Ю. Коптев
УДЕРЖИВАЕТ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Существует легенда, что гроб с прахом пророка Магомета долгое время висел в воздухе в специальной пещере. Его не поддерживали ни подпорки, ни верёвки — он удерживался только никому неведомыми сверхъестественными силами.
А вот другой рассказ. Его поведал древнеримский писатель Плиний, живший в первом столетии нашей эры. Он писал, что александрийский архитектор Хинократ задумал создать храм со сводом из магнитного камня, в котором железная фигура Арсинои (это в её честь воздвигался храм) парила бы в воздухе. Замысел был очень интересным, но, к сожалению, не осуществился — помешала смерть Хинократа.
Совсем недавно несколько молодых авторов представили на конкурс проекты памятников с использованием магнитных сводов. А вообще осуществимы ли эти проекты? Под силу ли сейчас технике заставить неподвижно висеть, не прикасаясь ни к чему, какой-либо предмет?
Кто из вас не проделывал различные фокусы с магнитом? Мы поднимали им гвоздики, бритвы, ножницы и много других металлических предметов, попавшихся нам на глаза. И всё же вряд ли кому удавалось заставить неподвижно висеть железный шарик или гвоздь на некотором расстоянии от магнита. Отчего?
Ответ на этот вопрос прост. Если какой-нибудь железный предмет неподвижно застыл в воздухе под магнитом, то это значит, что его вес в точности равен силе притяжения магнита. Но достаточно малейшего дуновения ветерка, достаточно, чтобы чуть-чуть дрогнул магнит, как равновесие нарушается, и железный предмет либо падает на пол, либо подскакивает и «прилипает» к магниту. Эти наблюдения привели к тому, что в 1842 году английский учёный Ирншоу в весьма солидном журнале «Записки Кембриджского университета» писал, что «магнитное тело, помещённое в поле, образованное постоянным магнитом или несколькими магнитами, не может находиться в состоянии устойчивого равновесия». Это заявление Ирншоу возводилось в ранг правила.
Всё, о чём мы пока говорили, относилось к магнитным телам (железо, никель, кобальт и т. д.), или, как их называют в научной литературе, ферромагнетикам. А как обстоит дело с немагнитными телами? Ну, здесь, кажется, всё обстоит просто, ведь на них магнитные силы не должны действовать. Но так ли это?
Оказалось, что наши представления о немагнитных телах совершенно неверны. Дело в том, что веществ, не взаимодействующих с магнитами, в природе просто не существует. Они все реагируют на их присутствие, но эта реакция настолько незначительна, что её долгое время никто не замечал. Сейчас в любом учебнике можно прочитать, что все вещества, ранее считавшиеся невзаимодействующими с магнитами, делятся на два больших класса: вещества, которые слабо притягиваются ими, — парамагнетики и вещества, которые так же слабо отталкиваются, — диамагнетики.
А теперь, после знакомства с основными терминами, которые нам ещё не раз понадобятся, перейдём к теме нашего рассказа.
Кто из вас не читал о необычных приключениях «сначала хирурга, а потом капитана нескольких кораблей» Лемюэля Гулливера?
Так вот, в одном из своих путешествий он рассказывает о «летающих островах».
Сейчас уже многие из тех вещей, о которых писал в «Путешествиях Гулливера» Джонатан Свифт, оказались не такими уж нелепыми. А некоторые из них были даже воплощены в жизнь. Вполне возможно, что когда-нибудь появятся и «летающие острова», правда, они будут наверняка не такими, какими представлял их себе Свифт. Нет нужды устанавливать магниты на алмазные опоры. Да и таинственная, находящаяся в недрах Земли «субстанция», от которой отталкиваются острова, окажется не такой уж таинственной.
Может быть, Свифт всё же «перегнул палку», ведь такие полёты нарушают правило Ирншоу?
