Магнит за три тысячелетия

Владимир Карцев

Биттер: «секрет – в охлаждении»

В этом рассказе о соленоидах речь пойдет о скульпторе, занявшемся физикой; о «проклятой» формуле, выведенной в 1898 г.; о соленоидах, которые требуют охлаждения воздухом, водой, керосином. Здесь же придется вспомнить о магните – «грейп-фруте» и магните из жидкого серебра.

Когда Ампер согнул проволоку колечком, которое назвал соленоидом, ему достаточно было пропускать по виткам ток в несколько ампер, который нагревал проводник, но выделенное тепло легко отбиралось воздухом комнаты. Почти сто лет воздушный океан сообщал свою температуру проводникам, через которые пропускали электрический ток, но наконец пробил час, когда охлаждающих возможностей атмосферы оказалось недостаточно. И тут в истории магнитов уместно вспомнить имя Френсиса Биттера.

Биттер (1902...1967) родился в городе Виховкин, в штате Нью-Джерси, в семье известного американского скульптора. Тогда Виховкин еще не был превращен в мрачный придаток громадного порта Нью-Йорка, а представлял собой раскинувшийся на живописных зеленых холмах открытый восточным теплым ветрам маленький городок. Казалось, все способствовало тому, чтобы Френсис стал скульптором: творчество отца, склонность к занятиям искусством, прекрасные каменоломни по соседству, наконец, большой спрос на могильные памятники.

Дом, где жил Френсис, был выстроен по проекту отца. Вся жилая площадь и двор с фонтанами и конюшнями (Френсис любил лошадей) были отгорожены от улицы высокой стеной.

В 1909 г. семья переехала в Нью-Йорк. Впоследствии в своей книге «Магниты: курс для физиков» Биттер вспоминал: «Жизнь в нашей нью-йоркской студии была сравнительно размеренной. Жизнь детей подчинена строжайшему режиму. Мы изучали три языка: немецкий – с родителями, французский – с гувернанткой и английский – в школе. Уроки фортепьяно, танцев, посещение Музея естественной истории в дождливые дни, чтение «полезных» книг по воскресеньям – так проходила наша жизнь, пока я не был отослан двенадцати лет в школу». В это время погиб в такси, потерявшем управление, его отец, и мать тяжело переживала это несчастье.

«В моем образовании наука отсутствовала вообще, – писал Биттер, – хотя мы проходили восхитительные курсы алгебры и геометрии, которые я любил больше всего. Эти предметы легко давались мне, и, если я правильно вспоминаю, я был одним из лучших учеников в классе. Доказать теорему, исходя из постулатов, или решить уравнение – это было для меня волнующим переживанием, куда более интересным, чем латынь, история, английский и география».

Под влиянием дяди, профессора Чикагского университета, Биттер поступил в 1919 г. в это учебное заведение. Он еще не интересовался наукой, но считался одним из лучших студентов, во всяком случае, одним из наиболее способных. Вершиной его активности в студенческие годы стала отнюдь не научная работа, а организация для своих однокашников дешевой поездки в Европу на судне-скотовозе. И тут, в Вене, он впервые увлекся работами Эйнштейна и его теорией относительности.

В Чикагский университет Биттер не вернулся. Его привлек теперь Колумбийский университет, где он стал единственным студентом, избравшим для изучения небесную механику, учитывающую релятивистские эффекты. Интерес к этим проблемам Биттер сохранил на всю жизнь. Одна из его первых публичных лекций была посвящена теории относительности, преобразованиям Лоренца.

В 1925 г. он стал бакалавром и поехал в Берлин доучиваться: «Я слушал много известнейших лекторов. Я слушал Макса Планка, отца квантовой теории; Макса фон Лауэ, который открыл рассеяние рентгеновских лучей в кристаллах; Альберта Эйнштейна. Я помню коллоквиум, на котором впервые было сообщено о волновой механике Эрвина Шредингера. Я ехал обратно в метро уже поздно ночью, когда внезапно заметил, что в вагон вслед за мной вошел Эйнштейн. Хотя я не был ему представлен формально, он, видимо, сразу узнал меня по коллоквиуму, так как сразу начал: «Слушайте, что Вы об этом думаете? В какое чудесное время мы живем!».

Возможно, именно эта встреча и определила научные интересы Биттера. Для начала он купил двухтомную «Теорию электричества и магнетизма» и проштудировал ее от корки до корки.

В 1926 г. Биттер уже заканчивал докторскую диссертацию в Колумбийском университете, когда выяснилось, что тема диссертации была уже кем-то ранее досконально разработана. «И когда я бессмысленно шлялся по коридорам, мысленно взвешивал, какая другая тема могла бы потянуть на настоящее исследование, мой взгляд упал на внушительного вида магнит в одной из пустых лабораторий...», – писал впоследствии Биттер. Так один из наиболее знаменитых ученых-«магнитчиков» наших дней обратился к магниту.

