Текст книги "Хочу все знать 1970"
Автор книги: Николай Сладков
Соавторы: Борис Ляпунов,Евгений Брандис,Александр Кондратов,Павел Клушанцев,Алексей Антрушин,Тамара Шафрановская,Регина Ксенофонтова,Петр Капица,Анатолий Томилин,Александр Муранов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 11 (всего у книги 31 страниц)
Ю. Xарик
ДОЛЖЕН ЛИ УГОЛЬ ГОРЕТЬ?
I. НЕПОЛНОЦЕННАЯ ЭНЕРГИЯ
Вы топите печь. Обыкновенную печь. Удобная это вещь, правда? Подбрасываешь дрова, а взамен получаешь тепло. Сколько вы уже набросали дров? Поленьев десять. А сколько получили тепла? Соответственное количество.
Так ли это? Если подсчитать, то окажется, что с пользой для получения тепла израсходована только 1/20 часть дров. А остальные? Да попросту улетучились. Конечно, печь далеко не совершенный тепловой агрегат. Приведём другой пример. Среди тысяч разнообразных машин, которые сегодня работают на человека, трудно найти более совершенные, чем турбины современной мощной теплоэлектростанции. И, несмотря на это, даже самые лучшие из них превращают в электрическую энергию лишь четвёртую часть угля. Если бы весь уголь, добываемый в Советском Союзе за год – примерно 600 000 000 тонн, – использовался для выработки электрической энергии и был сожжён в топках электростанций, то лишь 100 с лишним миллионов тонн превратилось бы в электричество, а свыше 400 миллионов тонн попросту улетучилось бы. Только для того, чтобы перевезти этот уголь, понадобилось бы 8 000 000 вагонов! Вот вам и турбина!
В чём же дело? Оказывается, в том, что агрегаты тепловой электрической станции не могут работать лучше, так как основаны на несовершенном способе. Конечно, современные теплоэлектростанции непохожи на те костры, в которых наши предки сжигали волшебные «чёрные камни», то есть уголь, да и с домашней печкой имеют мало общего. Однако за многие века, отделяющие нас от этого времени, принцип использования энергии угля совсем не изменился.
Как же работает теплоэлектростанция? Уголь поступает в топку парового котла, где сгорает, превращаясь в горячие газы. Эти газы, нагревая воду, находящуюся в барабане и трубках котла, превращают её в пар. Пар поступает в турбину и приводит её во вращение. Турбина связана с генератором, который и вырабатывает электрическую энергию. Большой путь проходит химическая энергия угля, пока она превратится в электрический ток. В паровом котле она превращается в тепловую энергию, в турбине теплота переходит в механическую энергию вращения и лишь в генераторе происходит последнее превращение – механической энергии в электрическую. Всё как будто бы хорошо, но во всей этой цепочке превращений есть одно слабое звено. Это звено – теплота, которую недаром называют «неполноценной энергией». И действительно, очень легко превратить почти полностью любой вид энергии в тепло, зато обратный процесс идёт с большими трудностями и потерями.
Наука о тепловой энергии – термодинамика – говорит о том, что пар, полученный в котле теплоэлектростанции, мог бы полностью отдать свою энергию турбине только в том случае, если бы охладился до температуры так называемого абсолютного нуля, до —273°, или же если б его начальная температура была бесконечно большой. Конечно, ни на одной станции добиться этого нельзя.
Попробуйте проделать такой опыт: рядом с накалённым утюгом поставьте холодный утюг. Через некоторое время вы заметите, что горячий утюг начал остывать, а холодный – нагреваться. Так будет продолжаться до тех пор, пока температуры обоих утюгов не станут одинаковыми. Из этого опыта видно, что тепло переходит от более нагретого тела к менее нагретому.
Значит, если не прибегать к специальным сложным устройствам (например, к холодильникам), то для охлаждения какого-либо тела надо иметь другое тело – более холодное. В лабораториях учёных с помощью сложных приборов и больших затрат энергии удалось получить температуру, близкую к абсолютному нулю. Но это в лаборатории, где имеют дело с граммами вещества. А как же быть на теплоэлектростанции, где нужно охлаждать сотни тонн пара в час? Здесь пар охлаждается в конденсаторах, через которые пропускается обычная вода. Но так как даже в самые сильные морозы температура охлаждающей воды гораздо выше абсолютного нуля, то с её помощью не удаётся охладить пар настолько, чтобы отобрать у него хотя бы половину энергии. Другой путь – повышение температуры теплоносителя – также имеет предел.
II. «ПОСЛУШНЫЕ» И «НЕПОСЛУШНЫЕ» ЭЛЕКТРОНЫ
Что же это за процесс – горения и получения теплоты, – который является столь расточительным?
Горение – это процесс окисления, то есть присоединение кислорода к углероду в том случае, если сжигается уголь. Но так как и кислород и углерод состоят из атомов, то есть мельчайших своих частичек, а атомы, в свою очередь, имеют электроны, то есть ещё более мелкие, чем атом, частички, заряженные отрицательным электричеством, то можно сказать, что горение – это обмен электронами между кислородом и углеродом. Атомы углерода при нагревании теряют электроны, атомы кислорода присоединяют их. Таким образом, происходит движение электронов, а это уже электрический ток.
