повторяя цикл, можно в принципе добиться того, что гелий охладится до 4,2 К и превратится в жидкость. Чаще всего, однако, охлаждение гелия в поршневом детандере сочетается с другими способами охлаждения, например дросселированием..

При дросселировании предварительно сжатый и охлажденный гелий пропускается через узкую щель - дроссель, где он расширяется. Физическая сущность охлаждения при дросселировании (эффект Джоуля - Томсона) состоит в том, что при увеличении объема газа, происходящем при расширении в дросселе, межмолекулярные расстояния в газе растут, при этом совершается некоторая работа против сил притяжения. Газ теряет свою внутреннюю энергию и, следовательно, охлаждается..

Один из "классических" детандерных ожижителей гелия создан в Институте физических проблем АН СССР. Опишем принцип его работы..

Вид гибридного магнита. Иллюстрация с сайта National High Magnetic Field Laboratory

Поршневой компрессор сжимает гелий, поступающий из газгольдеров, и подает его в ожижитель. Туда поступает около 350 м³/ч газообразного гелия, сжатого до 22...23 атм. Сначала гелий охлаждают в ванне с жидким азотом (70 К). Затем часть охлажденного гелия поступает в поршневой детандер, где гелий расширяется, заставляя двигаться поршень, причем температура гелия в это время падает до 11...12 К. Холодный гелий используется теперь для охлаждения новых порций гелия. Другая часть газообразного охлажденного гелия поступает в так называемую дроссельную ступень, где газ заставляют пройти через дроссель. При этом уже основательно охлажденный газ еще больше охлаждается, частично превращаясь в жидкость (сжижается примерно около 10% первоначально имевшегося количества гелия)..

Производительность аппарата 45 л/ч, расход электроэнергии 2,5 кВт·ч/л жидкого гелия. Такая производительность, однако, не предел. За последние годы в СССР и США созданы гелиевые ожижительные установки производительностью 200 л/ч и более. Мала или велика эта производительность?.

Теплота испарения жидкого гелия настолько низка, что электролампочка мощностью 4 Вт, работающая в жидком гелии, испарила бы более 50 л жидкого гелия за 1 ч!.

Тем не менее полное отсутствие сопротивления у сверхпроводящих обмоток и, следовательно, отсутствие выделения тепла позволяют обходиться такими количествами жидкого гелия даже для самых крупных обмоток. Важно лишь обеспечить очень хорошую теплоизоляцию области, где находится сверхпроводящая обмотка, с тем чтобы тепло не поступало в эту область извне..

Самая лучшая теплоизоляция - это высокий вакуум (остаточное давление 10^-5...10^-6 мм рт.ст.). Теплопроводность остаточного газа в этом случае ничтожно мала для того, чтобы обеспечить хоть сколько-нибудь заметную теплопередачу. При вакуумной изоляции решающее значение приобретает теплопередача лучеиспусканием. Чтобы ликвидировать или по крайней мере существенно снизить передачу тепла от области с высокой температурой к низкотемпературной, на пути излучения в вакууме необходимо поставить отражающие экраны, охлаждаемые каким-либо хладагентом. Охлаждение экрана необходимо потому, что теплопередача излучением пропорциональна разности четвертых степеней температур поверхностей. Снижая эту разность, можно добиться еще большего эффекта теплоизоляции. Достаточно сказать, что установка экрана, охлаждаемого жидким азотом, снижает приток тепла в низкотемпературную область в 200 раз!.

Хранят жидкий гелий в специальных сосудах Дьюара. Обычно они имеют сферическую форму, поскольку сфера при данном объеме имеет самую маленькую поверхность, а каждый лишний сантиметр поверхности - это и лишний приток тепла внутрь сосуда! Наиболее часто употребляемый сосуд (модель СД-10Г) может вместить около 10 л жидкого гелия. Гелий содержится в сферическом резервуаре, который расположен внутри ванны с азотом, помещенной, в свою очередь, внутри сферического корпуса, имеющего комнатную температуру. В пространстве между внешним корпусом и сосудами с азотом и гелием создается глубокий вакуум. В таком сосуде в сутки теряется не более 2% гелия..

Существуют стандартные сосуды большей емкости, например, на 50, 80, 100 л. Развитие сверхпроводниковой техники приведет к созданию значительно больших емкостей. Уже сейчас для централизованного снабжения гелием используют гелиевые цистерны вместимостью 10...30 тыс. л. В этих гигантских устройствах применяются уже несколько иные принципы теплоизоляции. Здесь использована так называемая многослойная вакуумэкранная изоляция. Она представляет собой вакуумный промежуток, заполненный большим числом слоев алюминиевой фольги, проложенных теплоизоляционными материалами, например стеклотканью или стеклобумагой. Количество этих экранов может быть очень большим (более ста)..

