Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Еще большее увеличение магнитного поля теоретически не является проблемой, нужно лишь увеличить силу тока. Но, к сожалению, это приведет также к увеличению количества вырабатываемого тепла (выделение тепла увеличивается пропорционально квадрату силы тока), что влечет за собой проблему перегрева проволочных катушек и необходимость их охлаждения. Кроме того, магнитные силы провоцируют серьезную механическую деформацию. К XX веку изобретательность в проектировании, а также использование прочных материалов позволили с помощью коротких вспышек электрического тока создавать временные поля, сила которых измеряется сотнями тысяч гауссов. Создавались даже короткоживущие поля с силой в полтора миллиона гауссов, приводившие к взрывам проводников электрического тока.

Поддержка столь сильных магнитных полей требовала продолжительного использования сильнейших электрических токов и мощных охлаждающих установок, а это слишком дорого обходилось. В поисках возможности избежать таких расходов внимание ученых обратилось на явление сверхпроводимости. Если некоторые проводники охладить до температуры жидкого гелия, то их сопротивление падает до нуля, поэтому проходящий по ним ток не вырабатывает тепла независимо от своей силы. Более того, электрический ток, пущенный по замкнутой цепи при такой температуре, будет течь бесконечно; магнитное поле, созданное при тех же условиях, также поддерживается вечно (то есть в течение того времени, пока сохраняется достаточно низкая температура). Иначе говоря, существование магнитного поля в таких условиях поддерживается не за счет постоянной подачи тока.

Если сверхпроводник используется в обмотке вокруг железной сердцевины при температуре жидкого гелия, то, похоже, что чем больше электричества будет в него накачиваться, тем более сильные магнитные поля при этом будут достигаться без всяких ограничений. Когда нужная сила поля будет достигнута, ток можно отключить, а магнитное поле при этом останется.

К сожалению, сверхпроводники дают не совсем такую картину. Сверхпроводящий материал полностью диамагнитен, то есть ни одна магнитная силовая линия не проходит внутри его. Эти два свойства, сверхпроводимость и полная диамагнитность, взаимосвязаны. Если сверх меры нагнетать ток в сверхпроводящий электромагнит и тем самым усиливать магнитное поле, то магнитный поток возрастает. Силовые линии скапливаются все ближе и ближе друг к другу, и, когда сила поля достигает порогового значения (именуемого критической силой поля), они прорываются внутрь сверхпроводника. Как только вещество теряет свои диамагнитные свойства, оно также лишается и сверхпроводимости, начинается выработка тепла и весь процесс срывается. Сверхпроводящий магнит не может быть сильнее критической силы поля того вещества, из которого изготовлены витки, и, к сожалению, эта сила не превышает нескольких сотен гауссов для большинства металлов. Свинец, к примеру, теряет свою сверхпроводимость при силе магнитного поля в 600 гауссов даже при самых низких температурах. Поэтому сверхпроводящие магниты из свинца не могут быть сильнее игрушечных.

К счастью, в 1950-х годах было обнаружено, что гораздо больших результатов можно достичь, сплавляя чистые металлы между собой. К примеру, сплав ниобия и олова сохраняет сверхпроводимость при температуре жидкого гелия, создавая постоянное и относительно дешевое магнитное поле с силой более 200 000 гауссов, а сплав ванадия и галлия выдерживает силу магнитного поля в несколько раз больше этой. Думается, что в эру сильнейших сверхпроводящих электромагнитов и этот рекорд будет побит.

Однако электромагнит пригоден не только для увеличения грубой силы. Рассмотрим электрическую цепь, в которую входит электромагнит. В цепи есть ключ, который при помощи пружинного действия «открывается» таким образом, что сохраняется зазор, поэтому ток по цепи не течет. Когда ключ «закрыт», цепь замыкается, по ней проходит ток, а электромагнит притягивает находящийся поблизости магнитный брусок.

Представим, что железный брусок тоже является частью цепи. Соответственно, когда его начинает притягивать электромагнит, он вырывается из соединения. Цепь разрывается, и течение тока прекращается. Поскольку ток больше не проходит по цепи, электромагнит теряет свою способность притягивать предметы, а железный брусок возвращается на свое место к прикрепленной пружине. Цепь снова замыкается, действие электромагнита возобновляется, и он опять притягивает к себе железный брусок.