Магнит за три хилядолетия
Iron придобива "асистент"
До 18 век думите "магнит" и "желязо" са синоними. Тогава електрическият ток уверено излезе на преден план, той стана господар на положението. Ами желязото? Вече „мек“, а не „твърд“, той се превърна в един вид усилвател на магнитно поле, увеличавайки го стотици пъти!
Малко хора забелязаха, но наистина радикална революция от желязо към желязо с ток се състоя през 20-те години на миналия век в лабораториите на учените.
Що се отнася до първия електромагнит, т.е. намотка, обтекаема с ток и съдържаща желязна сърцевина вътре, тогава неговото изобретение трябваше да изчака още пет години. Това устройство е създадено от Уилям Стърджън.
Той е роден в Ланкастър през 1783 г. в семейството на обущар. Бащата не обръщаше ни най-малко внимание на семейството; той се радваше на живота, ловеше риба и беше известен като голям любител на боевете с петли. Младият Уилям беше изпратен да научи занаята на обущар и той очевидно го държеше в черно тяло. Уилям гладуваше и затова, веднага щом му се представи възможност, той избяга от обущаря във военна част. По това време той беше на деветнадесет. Две години по-късно Уилям се издига до чин артилерист, чете много, прави физически и химически експерименти.
След като е освободен от военна служба през 1820 г., Стърджън купува струг и се посвещава на производството на физически инструменти, по-специално електрически. Благодарение на подкрепата на известния тогава химик Джеймс Марш, той е назначен за преподавател във Военната академия на Източноиндийската компания в Адискомб, където преподава до 1838 г.
Първият принос на Стърджън към науката е неговата разработка на модифициран модел на въртящите се цилиндри на Ампер, описан във Философски вестник през 1823 г. На следващата година той написва четири статии за термоелектричеството и на 23 май 1825 г. представя пред Обществото на изкуствата няколкоподобрени инструменти за електромагнитни експерименти, сред които е сега известният първи електромагнит. Идеята за цилиндрични и подковообразни магнити го завладява още през 1823 г. Тогава Стърджън построява въртящо се „есетрово колело“ - всъщност една от първите модификации на електрически двигател.
Стърджън прави редица много важни открития, за които написва няколко статии, но Философският журнал, за който са предназначени, отказва да ги публикува и Стърджън няма друг избор, освен да създаде свое собствено списание, Annals of Electricity.
Манчестърският научен музей, на който Стърджън става директор през 1840 г., е твърде научен, за да бъде печеливш, и Стърджън живее в бедност. През 1850 г. изобретателят на електромагнита умира, без да получава нито богатство, нито слава като награда за великото си изобретение.
Ученикът на Стърджън, известният английски физик Джеймс Прескот Джаул, пише, че Стърджън е висок и добре сложен, има благороден външен вид и приятни маниери. За съжаление неговият портрет не е запазен. На надгробната му плоча е изписано: „Тук лежи изобретателят на електромагнита. »
Първият електромагнит в света, демонстриран от Стърджън на 23 май 1825 г. пред Обществото на изкуствата, представляваше лакирана желязна пръчка с дължина 30 см и диаметър 1,3 см, извита в подкова, покрита с един слой изолирана медна жица. Захранван е с електричество от галванична батерия (волтаичен стълб). Електромагнитът поддържаше тегло от 3600 g и беше значително по-силен от естествените магнити със същата маса. Това беше блестящо постижение за онези времена.
Самият Стърджън беше особено благодарен за идеята си да замени твърдото желязо с меко желязо. Ученият свободно оперира с такива концепции,като "магнетизъм", "магнитна енергия", "еднородност на магнитния материал", "отгряване на желязо" и т.н.
Бордът на обществото оцени заслугите на Стърджън. Той получава медал и парична награда, а първият електромагнит е изложен в музея на дружеството.
Джаул, експериментирайки с първия магнит на Sturgeon, успя да увеличи повдигащата си сила до 20 кг. Това също беше през 1825 г.
През 1828 г. лондонският часовникар Уоткинс прави електромагнит, който може да повдигне 30 кг.
В същото време професор Мол от Утрехт, вземайки за основа дизайна на Уоткинс, направи магнит, който "вдигна наковалня от 60 кг и не вдигна наковалня от 80 кг".
През 1832 г. Стърджън прави магнит, който може да вдигне 160 кг, но още през същата година Марш създава магнит, който може да вдигне повече от 200 кг. Стърджън обаче нямаше да загуби шампионата. По негова поръчка през 1840 г. е направен електромагнит, който може да вдига вече 550 кг!
Сега е трудно да си представим колко трудно е било тогава да се създадат електромагнити. В крайна сметка дори законът на Ом не е бил известен на инженерите по това време.
