Пётр Капица: Эксперимент, Теория, Практика. Статьи, Выступления

исследования являлась разработка метода получения полей такого порядка величины.

Обычный путь создания сильного магнитного поля — использование электромагнита, но величина поля при этом жестко ограничена из-за насыщения железа. Увеличить поле можно лишь чрезмерно увеличивая вес магнита и используемый ток. Самый большой магнит, который когда-либо был построен, это магнит профессора Коттона: диаметр его железного сердечника почти 1 метр (в пространстве между полюсами может встать человек) и для его работы требуется громадный ток. Магнитное поле возрастает очень медленно с возрастанием размера электромагнита, и даже магнит профессора Коттона не создает поля больше 60000 гаусс в объеме, достаточном для проведения экспериментов.

Оказалось, что более успешным методом является использование катушек. При этом требуются очень большие токи, так как величина поля в катушке пропорциональна возбуждающему току. Очевидно, что для создания больших полей таким путем необходимо увеличивать ток, но при этом мы встречаемся с трудностями, поскольку, с одной стороны, нам нужен источник очень большого тока, а с другой стороны, величина тока в этом случае существенно ограничена нагреванием катушки током.

Одним из способов уменьшения теплового эффекта мог бы явиться отвод тепла по мере его выделения; другой способ — охлаждение катушки до очень низкой температуры. При этом значительно уменьшилось бы сопротивление, а в некоторых металлах оно даже упало бы до нуля, если бы металл стал сверхпроводником. В этом случае трудностью явилось бы то, что магнитное поле, созданное катушкой, разрушило бы сверхпроводящее состояние и очень быстро увеличило бы сопротивление до значения, близкого к его величине при комнатной температуре. Ни один из этих методов не кажется достаточно перспективным, и даже если их реализовать наиболее эффективным способом, они вряд ли позволили бы создать поле, большее 50 000—60 000 гс. Если предположить возможность изготовления эффективной катушки с внутренним диаметром в 1 см, то, как показывает расчет, для создания в такой катушке поля в 1 000 000 гс потребуется мощность в 50 000 квт и катушка за 1 сек нагреется до 10 000° С; ясно, что мы не можем работать с таким большим нагревом.

Основная идея нашего метода решения проблемы заключалась в том, чтобы сделать время существования поля очень коротким, так чтобы за это время катушка не могла перегреться. Практически это составляло 0,01 сек. Конечно, такое условие создает новый ряд трудностей, во-первых, требуется очень большой ток, а во-вторых, все измерения нужно делать за очень короткий промежуток времени.Наши первые эксперименты были сделаны с использованием аккумуляторной батареи, обладающей очень малой емкостью и малым внутренним сопротивлением. Таким способом мы смогли получить поле в 100 000 гс, заряжая аккумуляторы в течение несколько минут, а затем разряжая их за 0,01 сек; но дальнейшее увеличение поля было невозможным, так как оказалось, что трудно достаточно быстро прервать ток в несколько тысяч ампер.

В наших последующих экспериментах, когда потребовались большие мощности, мы использовали однофазный генератор переменного тока (см. рисунок). Хорошо известно, что такая машина дает очень большие импульсы тока при коротком замыкании, чего в обычной практике тщательно избегают, так как это может вызвать серьезную аварию. Наша машина была специально сконструирована с противоположными целями, так что можно было специально получать большие импульсы тока при коротком замыкании. Потребовались значительный пересмотр конструкции и тщательные расчеты, так как электродинамические силы могли бы легко привести к разрыву обмоток.

Машина имела такие размеры, что ее мощность в непрерывном режиме составляла 2000 квт, а при коротком замыкании при испытаниях она давала 220 000 квт. При коротком замыкании на катушку с таким же импедансом, что и у машины, только половина мощности может быть использована; половина ее теряется в машине, а другая половина идет в катушку. Таким образом и были получены требуемые 50 000 квт.

Обычно ток в такой катушке никогда не оставался постоянным, но при определенной конструкции аппаратуры можно было получить волну тока с плоской вершиной, которая дает постоянное магнитное поле на несколько тысячных секунды.