Нурбей Гулиа. Удивительная физика

      Опыт произвел сенсацию – еще бы, взрывчатки такой силы еще никто не видел. Изобретателю выдали крупную сумму денег на продолжение опытов, и он сбежал.
      А секрет объяснялся просто – над чушкой в лаборатории, где проводился опыт, был тайно установлен весьма сильный электромагнит. Включая рубильник, хитрый изобретатель пускал ток в обмотку магнита – и груз подлетал, якобы от силы взрыва. Задержись на мгновение выключение рубильника – чушка «прилипла» бы к магниту, и все поняли бы, в чем дело. Но изобретатель, видно, был ловок на руку…
      Автору самому в юношестве пришлось сыграть со знакомыми похожую шутку, конечно, более безобидную. Детство и юношество автора протекали в Тбилиси, где восточная игра нарды была, наверное, еще более популярна, чем наш традиционный «козел». Не было двора, чтобы там по вечерам, а то и днем, окруженные толпой болельщиков, игроки не резались в нарды. Игра нехитрая, но все счастье игрока зависит от счета выброшенных игральных костей. Особенно ценятся две шестерки, или ду шаш, как их называют на Востоке. Восточная пословица даже говорит: «Что делать хорошему игроку в нарды, если вовремя ду шаш не выпадет?»
      Автор не был хорошим игроком, более того, был, видимо, плохим игроком, так как решил выигрывать не ценой бесчисленных тренировок, а… знанием физики. Хотя такое применение знаний можно назвать и достаточно резким словом, но желание победить сделало свое дело.
      Автор просверлил в игральных костях отверстия под закрашенными в черный цвет углублениями точно напротив шестерки, вставил туда кусочки гвоздя и снова залил точки краской. Никто не мог заметить подвоха. А в свои нарды автор вставил под середину доски маленький электромагнит с питанием от батарейки. Играть автор соглашался только на своих «счастливых» нардах. Таким образом, автор мог в любое время выкинуть рекордные ду шаш, гарантируя себе победу. Вся хитрость состояла в незаметном нажатии скрытой кнопки в нардах – кости намертво становились в положение ду шаш. Что и говорить – славу автор заработал огромную. Сразиться приходили лучшие нардисты квартала и уходили посрамленные. Коварство «магнитных» нард заключалось не только в том, что автор мог в любой момент организовать себе ду шаш. В нардах встречаются и такие моменты, когда хуже ду шаш счета и придумать нельзя, – фишки не ставятся в соответствующее положение и ход вообще теряется, игрок становится беззащитным. Нужно только представить отчаяние игрока – противника, которому автор «подсовывал» дефицитный ду шаш в то время, когда он ему совсем не нужен.
      К счастью, автор догадался вовремя прекратить фокусы и уйти из спорта непобежденным. А также уничтожить все магнитные нововведения в древнюю игру, чтобы уйти к тому же физически не побитым.

Как холод помог магниту?

