Эксперимент, теория, практика - [4]

Петру Леонидовичу Капице исполняется восемьдесят лет. Он полон сил и творческих планов. Несмотря на большую занятость научно-организационными и общественными делами, он ежедневно работает в своей лаборатории. Его энергии и увлеченности работой могут позавидовать многие молодые научные работники.

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.