СИЛЬНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ. ИХ ПОЛУЧЕНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ С НИМИ

Доклад на заседании Студенческого научного клуба Оксфордского университета 27 февраля 1931 г.

Опубликован в журнале «Transactions of the Oxford University Junior Scientific Club» (5) 4, 129 (1931). Перевод с англ. А. Б. Ваганова.

В свете современных знаний мы считаем, что структура атома, по существу, является динамической, т. е. атом представляет собой систему, в которой заряженные тела вращаются вокруг центрального ядра, причем свойства атома полностью зависят от числа электронов и вида их орбит. Следовательно, такие свойства, как, например, магнитные моменты, силы сцепления, спектры и т. д., можно изменить, если найти средство возмущать движение орбитальных электронов. Наиболее эффективно это можно сделать, воздействуя на атом внешним магнитным полем.

Внутреннее магнитное поле, создаваемое в атоме движением электронов по орбитам, очень велико, но если было бы возможно получить внешнее поле такой же величины, очевидно, что движение электронов изменилось бы существенным образом, так как энергия связи между ними была бы того же порядка, что и возмущение, созданное полем; в этом случае мы должны были бы ожидать получения существенных результатов. Однако когда мы переходим к оценке величины поля внутри атома, мы находим, что даже для наиболее слабо связанных электронов оно приближается к 1 000 000 гауссам. Такое поле примерно в 30 раз больше, чем обычно получаемое в лабораториях. Предметом моегоI

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.

Наибольшая трудность, с которой мы столкнулись, заключалась в том, что катушки стремились разорваться из-за электродинамических сил, старающихся увеличить их диаметр. Мы разработали метод укрепления катушек стальными бандажами и сконструировали катушку такой формы, чтобы электродинамические силы вместе с силами реакции со стороны бандажа сводились к однородному (гидростатическому) давлению на медь. (Катушка для создания импульсных магнитных полей изображена на рисунке слева). Нагрузка внешнего бандажа теперешней катушки достигает 140 тонн.

Другой проблемой явилась разработка специального выключателя для прерывания тока синхронно с волной тока. Так как продолжительность тока составляла лишь 0,01 сек, время. отведенное на переключение, составляло лишь несколько десятитысячных секунды, в течение которых контактная медная пластина выключателя должна была отойти на несколько миллиметров от его щеток. Ускорение, требуемое для передвижения медной пластины весом в 1 кг на такое расстояние, примерно в 1 000 раз больше ускорения свободного падения, а требуемая сила превышает тонну. Для этой цели использовался чрезвычайно прочный и тщательно сконструированный кулачковый вал.

Управление было организовано таким образом, что с помощью различных приспособлений после нажатия одной единственной кнопки эксперимент проводился автоматически, а осциллограммы показывали значения тока в катушках и тем самым позволяли измерить магнитное поле.

Затем нам пришлось преодолеть трудность, вызванную ударом при внезапной остановке генератора. При замыкании угловая скорость якоря, который весит 2,5 тонны, уменьшается на 10% за 0,01 сек и возникает большой вращающий момент, который стремится повернуть всю машину на фундаменте. Чтобы избежать влияния этого удара на наши измерения, катушка помещалась в 20 м от генератора так, чтобы измерения заканчивались прежде, чем сотрясение достигало катушки.

Короткое время эксперимента привело к определенным трудностям при наблюдении и измерении, но в целом потеря во времени компенсировалась выигрышем в величине явления, наблюдаемого в очень сильных полях; оно также дало то большое преимущество, что практически исключило влияние изменения температуры на различные явления, так как в течение 0,01 сек температура оставалась более или менее постоянной.

К настоящему времени мы изучили влияние сильных магнитных полей на различные явления, например, при исследовании эффекта Зеемана мы обнаружили, что расщепление линий оказывается столь велико, что можно использовать обычный призменный спектрограф, имеющий большую светосилу, а время экспозиции можно уменьшить до 0,01 сек без существенного уменьшения точности результатов.

Оказалось, что большой интерес представляет изучение изменения сопротивления различных металлов в сильных магнитных полях; в некоторых случаях возрастание сопротивления составляло от 20 до 30 процентов, в то время как в обычных полях возрастание не превышало долей процента. Более того, мы обнаружили, что в сильных полях наблюдается линейный закон возрастания сопротивления с возрастанием поля, в то время как в обычных полях возрастание сопротивления пропорционально квадрату поля. Мы измерили также магнитную восприимчивость различных металлов в сильных полях. Для этой цели были разработаны и сконструированы специальные весы с собственной частотой около 2000—3000 колебаний в секунду. Так как в наших опытах магнитные силы были примерно в 100 раз больше, чем обычно, то весы были достаточно чувствительны, чтобы измерять восприимчивость большинства веществ.

Другим направлением исследований явилось изучение магнитострикции. В обычных полях это явление известно лишь для ферромагнитных веществ, но в сильных полях мы обнаружили, что оно достаточно заметно в различных других веществах, таких как висмут, олово и графит, которые имеют кристаллическую структуру низкой симметрии. Кристаллы висмута в сильных магнитных полях растягиваются в направлении тригональной оси и сжимаются в направлениях, перпендикулярных к ней.

Видно, что при исследовании различных явлений в сильных магнитных полях, существующих очень короткое время, открываются возможности решения широкого круга научных проблем, но для этого требуются специальная техника и аппаратура.