«Нет правил без исключения», — гласит поговорка. А есть ли исключения из правила Ирншоу? Долгое время их не могли отыскать. Лишь в 1939 году немецкий учёный Браунбек доказал, что для диамагнитных тел это правило не подходит. За счёт сил отталкивания он заставил парить над сильным постоянным электромагнитом кусочек графита и кусочек висмута. Чем не «летающие острова»? Правда, они имели очень незначительный вес — всего несколько десятков миллиграммов, но начало было положено. Прошло несколько лет, и советский учёный, член-корреспондент Академии наук СССР В. К. Аркадьев, как сказали бы спортсмены, «побил этот рекорд».
Уже давно наблюдались удивительные вещи, которые происходят с некоторыми металлами и сплавами при температурах, близких к абсолютному нулю, то есть к —273°. У них совсем исчезает сопротивление электрическому току; наступает состояние, которое физики называют сверхпроводимостью. Если мы, например, возбудим ток в серебряном кольце и не будем его больше поддерживать, то уже через несколько десятых долей секунды он уменьшится практически до нуля. Совсем иное дело в сверхпроводниках. Там ток тоже затухает, но, как показали расчёты, до полного его исчезновения потребуется время, в миллиарды миллиардов раз превышающее время существования нашей галактики! И этим не исчерпываются чудесные свойства сверхпроводников: оказалось, что магнитное поле не проникает внутрь их, а только «омывает» снаружи, как вода корабль. Вот это-то свойство и предложил использовать Аркадьев. Раз сверхпроводник не пускает магнитное поле в себя, выталкивает его, то падающий магнит, удерживаемый невидимой подушкой из магнитных силовых линий, должен повиснуть над сверхпроводником. Аркадьев вычислил вес магнита и высоту, на которой он может парить. По расчётам выходило, что спокойно висеть может тело весом в целый грамм. Проделанные учёным опыты блестяще подтвердили это.
Но для таких экспериментов требовались сверхнизкие температуры. А нельзя ли такие же опыты провести при комнатной температуре, ведь тогда этот эффект свободного парения можно было бы применить в технике?
Возьмём металлическое кольцо и пропустим через него переменный электрический ток. Так как электрическое и магнитное поля связаны между собой и одно не может существовать без другого, то вокруг кольца сразу же появится магнитное поле. Теперь если мы поместим в это магнитное поле какой-либо металлический предмет, то в нём сразу же возникнет (индуцируется) электрический ток и магнитное поле. Оказывается, можно подобрать поля так, чтобы кольцо и внесённый в поле металлический предмет отталкивались друг от друга.
Такое отталкивание впервые получил в конце прошлого века изобретатель Элиу Томпсон. В катушку металлического провода он вставил сердечник — пучок железных проволочек, а на сердечник надел алюминиевое кольцо. Вот и всё. Теперь только стоило включить катушку в электрическую сеть, как кольцо мгновенно подскакивало и спрыгивало с сердечника.
До такого же простого устройства додумался и монтёр из Бельгии Башле. Работая с трансформаторами, он заметил, что алюминиевые предметы отталкиваются от них. Свой прибор Башле назвал «облегчающей электромагнитной катушкой». Хотя он не имел технического образования и не понимал физической сущности протекающих в устройстве процессов, но, будучи человеком практического ума, стал размышлять: к чему бы его применить? И скоро додумался: создать особый вид транспорта — железную дорогу без трения. По его мнению, эта дорога должна была выглядеть так: ряд металлических колонн-сердечников с укреплёнными на них катушками. Вагон, имеющий вид торпеды, изготовляется из алюминия. При выключенном токе он лежит на катушках, а при включении катушек в электрическую сеть повисает над ними. Перемещался бы вагончик при помощи бегущего электрического поля.
20 лет Башле работал над осуществлением своей идеи. И вот в 1910 году модель дороги была построена. Она демонстрировалась в Лондоне и произвела там фурор. Корреспонденты называли её «чудом XX века», о ней писали все газеты мира. И не удивительно, вагон весом в 50 килограммов развивал поистине фантастическую по тем временам скорость: до 50 километров в час. Были у этой дороги, конечно, и свои недостатки. Она потребляла много энергии, вагон, по причине, о которой мы расскажем ниже, разогревался, не обеспечивалась безопасность движения. Однако Башле не унывал. Он считал, что все эти недостатки можно преодолеть. Но началась первая мировая война, до новой дороги никому не было дела. О ней забыли.
