Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)

приводит к тому, что материалы обмотки под действием давления магнитного поля

начинают течь. В соленоиде Кольма на 25 Тл давление, как уже говорилось, в 3

раза превышает давление на дне глубочайшей океанской впадины. А давление растет

пропорционально квадрату напряженности поля. При увеличении напряженности поля

чуть больше чем в 3 раза давление возрастает в 10 раз.

При поле напряженностью 100 Тл магнитные усилия эквивалентны тем, которые

развиваются в жерле пушки при выстреле. Держать такое поле — это все равно, что

задержать взорвавшийся в казенной части пушки снаряд таким образом, чтобы и

снаряд не вылетел, и пушка не разорвалась.

А обязательно ли рост напряженности поля связан с ростом давления?

Электромагнитная сила может быть рассчитана как векторное произведение плотности

тока в обмотке на индукцию магнитного поля (это та же самая лоренцева сила,

которая отклоняет частицы в ускорителях). Разработана конфигурация обмоток и

соленоидов, в которых почти полностью отсутствуют усилия. Такие обмотки и

соленоиды называют бессиловыми. Недавно была построена крупная бессиловая

система для исследования термоядерных реакций, работающая на несколько ином

принципе: в ней усилия с обмоток соленоида переносятся на массивную стальную

несущую конструкцию.

При изучении вопроса о возможности создания бессиловых обмоток советские и

американские ученые пришли к выводу, что эта проблема совсем не безнадежна.

Рассмотрим, например, обмотку, выполненную в виде длинной спирали с большим

шагом. Такая обмотка создает два поля (поле, конечно, одно, но для удобства его

часто раскладывают на осевую и радиальную составляющие, которые дают в сумме

действительное поле): суммарное поле, направленное вдоль оси (осевое), и поле,

окружающее каждую проволочку в отдельности (кольцевое). Осевое поле обмотки

стремится разорвать ее; поле, окружающее обмотку, стремится ее сжать. Таким

образом, усилия, направленные в разные стороны, взаимно уничтожаются.

Более приемлемой, возможно, окажется другая обмотка. Ее можно выполнить из

нескольких слоев, причем обмотка во внутреннем слое почти параллельна оси, а во

внешнем — почти перпендикулярна к ней. В такой обмотке переход от осевого поля к

кольцевому осуществляется постепенно, и усилия сжатия распространяются

равномерно на все слои. Эта система — прообраз мощных систем будущего, в которых

магнитные поля колоссальной напряженности будут сочетаться с изяществом и

ажурностью конструкции.

Логическим развитием тенденции охлаждения соленоидов стал уход в зону предельно

низких температур. У Биттера охлаждение витков водой позволяло повысить

пропускаемые по ним токи, ни о какой экономии энергии речи не было, ибо потери

росли быстрее, чем ток. При низких температурах снижалось сопротивление

проводников и вместе с ним выделение тепла током. Наконец, произошло невероятное

событие — почти у абсолютного нуля (-273 °C) электропроводность некоторых

металлов росла до бесконечности! "Виновником" оказался Генке Камерлинг-Оннес.

В жизни Камерлинг-Оннеса ничто, казалось, не предвещало мировой славы. Известный

ученый, опубликовавший в специальной литературе многочисленные работы по

радиоактивности, термодинамике и сжижению газа, обладающий скорее инженерным

складом ума, чем аналитическим. Но в 1911 г. одним весенним утром он вошел в

лабораторию обычным заведующим кафедрой, а вышел первооткрывателем

сверхпроводимости. Один день принес ему бессмертие. Вот как это произошло.

До того было неясно, как должно изменяться электрическое сопротивление металлов

при снижении их температуры.

Ученые придерживались трех различных точек зрения:

Из классической теории электромагнетизма известно, что сопротивление проводника

падает с уменьшением температуры. Объяснить это явление можно довольно просто.

Электрический ток — это поток свободных электронов, проходящих сквозь

кристаллическую решетку металла. При высоких температурах вследствие теплового

колебания атомов кристаллической решетки вероятность столкновения электронов с

решеткой велика. Это препятствует движению электронов и создает сопротивление

току. При низких температурах, когда амплитуда колебаний атомов в решетке

уменьшается, вероятность столкновения электронов с решеткой становится меньше и

ток встречает, таким образом, меньшее сопротивление. При абсолютном нуле, когда

решетка уже неподвижна, сопротивление проводника равно нулю.

Сопротивление току сохранится и при абсолютном нуле, поскольку и тогда некоторые

электроны будут сталкиваться с решеткой, тем более что кристаллические решетки,

как правило, не являются идеальными — в них всегда есть дефекты и включения

примесей.

Сопротивления металлов при приближении температуры к абсолютному нулю должны

возрастать, так как в силу конденсации электронов на решетке (грубая аналогия —

образование капелек воды на холодной ложке, поднесенной к горячему чаю) их число

при охлаждении непрерывно снижается, вследствие чего электропроводность

(определяемая числом свободных электронов) уменьшается (электропроводность —

величина, обратная удельному сопротивлению).