Когато немският учител Георг Симон Ом слага дисертацията си на масата на ректора на Берлинския университет, където за първи път е формулиран законът, без който не е възможно никакво електрическо изчисление, той получава много остро порицание. Електричеството не се поддава на никакво математическо описание, тъй като "електричеството е неговият собствен гняв, собственият му гняв на тялото, неговото ядосано аз, което се проявява във всяко тяло, когато е раздразнено." През онези години ректор на Берлинския университет е Георг Вилхелм Фридрих Хегел.
Първите магнити са правени „както Бог слага на душата“. Не всяка форма обаче даде добър резултат. Случайно Стърджън избра за своя първи магнитмного успешна - форма на подкова (подковообразните магнити все още се правят). Липсата на опит и елементарни методи за изчисляване на магнити доведе до факта, че някои разновидности на магнити, предложени по това време, според нас биха били просто абсурдни. И така, трикракият магнит не може да работи успешно, тъй като магнитните потоци на всеки прът ще се противопоставят един на друг - потокът на единия прът е затворен върху втория прът, където действа срещу потока на този прът.
Неподходящ според съвременния поглед е и много често използваният дизайн, в който един магнит е съставен от три по-малки и навити поотделно. Ясно е, че в пролуките между тези малки магнити, магнитните полета на два съседни пръта взаимно се компенсират.
Лабораторните магнити от този период са направени "на око". Нямаше теория, която да предскаже свойствата на магнитите предварително. Първият принос в теорията за изчисляване на електромагнитите е на българските учени Е.Х. Ленц и Б.С. Якоби, който посочи връзката между повдигащата сила на електромагнита и произведението на силата на тока в намотките и броя на навивките на намотката.
След Ленц и Якоби, британските братя Хопкинсън имат голям принос в теорията за изчисляване на магнитите, които предлагат метод за отчитане на насищането, феномен, отдавна забелязан от дизайнерите на магнити и състоящ се във факта, че в магнит с дадена форма, след определена граница, чрез увеличаване на тока в бобините, е невъзможно да се увеличи неговата подемна сила. Съвременната теория свързва това явление с факта, че когато се достигне определен ток на намагнитване, елементарните магнити (диполи) на желязото (феромагнетик), предварително произволно разположени, са ориентирани предимно в една посока и с по-нататъшно увеличаване на тока на намагнитване, значителноняма увеличение на броя на магнитите, ориентирани в една посока. Наситеността на стоманата доведе до факта, че индукцията на магнитното поле на първите магнити не надвишава 2 T.
Започна нова ера за увеличаване на силата на магнитите, не чрез увеличаване на размера им, а чрез подобряване на формата им и борба с насищането.
Не може да се каже, че тази борба беше много успешна. За сто години на тази интензивна война на физиците с непокорната "насищаема" стомана, индукцията на магнитното поле в магнитите се е увеличила само два пъти и половина. По този проблем са работили много видни физици и електроинженери.
Какво могат да противопоставят физиците на природата? Само много точно отчитане и пълно използване на естествените свойства на материалите. И сега има магнити с къси конични полюси, масивни стоманени магнитни сърцевини и огромни бобини.
Масата на магнитите бързо се увеличава - сега в по-голяма степен поради намотките. Ако през 1881 г. най-големият лабораторен магнит в света е тежал около 1 тон, то през 1930 г. вече е около 120 тона.
Първата марка "5 Tl" е премината през 1903 г. от магнита на професор Грей в Глазгоу. Той успя да направи това с помощта на мощни намотки, доближени до коничните полюси.
Интересна идея е изразена от френския учен Перо през 1914 г.: той предлага в допълнение към две конвенционални намотки, разположени на полюсите, да се използва трета, покриваща работната зона на машините. Индукцията на магнитното поле на магнита на Perrault достига 5,1 T. До 1914 г. професор Бекерел (младши) в Парижкия природонаучен музей създава магнит, чиято индукция на магнитното поле се увеличава до 5,5 T, другите три най-мощни магнита от онова време - Вайс в Цюрих, Кайзер в Бон и Еймс в САЩ - работят на ниво от 4,5 T.
трябва да бъде отбелязано чеСъздаването на Бекерел на магнит с индукция на полето от 5,5 T се възприема от физиците по света като голяма сензация. „Гигантски“, „най-мощен“, писаха вестниците за този електромагнит. Увеличаването на индукцията на магнитното поле само с 10% струва много работа и трикове. Най-важното обаче беше, че за производството на магнитните полюси е използван нов материал - сплав от желязо и кобалт, която е наситена с индукция, която е с няколко процента по-висока от използваните досега материали. Консумирайки мощност от 22 kW, електромагнитът създава поле в междуполярната междина, чиято магнитна индукция е 5,5 T. Когато ферокобалтовите накрайници бяха заменени с железни, индукцията на полето намаля до 5,2 T.
