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

поднять уже 550 кг!

К тому времени у Стерджена нашелся очень сильный соперник за океаном. В апреле

1831 г. профессор Йельского университета Джозеф Генри (его именем названа единица

индуктивности) построил электромагнит массой около 300 кг, поднимавший около 1

т.

Все эти магниты по конструкции представляли собой подковообразные стержни,

обмотанные проволокой. Джоуль в ноябре 1840 г. создал магнит собственной

конструкции, в виде толстой стальной трубы, разрезанной вдоль оси. Сечение этого

магнита было очень большим, магнит оказался компактным и поднимал 1,3 т. В то же

время Джоуль построил магнит совершенно новой конструкции — притягиваемый груз

испытывал действие не двух полюсов, как обычно, а значительно большего

количества, что позволило резко увеличить поднимаемый груз. Магнит массой 5,5 кг

удерживал груз массой 1,2 т.

Сейчас трудно себе представить, насколько тяжело было тогда создавать

электромагниты. Ведь даже закон Ома инженерам в то время не был известен.

Когда немецкий учитель Георг Симон Ом положил на стол ректора Берлинского

университета свою диссертацию, где впервые был сформулирован закон, без которого

невозможен ни один электротехнический расчет, он получил весьма резкую отповедь.

Электричество-де не поддается никакому математическому описанию, так как

"электричество — это собственный гнев, собственное бушевание тела, его гневное

Я, которое проявляется в каждом теле, когда его раздражают". Ректором

Берлинского университета был в те годы Георг Вильгельм Фридрих Гегель.

Первые магниты были сделаны "как бог на душу положит". Однако не любая форма

давала хороший результат. Случайно получилось так, что Стерджен для своего

первого магнита выбрал очень удачную — подковообразную — форму (подковообразные

магниты изготовляют до сих пор). Отсутствие опыта и элементарной методики

расчета магнитов привело к тому, что некоторые разновидности магнитов,

предложенные в то время, были бы, на наш взгляд, просто абсурдными. Так,

трехлапый магнит не мог бы успешно работать, так как магнитные потоки каждого

стержня противодействовали бы друг другу — поток одного стержня замыкали на

втором стержне, где он действовал навстречу потоку этого стержня.

Негодной, на современный взгляд, оказывается и очень часто использовавшаяся

конструкция, один магнит в которой составлен из трех более мелких и намотанных

отдельно. Ясно, что в промежутках между этими маленькими магнитами магнитные

поля двух соседних стержней взаимно уничтожаются.

Лабораторные магниты того периода изготовлялись "на глазок". Никакой теории,

которая позволила бы заранее предсказать свойства магнитов, не существовало.

Первый вклад в теорию расчета электромагнитов внесли русские ученые Э.X. Ленц и

Б.С.Якоби, указавшие на связь подъемной силы электромагнита и произведение силы

тока в катушках на число витков обмотки.

После Ленца и Якоби крупный вклад в теорию расчета магнитов внесли англичане

братья Гопкинсоны, которые предложили метод учета насыщения — явления, давно

замеченного проектировщиками магнитов и заключающегося в том, что в магните

заданной формы после некоторого предела увеличением тока в катушках нельзя

повысить его подъемную силу. Современная теория связывает это явление с тем, что

при достижении некоторого намагничивающего тока элементарные магнитики (диполи)

железа (ферромагнетика), ранее расположенные беспорядочно, в основном

ориентированы в одном направлении и при дальнейшем усилении намагничивающего

тока существенного увеличения числа магнитиков, ориентированных в одном

направлении, не происходит. Насыщение стали привело к тому, что индукция

магнитного поля первых магнитов не превышала 2 Тл.

Наступила новая эра усиления мощности магнитов, но не путем увеличения их

размеров, а посредством совершенствования их формы и борьбы с насыщением.

Нельзя сказать, чтобы эта борьба была очень успешной. За сто лет этой

напряженной войны физиков с непокорной "насыщающейся" сталью индукция магнитного

поля в магнитах возросла всего лишь в два с половиной раза. Над этой проблемой

работали многие видные физики и электротехники.

Что могли физики противопоставить природе? Только очень точный учет и полное

использование природных свойств материалов. И вот появляются магниты с короткими

коническими полюсами, массивными стальными магнитопроводами и громадными

катушками.

Масса магнитов быстро увеличивается — теперь в большей степени за счет катушек.

Если в 1881 г. самый большой в мире лабораторный магнит весил около 1 т, то в

1930 г. — уже около 120 т.

Первым отметку "5 Тл" пересек в 1903 г. магнит профессора Грея в Глазго. Ему

удалось это сделать, применив мощные катушки, близко придвинутые к коническим

полюсам.

Интересная идея была высказана французским ученым Перро в 1914 г.: он предложил

кроме двух обычных катушек, расположенных на полюсах, использовать третью,

охватывающую собой рабочую зону машин. Индукция магнитного поля магнита Перро

достигла 5,1 Тл. К 1914 г. профессор Беккерель (младший) в Парижском музее

естественной истории создал магнит, индукция магнитного поля которого возросла

до 5,5 Тл, три других самых мощных магнита того времени — Вейсса в Цюрихе,

Кайзера в Бонне и Эймса в США — работали на уровне 4,5 Тл.

Следует отметить, что создание Беккерелем магнита с индукцией поля 5,5 Тл, было

воспринято физиками всего мира как большая сенсация. "Гигантский", "мощнейший",

— писали об этом электромагните газеты. Увеличение индукции магнитного поля лишь

на 10 % стоило многих трудов и ухищрений. Однако самое главное заключалось в том,

что для изготовления полюсов магнита был использован новый материал — сплав

железа с кобальтом, который насыщается при индукции на несколько процентов

большей, чем ранее применяемые материалы. Потребляя мощность 22 кВт,

электромагнит в междуполюсном промежутке создавал поле, магнитная индукция

которого составляла 5,5 Тл. При замене феррокобальтовых наконечников железными

индукция полей снижалась до 5,2 Тл.

Если расстояние между полюсами было 2 мм и полезный объем 14 мм3 (т. е. объем, в

который можно было поместить лишь небольшой образец), то индукция магнитного

поля достигла 5,9 Тл. Когда полезный объем был уменьшен до 0,5 мм3 (полюсы, по

сути дела, соприкасались), индукция поля возросла до 6,5 Тл. Обмотка

электромагнита состояла из тысячи витков медной трубки, по сечению которой шел

ток, а по полости — охлаждающая вода. Магнит охлаждался так хорошо, что мог