На выбор Биттером научного направления оказал огромное влияние его визит в Кембридж, в магнитную лабораторию П.Л. Капицы. Однако это было только толчком. Биттер пошел своим путем в направлении создания не импульсных магнитов, а магнитов, предназначенных для длительной работы.

Во время войны Биттер обезвреживал магнитные мины, разбрасываемые немецкими самолетами-амфибиями вблизи английских портов. Это было необычное время для Биттера. Он жил в скромном «маленьком частном домике» на Арлингтонской улице в Александрии, близ Вашингтона, в атмосфере строгой секретности. Лишь в послевоенные годы Биттер стал заниматься «мегагауссной» тематикой – проектировал сверхсильные магниты.

В 1965 г. он перенес тяжелую операцию, и врачи не могли сказать ничего утешительного. Однако он не сдался и продолжал работать, но уже над мощными разрядными импульсными магнитами. 26 июля 1967 г. Биттер скончался, а 21 ноября 1967 г. главная магнитная лаборатория США – Национальная магнитная лаборатория – была названа его именем.

В 30-е годы Биттеру для исследования тонких магнитных явлений в газах потребовалось сильное магнитное поле – примерно 10 Тл. Необходимо было в короткий срок создать магнит, который мог бы в течение длительного времени (несколько часов) обеспечить исследователю это грандиозное поле, в 200 тыс. раз превышающее магнитное поле Земли.

Перед тем как приняться за решение этой задачи, Биттер изучил все, что было до него сделано в области сильных магнитных полей.

В это время уже работали очень мощные электромагниты в Белль-Ви, близ Парижа (поле до 9 Тл), в Упсальском университете в Швеции (до 7 Тл). Это были громадные сооружения со стальным магнитопроводом и ярмом, классические магниты массой несколько десятков тонн. Нечего было и думать о том, чтобы создать магнитное поле 10 Тл с помощью электромагнита со стальным сердечником, хотя теоретически легко показать, что несмотря на «насыщение» в магнитных системах со сталью можно получить сколь угодно большое поле. Бесконечное поле будет в том случае, если вся Вселенная, за исключением точки, в которой создается магнитное поле, будет заполнена намагниченным железом...

Биттер прекрасно понимал, что для достижения поля 10 Тл ему придется заполнить насыщенным железом если не Вселенную, то уж во всяком случае свою лабораторию. Вариант с железным сердечником не подходил. Пришлось взяться за изобретенный французскими учеными Араго и Ампером электромагнит без стального сердечника, позже названный соленоидом. Он представляет собой спираль, обтекаемую электрическим током. Неприятности, которые подстерегали ученых на этом пути, были сформулированы французским электротехником Фабри в виде формулы – «формулы Фабри», опубликованной в журнале «Электрическое освещение» за 1898 г.

О чем говорит формула? Об очень грустных вещах: если вы хотите увеличить магнитное поле, например, в 10 раз, извольте увеличить электрическую мощность, расходуемую в соленоиде, в 100 раз. Для достижения сильных магнитных полей потребуются целые электростанции. Академику П.Л. Капице, уже в 1923...1927 гг. получившему поле 50 Тл, не пришлось преодолевать эту трудность – он сумел создать сильное поле, продолжающееся во времени, лишь одну тысячную долю секунды. Но это не устраивало Биттера – ему нужны были стационарные поля. Выход был один – нужно строить соленоид.

Биттер отправился на Бостонскую электростанцию. Ему удалось договориться с руководством Эдисоновской электрической компании о том, что ночью, когда в городе будет некоторая свободная электрическая мощность, Биттер будет питать этой мощностью свое «прожорливое дитя». Магнит размером с автомобильное колесо был установлен в одном из помещений электростанции. Когда его включили впервые в 1937 г., в зале случилось что-то невообразимое: мелкая железная пыль, опилки, гвозди, болтики со всех концов помещения устремились к небольшому бронзовому кожуху, к которому были подведены две мощные водопроводные трубы. По ним подавалась охлаждающая вода из теплообменника, который омывался водой из реки, протекающей поблизости. Роль этих труб очень большая. Если бы к магниту не подавалась охлаждающая вода со скоростью 50 л/с, то магнит мгновенно бы сгорел.

Потребляемая мощность магнита примерно равна 1700 кВт, или 1,7 МВт. Вся эта мощность выделялась в виде тепла, которое необходимо было тут же отводить во избежание повышения температуры магнита.

Конструкция Биттера оказалась настолько удачной, что до сих пор соленоиды, построенные по этому принципу, называют биттеровскими. Оригинальный биттеровский соленоид, с помощью которого впервые в течение длительного времени было получено магнитное поле 10 Тл, представлял собой штампованные медные диски с 600 отверстиями для охлаждающей воды, имевшие радиальную прорезь. Последняя служила для того, чтобы, немного изогнув диск, можно было присоединить его к следующему диску для образования непрерывной спирали с током.