Можно считать в принципе решенной и проблему перекачки жидкого гелия по трубам, особенно остро стоящую перед теми, кто занимается созданием сверхпроводниковых линий электропередачи. Принцип, на котором создаются эти трубы, практически тот же, что и используемый при создании сосудов Дьюара. Это внутренняя труба с жидким гелием, окруженная концентрическим экраном, находящимся при температуре жидкого азота и помещенным, в свою очередь, во внешний кожух, имеющий обычную температуру. На внутренней поверхности гелиевой трубы нанесена пленка сверхпроводника, она и является токопроводом такой линии электропередачи..

Первые эксперименты в области создания крупных криогенных систем приносят обнадеживающие результаты. Можно быть уверенным в том, что уже в скором времени мы станем свидетелями новых поразительных успехов в этой области..

Успешно решена и задача создания сверхпроводящего магнита, магнитное поле которого существует при комнатной температуре. Одним из замечательных достижений на этом пути можно считать разработку и постройку сотрудниками Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры имени Д.В. Ефремова, Института атомной энергии имени И.В. Курчатова и Физического института АН СССР имени П.Н. Лебедева "гибридного" магнита, в котором сверхпроводящий соленоид с полем при комнатной температуре добавляет свое поле к полю биттеровского медного водоохлаждаемого соленоида на 15 Тл - суммарное поле составляет 25 Тл..

На Международном симпозиуме по сильным магнитным полям в Осаке, проводившемся в 1982 г., группа американских исследователей (Л. Рубин с сотрудниками) сообщила, что им удалось построить гибридный электромагнит на 30 Тл..

Победа над деградацией и решение технической задачи охлаждения сверхпроводников до сверхнизких температур позволили ученым создать уникальные сверхпроводящие магнитные системы для исследования плазмы, магнитогидродинамических (МГД) установок, пузырьковых камер. В качестве примера упомянем построенный в США сверхпроводящий магнит, который может создавать магнитное поле 4 Тл в цилиндрическом объеме диаметром 20 см и длиной около 1,5 м. В сеерхпроводящем магните для пузырьковой камеры достигнуто поле 7 Тл в объеме диаметром 18 см. Созданы сверхпроводящие магнитные системы с магнитным полем около 3 Тл и рабочим объемом диаметром до 5 м..

При покорении холодного мира сверхпроводников ученым пришлось заново решать множество проблем, считавшихся решенными. Например, какой источник тока годится, чтобы питать сверхпроводящее устройство? Если речь идет о сравнительно небольших токах, то в принципе годятся привычные батареи, генераторы или аккумуляторы. Однако ток, который можно пропустить по сверхпроводнику сечением 1 мм², составляет 1000 А, что более чем в 100 раз больше тока, пропускаемого через медный проводник такого же сечения. Это колоссальное преимущество сверхпроводников обернулось для инженеров новой трудностью. Ведь этот ток нужно получить от генератора, работающего при комнатной температуре, а уж потом по проводам передать в криостат с жидким гелием, где помещается сверхпроводящий магнит. Сечение проводов, по которым передается ток (а они несверхпроводящие), должно быть по крайне мере в 100 раз больше сечения сверхпроводника. По такому большому сечению, как через широко раскрытые ворота, тепло из комнаты (в полном соответствии с законом Фурье) лавиной устремится в криостат, гелий мгновенно выкипит, а сверхпроводимость исчезнет..

Вот почему перед конструкторами встала задача создать такие устройства, которые генерировали бы большие токи не вне криостата, а внутри него. Это удалось сделать, использовав особые свойства сверхпроводников, например их диамагнетизм. Именно диамагнетизмом объясняется показываемый иногда в физических лабораториях опыт с "парящим магнитом". Описания парящего магнита не сходят со страниц книг, посвященных физике низких температур. Впрочем, не только этих....

Устройство гибридного магнита с B - 45 Тл. Иллюстрация с сайта National High Magnetic Field Laboratory

"...Я немного прошелся между скалами, небо было совершенно ясно, и солнце жгло так сильно, что я принужден был отвернуться от него. Вдруг стало темно, но совсем не так, как от облака, когда оно закрывает Солнце. Я оглянулся назад и увидел в воздухе большое непрозрачное тело, заслонявшее солнце и двигавшееся по направлению к острову... По мере приближения ко мне этого тела оно стало мне казаться твердым; основание же его было плоско, гладко и сверкало ярко, отражая освещенную солнцем поверхность моря...".

То, что увидел Лемюэль Гулливер, "сначала хирург, а потом капитан нескольких кораблей", было летающим островом. В его толще на алмазных опорах был установлен магнит, который, отталкиваясь от некоей субстанции находящейся в толще Земли, создавал подъемную силу!.