      В конце XIX – начале XX вв. ученым удалось перевести в жидкость все без исключения газы и даже чемпиона среди них – гелий. Температура кипения его всего на 4,2 °С выше абсолютного нуля, равного минус 273,16 °С. Сейчас у ученых и инженеров принято измерять температуру не в градусах Цельсия, а в градусах Кельвина, которые берут отсчет от абсолютного нуля, при этом 0 К= – 273,16 °С. Температура кипения жидкого гелия, стало быть, будет 4,2 К (значок «°» при измерении в градусах Кельвина в отличие от градусов Цельсия не пишется).
      Честь получения жидкого гелия принадлежит голландскому ученому Гейке Каммерлингу-Оннесу, и с его же именем связано явление, имеющее непосредственное отношение к магнитам, – явление сверхпроводимости. Сверхпроводимость должна совершить в технике настоящую революцию, немалая роль в которой будет принадлежать сверхпроводящим магнитам.
      В начале XX в., а точнее, до 1911 г. и открытия сверхпроводимости, ученые совершенно не знали, как поведут себя проводники тока, в первую очередь металлы, при их охлаждении.
      Какая-то часть ученых считала, что электрическое сопротивление проводников с понижением температуры будет постоянно падать, и при температуре абсолютного нуля могло бы исчезнуть совсем. (Такое явление назвали сверхпроводимостью). Но так как абсолютный нуль практически недостижим, то и сверхпроводимости, стало быть, реально не получить. Другие настаивали на том, что и при абсолютном нуле какое-то сопротивление останется из-за дефектов в кристаллах металлов. А третьи и вовсе утверждали, что при приближении к абсолютному нулю сопротивление проводников возрастает. И все это доказывали теоретическим путем.
      А Каммерлинг-Оннес своим ставшим знаменитым опытом показал, что и те, и другие, и третьи неправы, а результат таков, какой и ожидать-то трудно было.
      Весной 1911 г. ученый решил заморозить ртуть в недавно полученном им жидком гелии. Гелий этот сохраняли в сосуде, который придумал англичанин Дьюар и который впоследствии назвали его именем.
      В сосудах Дьюара одинаково хорошо хранятся и холодные, и горячие предметы, в том числе и жидкости, так как они хорошо ограждены вакуумом от поступления тепла снаружи и выхода его изнутри. А зеркальный слой делает невозможным передачу тепла лучами.
      Итак, в сосуд Дьюара, содержащий жидкий гелий, была помещена трубочка со ртутью, которая тотчас же там замерзла, а затем Каммерлинг-Оннес пропускал через ртуть ток и замерял электрическое сопротивление, так же, как это делают сегодня радиотехники и электрики. Сопротивление столбика ртути с понижением температуры падало, пока эта температура не снизилась до 4,12 К. При этой температуре сопротивление скачком исчезло совсем! Да об этом никто даже подозревать не мог!
      Добросовестный ученый многократно изменял условия опыта: то брал загрязненную ртуть, то утончал и удлинял столбик ртути, чтобы сопротивление стало заметнее, но результат был все тот же: сопротивление равно нулю!
      И, наконец, через два года Каммерлинг-Оннес проделывает решающий опыт, для которого уже не важна точность измерительных приборов. Он изготавливает из свинцовой проволоки обмотку и дает импульс тока. Свинец тоже оказался сверхпроводником, причем уже при 7,2 К. Если хоть какое-то, пусть даже ничтожное сопротивление есть, то ток в обмотке очень быстро, за доли секунды угаснет. Ток в обмотке не угасал совсем!
      Итак, сверхпроводимость открыта! И не при недоступном абсолютном нуле, а при реальных температурах.
      Для тех, кто не верит тому, что сопротивление сверхпроводника действительно равно нулю, можно рассказать об интересном и поучительном опыте, поставленном американским физиком С. Кол-линсом.
      Он изготовил сверхпроводящее кольцо, как и Каммерлинг-Он-нес, поместил его в жидкий гелий и пустил по нему ток. В серебряном кольце, например, этот ток затух бы за несколько десятых долей секунды, а ведь серебро – лучший из известных проводников. А в кольце Коллинса угасания тока за 10 лет установить не удалось. Не менее 100 тысяч лет нужно для того, чтобы самыми точными приборами заметить это угасание!
      Дотошные физики подсчитали, что до полного затухания тока, когда его уже нельзя будет измерить приборами, пройдет время, в миллиарды миллиардов раз большее, чем время существования нашей Вселенной! Это ли не полное отсутствие сопротивления? Да и то говорят, что такое заключение ученые вынесли необоснованно – некоторое, ничтожное затухание тока наблюдается из-за растяжения кольца, по которому течет этот ток. Известно, что текущий по кольцу ток создает магнитные силы, стремящиеся разорвать кольцо.
      Так вот это растяжение и связанное с ним падение напряженности магнитного поля ошибочно принимали за затухание тока. В действительности ток в сверхпроводящем кольце будет течь вечно, и мы получим вечный электромагнит!

