Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
Шрифт:
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
опыт с "парящим магнитом". Описания парящего магнита не сходят со страниц книг,
посвященных физике низких температур. Впрочем, не только этих…
"…Я немного прошелся между скалами, небо было совершенно ясно, и солнце жгло
так сильно, что я принужден был отвернуться от него. Вдруг стало темно, но
совсем не так, как от облака, когда оно закрывает Солнце. Я оглянулся назад и
увидел в воздухе большое непрозрачное тело, заслонявшее солнце и двигавшееся по
направлению к острову… По мере приближения ко мне этого тела оно стало мне
казаться твердым; основание же его было плоско, гладко и сверкало ярко, отражая
освещенную солнцем поверхность моря…"
То, что увидел Лемюэль Гулливер, "сначала хирург, а потом капитан нескольких
кораблей", было летающим островом. В его толще на алмазных опорах был установлен
магнит, который, отталкиваясь от некоей субстанции находящейся в толще Земли,
создавал подъемную силу!
Вряд ли Свифт предполагал, что через двести лет московский физик В.К.Аркадьев
воплотит эту "безумную" идею почти в том же виде, хотя и в несколько ином
масштабе. В его опыте небольшой магнит висел без какой-либо поддержки над
свинцовой пластинкой. Эксперимент этот, называемый тогда "гроб магомета" (по
преданию, гроб с телом пророка Магомета висел в пространстве без всяких опор),
был проведен при температуре, весьма близкой к абсолютному нулю, когда свинец
становится сверхпроводником. Модификацию опыта Аркадьева реализовал по
предложению В.И.Ожогина в Институте атомной энергии имени И.В.Курчатова молодой
ученый А.В.Инюшкин. "Теплый" магнит висит над сверхпроводящим кругом из свинца,
спрятанным в сосуд Дьюара из нержавеющей стали. Для нас в этих опытах особенно
важно то, что он демонстрирует идеальный диамагнетизм некоторых
сверхпроводников. В диамагнитное тело не могут приникнуть силовые линии
магнитного поля: диамагнетик является для силовых линий магнитного поля
непреодолимой преградой, стеной, непроницаемой плоскостью.
Диамагнетизм сверхпроводников — это поверхностный эффект, распространяющийся на
глубину порядка 0,001 мм. Поверхность сверхпроводника превращается в
своеобразное "магнитное зеркало", отражающее
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