Первый биттеровский соленоид с полем 10 Тл, будучи сильнейшим в мире, непрерывно работал «на науку». Единственным перерывом в его работе было время, когда для осуществления «манхеттенского проекта» (создание первой американской атомной бомбы) с помощью магнита Биттера в Ок-Ридже разделяли изотопы урана.

Бурное развитие физики в 60-е годы, особенно таких ее направлений, как магнитное удержание плазмы, исследования сверхпроводимости, антиферромагнетизма, квантовой оптики, элементарных частиц, привели к тому, что сверхсильные магнитные поля стали остро необходимы, и для их получения были организованы лаборатории и институты в Советском Союзе, США и Англии.

Достигнутое в 1965 г. магнитное поле 25 Тл в полмиллиона раз больше земного, в 100 раз больше поля солнечных пятен и лишь в 4 раза уступает магнитному полю, которое, по расчетам, должно существовать в атомном ядре.

Поле 25 Тл достигнуто в Национальной магнитной лаборатории США с помощью тройного соленоида, созданного Кольмом по расчету Монтгомери. Этот рекордный соленоид с внутренним диаметром 10 см потреблял мощность 16 тыс. кВт. Его внешняя секция намотана полой медной шиной квадратного сечения, внутренние секции выполнены из медных дисков, на поверхности которых химическим способом вытравлены радиальные каналы для охлаждения. Для изготовления магнита использовано более 3 т меди. Давление магнитного поля на внутренние секции было так велико, что медь начала «течь». Это давление более чем в 3 раза превышало существующее на дне глубочайшей океанской впадины. Интересна система охлаждения магнита, основанная на принципе пленочного кипения. При этом температура охлаждаемой медной спирали была выше 100°С, что вызывало возникновение на ней многочисленных пузырьков пара, которые в течение тысячных долей секунды превращались в огромное количество сравнительно холодной воды, водопадом (Слово «водопад» здесь использовано не случайно. Для охлаждения этого магнита используется вода протекающей неподалеку от лаборатории реки. Тепло, выделяющееся в соленоиде, столь велико, что температура воды в реке на участке ниже лаборатории повышается на полградуса.) обрушивающейся на соленоид. Удельная теплота парообразования воды очень велика, поэтому при образовании на поверхности спирали пузырьков от спирали отбирается гораздо более значительная энергия, чем та, которая отбиралась бы просто при нагревании охлаждающей воды. Этот принцип локального, или пленочного, кипения был впервые использован в небольшом магните Кольма, с помощью которого получено поле 12,6 Тл. По сравнению с соленоидом Биттера (поле 10 Тл) размером с колесо легковой автомашины этот магнит величиной с грейпфрут был просто крошкой.

Сходную систему охлаждения имеет еще один грандиозный магнит. Он был создан в Физическом институте АН СССР имени П.Н. Лебедева под руководством академика А.М. Прохорова научными сотрудниками Л.П. Максимовым и В.Г. Веселаго. Соленоид, напоминающий из-за множества шлангов-щупалец чудовищного осьминога, рассчитан на получение магнитных полей более 20 Тл. Чтобы снабжать это «чудовище» электроэнергией, построена специальная электростанция.

Колоссальное поле, полученное Кольмом в его магните на 25 Тл, создано в рабочей зоне диаметром всего 10 см, хотя размер магнита более 1 м в поперечнике. Проводить какие-либо крупномасштабные исследования на этом соленоиде довольно сложно, поэтому конструкторы искали новые пути, с помощью которых можно было бы получать значительные магнитные поля в больших рабочих объемах.

Может быть, использовать другое охлаждающее вещество? Интересный эксперимент был проведен в Калифорнийском университете. Там еще в 1959 г. был построен соленоид, охлаждаемый керосином. Почему выбран керосин? Дело в том, что вода, особенно с примесями, не является идеальным изолятором, и по достижении некоторого напряжения начинают сказываться ее электрические свойства. Обмотка, охлаждаемая водой, подвергается коррозии. Анализ других жидкостей, которые можно было бы использовать для охлаждения, показал, что с точки зрения теплоемкости и безвредности наилучшим для обмотки является очищенный керосин, закупоренный в сосуде, наполненном нейтральным газом.

«Керосиновый» соленоид, имеющий внутренний диаметр 10 см, был намотан медной шиной, потреблял мощность 6 тыс. кВт и обеспечивал получение магнитного поля 10 Тл. Каждую секунду к нему для охлаждения подавался центнер очищенного керосина.

Оннес: «дальше охлаждать некуда!»

Оглавление

Дата публикации:

24 ноября 1999 года

Текст издания:

Владимир Петрович Карцев. «Магнит за три тысячелетия».
4-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1988.

Дата обновления:

27 июня 2011 года