Скандал и сенсация в физике сверхпроводимости

      Научные авторитеты, оказывается, могут двигать науку не только вперед и назад, но даже останавливать на месте на десятилетия. Именно это и произошло в 30-е гг. XX в. с изучением и практическим использованием такого важного явления, как сверхпроводимость.
      В 1911 г. голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес неожиданно открывает явление сверхпроводимости, когда при сильном охлаждении, почти до абсолютного нуля, электрическое сопротивление некоторых металлов падает до нуля.
      Но природа, которая так побаловала ученого неожиданным открытием, здесь подготовила ему неприятный сюрприз. Пока ток в сверхпроводящей обмотке был небольшим, все было хорошо. Но как только ток возрастал, он уничтожал саму сверхпроводимость. И это не все. Магнитное поле, порожденное током в обмотке, даже небольшое, 1 000 – 1 500 эрстед, также убивала сверхпроводимость. И тут произошла, пожалуй, самая досадная история, буквально скандал в изучении и применении сверхпроводников. Известный и авторитетный физик того времени В. Кеезом теоретически доказал, что при наличии магнитного поля даже самые малые токи будут «выключать» сверхпроводимость. Это была ошибка Кеезома.
      Авторитет известного физика сыграл свою роль, и все поверили, что о мало-мальски пригодных сверхпроводящих магнитах не может быть и речи. Работы в этом направлении были прекращены, и ученые занялись другими, более практичными, с их точки зрения, проблемами. А зря! Были потеряны десятки лет, а убыток в деньгах трудно даже и оценить. Но в дальнейшем природа преподнесла нам приятный сюрприз.
      Настоящая сенсация произошла в 1986 г., когда швейцарские физики Д. Беднорц и К. Мюллер объявили о создании ими сверхпроводников при температурах, выше температуры кипения жидкого азота (77,4 К!). Сообщение это было настолько шокирующим, что научные журналы поначалу отказывались его печатать.
      Жидкий азот чрезвычайно дешев, как говорят, даже дешевле лимонада, он является побочным продуктом при производстве кислорода, и его просто нередко выливают, выбрасывают. Получить сверхпроводимость при «азотных» температурах было мечтой исследователей и инженеров, казалось, неосуществимой. Отсюда и тот бум, который поднялся после этого сообщения. Сейчас ученые уже перешли от восторгов к делу, начались планомерные исследования в области высокотемпературной сверхпроводимости, в том числе и у нас в стране. В результате получены материалы, приобретающие свойство сверхпроводимости при 100—110 К. Были сообщения о материалах, теряющих электросопротивление почти при обычных температурах нашей средней полосы – от – 20 до +10 °С. Но, как оказалось, это была не сверхпроводимость, а просто сильное, в сотни и тысячи раз, снижение сопротивления, что хоть и хорошо, но коренным образом отлично от сверхпроводимости.
      Что же это за материалы, обладающие столь заманчивыми свойствами?
      В отличие от низкотемпературных сверхпроводников это не металлы, а керамика, чаще всего на основе элементов иттрия и бария. Сама процедура изготовления сверхпроводящей керамики необыкновенно проста и, как выразился один известный физик, «удивительно дуракоустойчива».
      Сами компоненты, входящие в состав новых сверхпроводников, хотя и называются редкоземельными, отнюдь не редкость. Они входят в состав полиметаллических руд, но за отсутствием спроса до сих пор оттуда не извлекались, а шли в отвал. Так что теперь нужно наладить переработку отвалов этих руд.
      Где же можно применить новые сверхпроводники? С силовыми применениями сверхпроводников пока придется подождать. Зато уникальные свойства сверхпроводимости, не связанные с большими токами, можно уже начинать использовать. Например, в микроэлектронике и вычислительной технике новые сверхпроводники можно применять уже прямо сейчас, поскольку большие токи там не требуются.
      Попытки использовать сверхпроводники для нужд микроэлектроники и вычислительной техники были и раньше, разработали даже некоторые элементы (сверхпроводящий ключ, сверхпроводящая ячейка памяти – криотрон), но широкому их распространению мешала высокая стоимость охлаждения до рабочей температуры. Необходимость же охлаждать до азотной температуры проблемы не представляет. Более того, это даже полезно, поскольку одновременно снижается уровень шумов.
      Природа своими подарками еще не полностью искупила высокомерную ошибку Кеезома и наше преклонение перед авторитетами науки. Мы можем с уверенностью ждать скорого появления уже «силовых» сверхпроводников, работающих при обычных для нас температурах. Что мы можем от этого получить, пока даже трудно себе представить!