Ако разстоянието между полюсите е 2 mm и полезният обем е 14 mm 3 (т.е. обемът, в който може да се постави само малка проба), тогава индукцията на магнитното поле достига 5,9 T. Когато полезният обем беше намален до 0,5 mm 3 (полюсите всъщност бяха в контакт), индукцията на полето се увеличи до 6,5 T. Намотката на електромагнита се състоеше от хиляда навивки на медна тръба, през която тече ток, а през кухината - охлаждаща вода. Магнитът се охлажда толкова добре, че може да работи денонощно. Други магнити, които нямат изкуствено охлаждане, не могат да работят повече от 2 часа подред поради силно нагряване.
Бекерел искаше да използва този магнит, за да изясни някои от неяснотите в теорията за ефекта на Зееман. „Добре известно е“, каза Бекерел, „че има нещо друго неразбираемо в този феномен – това „нещо“ е причинено от липсата на бдителност в нашите инструменти.“ С помощта на мощен нов магнит Бекерел искаше да увеличи тази „бдителност“, за да направи неясните части от теорията по-различни.
Въпреки това всички физици можеха да видят колко трудно беше да се получат допълнителни 0,5 Tнякои от тях вярваха, че целият проблем е в цената и размера на магнита. Направете колосален магнит, инвестирайте много пари в него - и можете да получите произволно голямо магнитно поле.
Надеждата, че през следващите години ще бъде построен електромагнит с много по-голяма мощност, може би 100 T, беше изразена на Международния конгрес на електротехниците през 1914 г. от Гийом, директор на Международното бюро за мерки и теглилки, и Перин, професор по физика в Сорбоната. Те вярваха, че цената на един електромагнит ще бъде равна на мощен дредноут (12,14 милиона долара) и ще отнеме няколко години за създаване.
Въпреки това, дори при такава цена, не би било възможно да се увеличи индукцията на полето на електромагнитите до 100 T или, което е същото в единици на друга измервателна система (CGS), до 1 милион гауса. Дори и сега такова стационарно поле е непостижима мечта на физиците. И виновникът за това не на последно място е ситостта.
През 30-те години на миналия век в Belle-Vie, близо до Париж, е пуснат в експлоатация най-големият лабораторен магнит, създаван някога. Този магнит е създаден от Френската академия на науките за изследване на магнетизма. В допълнение към огромната маса, той имаше полюсни накрайници, изработени от специална сплав - пермендур, която има малко по-висока индукция на насищане от стоманата. Това направи възможно достигането до голямо поле. Но дори това беше само 5,2 T, когато произведението от силата на тока и броя на завоите е 500 хиляди A. Дължината на магнита е 630 cm, височина 275 cm, тегло 120 тона.
През 1934 г. в университета на шведския град Упсала е пуснат в експлоатация нов мощен магнит. Той се различаваше от френския по това, че стълбовете му имаха много по-голяма конусност, а намотките и самият стълб бяха с по-ниска височина. Този електромагнит, проектиран от Драйфус, се оказа много по-ефективен от френския. Той тежеше само 30 тона, но с негова помощ, със същия обем, беше възможно да сеполучите поле от приблизително 5,8 T. В този магнит полюсите са привлечени със сила над 60 тона.
Оттогава са създадени много мощни електромагнити, но парижкият и упсалският и до днес остават шампиони - първият по маса, вторият по ефективност.
Сега почти всяка физическа лаборатория има електромагнит: магнитите се използват за изследване на свойствата на веществата в силни полета, за тестване на нови материали, в съвременни уникални измервателни инструменти, в квантовата електроника, при изследване на взаимодействието на атомните частици, за медицински и биологични изследвания. Те не са поразителни по размер, но с тяхна помощ е възможно да се получи поле от 4,5 T в доста значителен обем, което е необходимо за изследване.
Най-впечатляващият и необичаен изследователски електромагнит, който никога не е бил построен, е предложен от известния американски изобретател Томас Алва Едисон. В началото на 90-те години на миналия век той предложи да се създаде мощен приемник, който да регистрира електромагнитни процеси на Слънцето. Проектът беше следният. В град Огдън, Ню Джърси, има стръмна скала, изработена от магнитна желязна руда, чиято маса е най-малко 100 милиона тона.Ако тази скала беше обвита с голямо количество тел, така че скалата да играе ролята на гигантско ядро на колосален електромагнит, тогава с помощта на тази намотка, поради голямата си индуктивност, би било възможно да се наблюдава промяната в магнитното състояние на Слънцето.
В момента, разбира се, няма нужда от такъв сензор за магнитното поле на космическите тела. Електромагнитните процеси в Слънцето могат да бъдат добре проучени с помощта на радиотелескопи и други инструменти, макар и обемисти, но все пак няколко хиляди пъти по-леки и по-удобни от магнитна скала. Въпреки това, за времето си, идеятаЕдисон беше забележително смел и иновативен.