Вряд ли Свифт предполагал, что через двести лет московский физик В.К. Аркадьев воплотит эту "безумную" идею почти в том же виде, хотя и в несколько ином масштабе. В его опыте небольшой магнит висел без какой-либо поддержки над свинцовой пластинкой. Эксперимент этот, называемый тогда "гроб магомета" (по преданию, гроб с телом пророка Магомета висел в пространстве без всяких опор), был проведен при температуре, весьма близкой к абсолютному нулю, когда свинец становится сверхпроводником. Модификацию опыта Аркадьева реализовал по предложению В.И. Ожогина в Институте атомной энергии имени И.В. Курчатова молодой ученый А.В. Инюшкин. "Теплый" магнит висит над сверхпроводящим кругом из свинца, спрятанным в сосуд Дьюара из нержавеющей стали. Для нас в этих опытах особенно важно то, что он демонстрирует идеальный диамагнетизм некоторых сверхпроводников. В диамагнитное тело не могут приникнуть силовые линии магнитного поля: диамагнетик является для силовых линий магнитного поля непреодолимой преградой, стеной, непроницаемой плоскостью..

Диамагнетизм сверхпроводников - это поверхностный эффект, распространяющийся на глубину порядка 0,001 мм. Поверхность сверхпроводника превращается в своеобразное "магнитное зеркало", отражающее силовые линии внешнего магнитного поля. Можно считать, что и оригинал - падающий магнит, и отражение его в "магнитном зеркале" обладают абсолютно идентичными магнитными полями. Под тем местом, где у оригинала находится северный полюс, возникает отражение северного полюса. Эти полюсы отталкиваются до тех пор, пока не устанавливается равновесие; сила отталкивания магнита и его "двойника" становится равной массе магнита..

Принцип магнитного зеркала может найти многочисленные применения. Например, в электронных микроскопах, где пучок электронов фокусируется магнитным полем, фольга из сверхпроводника позволит до такой степени повысить разрешающую способность микроскопа, что станут различимыми отдельные атомы..

Магнитные свойства сверхпроводящего и нормального состояний проводника настолько различаются, что можно говорить о двух разных материалах. Из этого, в частности, следует, например, что сверхпроводящее кольцо вовсе не должно иметь дырку - отверстие в обычном механическом смысле. Сверхпроводящая пластинка, не имеющая отверстий, может считаться в магнитном отношении кольцом, если хотя бы в одной ее точке, не соприкасающейся с краем, сверхпроводимость нарушена..

Несверхпроводящую, или "нормальную", зону в сверхпроводнике можно создать различными способами: нагревать его в какой-либо точке до температуры, превышающей критическую, сделать сильным местное магнитное поле; освещать узким пучком света небольшую область сверхпроводника (в последнем случае сверхпроводимость также теряется вследствие выделения тепла)..

Если воспользоваться тем, что расположение нормальной области ("отверстия") на поверхности сверхпроводника легко менять, можно создать накопитель магнитного потока, или, как его иногда называют, топологический генератор. Особенно примечательным в этой конструкции является то, что постоянный ток снимается с неподвижной части устройства. По сути дела, это устройство есть бесколлекторный генератор постоянного тока, принципиальная неосуществимость которого была многократно доказана. В настоящее время в советских, американских и голландских лабораториях работают многие сотни таких "неосуществимых" устройств..

К числу устройств, считавшихся невозможными, относится и трансформатор постоянного тока. Получить постоянный ток во вторичной обмотке несверхпроводящего трансформатора действительно невозможно. Если подать на его первичную обмотку постоянный ток, то во вторичной обмотке появится слабый импульс тока, но он быстро затухает вследствие электрического сопротивления вторичной обмотки..

Если же вторичная цепь трансформатора будет сверхпроводящей, то при подаче тока в первичную обмотку во вторичной наведется ЭДС, вызывающая ток, который не может затухнуть даже тогда, когда уже нет вызвавшей его ЭДС. С помощью таких трансформаторов постоянного тока удавалось, подавая в криостат с жидким гелием небольшой ток по тонким проводникам, трансформировать его, доводя до 25 тыс. А..

Таким образом, особые свойства сверхпроводников были поставлены на борьбу с трудностями, проистекающими из тех же особых свойств. Благодаря такому подходу уже разработаны генераторы и трансформаторы, с помощью которых сверхпроводящий электромагнит может снабжаться током в несколько тысяч ампер! И этот ток циркулирует по сверхпроводящей обмотке в то время, когда из области с комнатной температурой к генератору или к трансформатору подается ток силой всего в несколько ампер..

Эти устройства помогают также сократить потребление сверхпроводящими магнитами жидкого гелия, т.е. сделать их еще более экономичными..

Какие прогнозы можно уже сейчас делать относительно будущего сверхпроводящих магнитов? Теперь ясно, что недалеко то время, когда будут построены сверхпроводящие магниты, создающие поле около 25 Тл в рабочем объеме, измеряемом несколькими кубическими метрами..

Оглавление