Как Фарадей перехитрил Ампера?

      Тут нам снова надо вернуться в XIX в., к знаменитым опытам Фарадея (1791—1867). Сразу после опытов Эрстеда, где электричество порождало магнетизм, Фарадей записал в своем дневнике девиз: «Превратить магнетизм в электричество». 11 лет Фарадею это не удавалось. Много лет подряд ученый постоянно носил с собой спираль из медной проволоки и железный сердечник, проделывая с этими предметами самые невероятные манипуляции. Но ничего путного не выходило, и в его лабораторном журнале «О возбуждении электричества посредством магнетизма» снова появлялась запись: «Никакого результата». Каждому опыту Фарадей посвящал особый параграф, и последний параграф в журнале помечен номером 16041!
 

 
      Баснословная работоспособность и одержимость Фарадея была наконец вознаграждена, и 29 августа 1831 г. он «напал на след». Весь сентябрь и октябрь были сплошным повторением в разных вариантах одного и того же опыта, который положил начало всему электромашиностроению. Вот как описал этот опыт сам Фарадей в своем журнале:
      «Я взял цилиндрический магнитный брусок и ввел один его конец в просвет спирали из медной проволоки, соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок (рис. 367). Затем я также быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался…» Дальше следовал гениальный вывод ученого: «Это значит, что электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое».
 

Рис. 367. Опыт Фарадея:

       1 – гальванометр; 2 – магнитный брусок; 3 – спираль из медной проволоки
 
      Сейчас мы отлично понимаем, что если положить магнит около обмотки или даже вдвинуть его в спираль и оставить там, то ожидать появления тока при неподвижном магните равносильно вере в появление энергии из ничего. Действительно, лежит себе магнит внутри обмотки, ничего не теряет, а там течет ток, совершая работу хотя бы на нагрев этой обмотки. Так и до «вечного двигателя» недалеко! Правда, как мы уже видели, такой случай возможен, когда обмотка сверхпроводящая – там ток, возникший при введении магнита, будет течь вечно – потерь-то никаких нет! А ведь такого же эффекта в те времена ждали, и не кто-нибудь, а сам Ампер и, возможно, поначалу и Фарадей.
      Одновременно с Фарадеем опыты по вдвиганию магнитных сердечников в проволочную спираль проводил и Ампер. Чтобы избежать влияния магнита на чувствительный гальванометр и Фарадей, и Ампер помещали прибор в другую комнату. При этом Ампер сначала помещал сердечник внутрь спирали и потом уже шел в соседнюю комнату проверить, не появился ли ток. Но, увы, спираль была изготовлена не из сверхпроводника, а из обычной медной проволоки, и ток практически мгновенно затухал, стоило сердечнику прекратить движение. А Фарадей поручил наблюдение за прибором ассистенту, который и заметил появление тока во время движения магнита. Казалось бы, что стоило Амперу воспользоваться чьей-либо помощью или, на худой конец, поставить гальванометр в другом углу той же комнаты и самому наблюдать за ним!
      Такие досадные случаи достаточно часты в истории науки, что и дало повод великому немецкому физику Герману Гельмгольцу воскликнуть: «И от этих случайных обстоятельств зависело великое открытие!»
      Это изречение Гельмгольца в полной мере относится и к самому Фарадею. Еще за 9 лет до открытия им электромагнитной индукции (а именно так стали называть возбуждение магнитом электричества) Фарадей был необычайно близок к нему.
      Наблюдая за проволокой с током, проделывая с ней замысловатые манипуляции, Фарадей неожиданно обнаружил, что магнит начинает движение вблизи проволочки с током. Сохранился собственноручный рисунок Фарадея, иллюстрирующий этот опыт (рис. 368). В чаше с налитой туда ртутью плавает магнитик. Ртуть подсоединена к одному полюсу источника тока, причем в той же ртути находится конец проволочки, подсоединенный к другому полюсу. Когда электрическая цель замыкалась через ртуть, магнитик или конец проволоки приходили во вращение. Эта была первая униполярная электромашина, принципа действия которой тогда не понял сам автор. И не в этом дело – работу такой машины ученые смогли объяснить лишь гораздо позже.
 

Рис. 368. Рисунок Фарадея, с которого началось электромашиностроение

      Но так или иначе, именно Фарадей связал магнит и движение, получив и первый электромотор – магнит вращается при пропускании тока, – и первый электрогенератор – обмотка дает ток при движении около нее магнита. Начало эры электромашиностроения, без которого немыслима современная техника, было положено!

Что вращает самовращатель?

      После замечательных открытий Фарадея оставался лишь один шаг до создания электромашин.
      Что же такое электромашины? Это моторы, преобразующие электрический ток в механическое движение, и генераторы, выполняющие обратную задачу – превращения механического движения в электрический ток.
      Первый в мире электромотор создал Фарадей, причем принцип его действия долго оставался непонятным, да и сейчас его понимают только специалисты по униполярным машинам. Но уже электромагнитный самовращатель венгерского изобретателя Аньоша Едлика, построенный им в 1828 г., напоминает современные коллекторные электродвигатели, работающие обычно на постоянном токе. Такой ток дают, например, гальванические батареи или аккумуляторы.
      Принцип работы самовращателя Едлика заключается в автоматическом перемагничивании электромагнита таким образом, чтобы его полюса поменялись местами, в зависимости от положения этого электромагнита. Едлик поместил электромагнит с сердечником на острие опоры, как стрелку компаса, а оба конца его обмотки опустил в две полукруглые чашечки со ртутью, изолированные друг от друга. К одной чашечке был подключен положительный полюс батареи, а к другой – отрицательный. Чашечки со ртутью играли роль обычных токосъемников, только с гораздо меньшим трением. Над электромагнитом находилась обмотка, подключаемая к источнику тока. В принципе эту обмотку вполне можно было бы заменить обычным постоянным магнитом, что мы для простоты и сделаем. Можно было вообще обойтись без этого магнита, памятуя, что сама Земля тоже магнит, и что как стрелка компаса, так и электромагнит на ее месте установятся во вполне определенном положении – от одного полюса к другому.
      Если электромагнит Едлика при подаче в него тока уже находился в таком положении, ничего не изменится – он только еще более утвердится в таком положении, и сдвинуть его с места будет трудно. Но если электромагнит находился в произвольном положении, то при подаче в него тока он развернется, чтобы занять устойчивое – от полюса к полюсу – положение. Однако чашечки со ртутью расположены так, что, подойдя к своему устойчивому положению, электромагнит оказывался переключенным. Концы обмоток перескакивали в другие чашечки, полюса электромагнита менялись местами, и, проскочив по инерции устойчивое положение, он снова стремился занять его, но уже новое, под углом 180° к предыдущему. При подходе к этому новому устойчивому положению, все повторялось, и электромагнит постоянно вращался (рис. 369).
 

Рис. 369. «Самовращатель» А. Едлика:

       1 – электромагнит; 2 – обмотка; 3 – изоляция
 
      В дальнейшем ртутные полукольца были заменены медными пластинами, концы обмоток несли на себе графитовые контакты – щетки, но принцип действия электромотора остался тем же. Разве только число полюсов вращающегося электромагнита – якоря или ротора – увеличили, увеличилось и число медных пластин на концах обмоток, и их стали объединять в коллектор. Две пластины на коллекторе остались разве только у самых маломощных моторчиков для игрушек или моделей. Потом постоянные магниты на неподвижной части электромотора – статоре – заменили на электромагниты и получили почти то, что мы видим в электромашинах сегодня. На некоторых из машин постоянного тока, правда, остались постоянные магниты – где для простоты, где для экономичности – их ведь не надо питать током (рис. 370).
 

Рис. 370. Схема работы электромашины постоянного тока

      Если мы подаем в такую электромашину ток, ротор или якорь начинает вращаться, передавая вращение валу. Если мы сами вращаем вал электромашины, то можем снимать со щеток или с обмоток статора ток. Не все электромашины одинаково хорошо работают в режимах как электромотора, так и генератора. Например, автомобильный стартер для запуска двигателя – типичный электромотор, но он никуда не годится как генератор. А современный автомобильный генератор – такой же негодный электромотор. Но есть электромашины, одинаково хорошо работающие и как мотор, и как генератор, их называют обратимыми.
      Чаще всего такими бывают электромашины постоянного тока. Подключим небольшой электромоторчик с постоянным магнитом, хотя бы от детской электрифицированной игрушки, к батарейке. Его ротор станет вращаться, совершая работу, например поднимая груз. А теперь подсоединим к моторчику вместо батарейки лампочку от карманного фонаря и отпустим груз падать. Падая, груз вращает ротор моторчика, ставшего на время генератором, и лампочка зажигается (рис. 371, а). В этом опыте проявилось свойство обратимости электрических машин. Это свойство достаточно широко используется в технике, в частности при накоплении и выделении энергии, ее рекуперации.
 

Рис. 371. Преобразование механической энергии в электрическую с помощью электрогенератора (а) и первый генератор Фарадея (б)

      Электромашины, как моторы, так и генераторы, пригодные для практического использования, появились сразу же после открытия Фарадея (рис. 371, б). Причем создание первого генератора практически современного типа, связано с событием, скорее похожим на легенду, чем на быль. Но тем не менее случай этот был в действительности.
      Через несколько недель после открытия явления электромагнитной индукции некто принес в патентное бюро конструкцию генератора с постоянными магнитами, подписавшись лишь инициалами П. М. Для того времени конструкция эта была неожиданной и новой. Ведь первые электромашины старались делать похожими на паровые машины – с коромыслами, золотниками, кривошипами и шатунами. Но конструкция машины П. М., ее основные черты, по отзыву академика М. П. Костенко, «…были настолько правильны, что на много лет определили конструкции машин позднейших изобретателей». К сожалению, так и не удалось установить личность этого таинственного П. М.
      В 1838 г. электромоторы появились на первом электромобиле, родившемся гораздо раньше первого автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Он был построен англичанином Р. Девидсоном в Лондоне и там же опробован.
      В том же 1838 г. российский инженер Б. С. Якоби установил электромотор своей конструкции на катер длиной 8,5 и шириной 2,1 м, в котором помещалось 16 человек. Катер произвел сенсацию при испытаниях на Неве в Санкт-Петербурге, так как мог двигаться не только по течению реки, но и против. Не следует забывать, что мощность двигателя была всего 0,5 кВт, ничтожная по сегодняшним меркам. Питался электрокатер, как и электромобиль, от гальванических элементов.
      С тех пор основы конструкции электромашин постоянного тока принципиально не менялись.

Куда бежит магнитное поле?

      Как ни хороши были электромоторы постоянного тока, применяемые, кстати, и сейчас во многих случаях, но не всем. Очень ненадежен был узел коллектора со щетками: он искрил, часто выходил из строя, да и стоил недешево. Это побудило ученых искать способ «бесколлекторной» работы моторов и генераторов, и такой способ был найден. Это помогли сделать переменный ток и бегущее магнитное поле.
      Поначалу, когда ток получали от гальванических батарей, о переменном токе и не слыхали. Но знаменитый опыт Фарадея позволил получить именно переменный ток: когда магнит начинали вдвигать в катушку, ток возникал, а потом, при прекращении движения магнита, ток прекращался. Если двигать магнит туда-сюда непрерывно, получаем самый настоящий переменный ток, причем без каких-либо коллекторов, прямо от катушки. Это хорошо, но есть и неудобства – не очень-то просто двигать магнит туда-сюда, гораздо легче вращать его (рис. 372).