В процессе горения миллиарды электронов переходят из углерода в кислород, но вся беда в том, что эти электроны движутся беспорядочно, в разные стороны. Электрический же ток – упорядоченный поток электронов. Процесс горения можно сравнить с движением горного потока, который бесцельно тратит свою энергию. Если же горный поток заключить в трубы и заставить его течь в нужном направлении, то он сможет вращать колёса турбин, орошать поля и т. д. Так и поток электронов при горении мог бы не разогревать топливо, а стать источником электрического тока. Но как это сделать, как заставить огромное количество электронов двигаться в определённом порядке, как сделать их «послушными»?
Всем, конечно, знакома обыкновенная батарейка от карманного фонаря. В батарейке происходят те же явления, что и при горении угля. Батарейка, или, что одно и то же, гальванический элемент, состоит из двух разных стержней (электродов), помещённых в электролит, то есть в среду, проводящую электрический ток. Один электрод цинковый, а другой – угольный. Цинк, растворяясь в электролите, теряет электроны, уголь же их присоединяет. Если соединить полюса батарейки проводником, то по нему потёчет электрический ток.
Отличие этого процесса от горения угля в прямом смысле заключается в том, что при горении угля обмен электронами между углеродом и кислородом происходит сразу во всём пространстве. В батарейке же процесс обмена электронами между цинком и углём происходит в двух строго определённых местах: на поверхности отрицательного цинкового электрода и положительного угольного. Благодаря этому в батарейке создаётся порядок в движении электронов, то есть электрический ток.
Батарейка – очень удобный источник энергии. Он в особенности незаменим в тех случаях, когда потребляется мало электрической энергии, причём не непрерывно, а время от времени. А почему бы не построить уже сейчас электростанцию, работающую от батарей из таких элементов? Ведь их коэффициент полезного действия очень высок! К сожалению, сделать это нельзя, так как срок службы элементов невелик.
Идея создания электрического элемента возникла давно. Ещё в 1802 году изобретатель безопасной шахтёрской лампы Хэмфри Дэви высказал предположение, что химическую энергию, высвобождающуюся при окислении угля, можно непосредственно преобразовать в электрическую. К сожалению, Дэви не удалось изготовить такое устройство. Зато уже в 1839 году была продемонстрирована первая так называемая газовая батарея. В ней энергия реакции окисления водорода преобразовывалась непосредственно в электрический ток. Газовая батарея – это первый топливный элемент, где химическая энергия топлива непосредственно превращалась в электрическую.
Конечно, первый топливный элемент был очень несовершенен и обладал малой мощностью. Работы продолжались. И лишь совсем недавно были созданы промышленные топливные элементы. Какие же внутренние процессы сопровождают их работу?
III. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ «СТРАННИКИ»
Можно ли совершенно чистую воду, очень плохой проводник электрического тока, превратить в хороший проводник? Можно, и это очень легко сделать. Необходимо только растворить в ней небольшое количество поваренной соли. Водопроводная вода только кажется абсолютно чистой. На самом же деле она содержит небольшие количества растворённых солей, что и помогает ей проводить электрический ток. Вот почему иногда «дёргает» человека, прикоснувшегося мокрой рукой к электрическому выключателю, в особенности если выключатель в металлическом корпусе.
Водные растворы, которые проводят электрический ток, называются электролитами. Если через них пропускать электрический ток, то можно наблюдать различные интересные явления. Представьте себе, что в сосуд с электролитом из раствора сульфата меди опущены два медных электрода, присоединённых к электрической цепи с батареей. Один из электродов, тот, что соединён с отрицательным полюсом батареи, назван катодом. А тот, что с положительным – анодом. При пропускании электрического тока через некоторое время на катоде появится свежий слой меди, а анод постепенно будет растворяться. Может быть и по-другому: медь по-прежнему будет осаждаться на катоде, а на аноде появятся пузырьки кислорода. Всё зависит от материала анода, катода и от состава электролита.
Особый интерес представляет случай, когда электролит – раствор серной кислоты в воде, а электроды сделаны из платины. При пропускании электрического тока у электродов выделяются газы, причём у катода – водород, у анода – кислород. По мере течения процесса уровень электролита непрерывно понижается, то есть концентрация серной кислоты возрастает. В конце концов остаётся чистая серная кислота. Куда же делась вода?
Оказывается, в процессе электролиза она разложилась на составные элементы – водород и кислород, которые и выделялись у электродов.
Долгое время оставалось неясным: каким образом переносятся электрические заряды в электролитах? Объяснение было найдено в 1887 году, когда известный шведский химик Аррениус разработал свою знаменитую теорию электролитической диссоциации.
Основной смысл этой теории в том, что при растворении вещества, например серной кислоты, в воде в получившемся электролите образуется огромное количество положительно и отрицательно заряженных частичек – ионов. Если этот электролит подключить к электрической цепи с батареей, ионы приходят в движение, причём положительные движутся к катоду, а отрицательные к аноду. А это не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц, то есть электрический ток. И вот ионы, эти электрические «странники», прибыли к «месту назначения»: один к аноду, другой к катоду. Что же происходит дальше? В результате химической реакции на аноде образуется кислород. На катоде – водород.
IV. ПОТОМУ, ЧТО БЕЗ ВОДЫ…
Теперь ясно, что конечный результат электролиза водного раствора серной кислоты – разложение воды на кислород и водород. Энергия для этого берётся от внешнего источника тока, то есть от батареи.
А возможен ли обратный процесс: соединение водорода с кислородом с образованием воды? Да, возможен. Химики знают: если поджечь смесь этих газов, то раздастся сильный взрыв. Химическая энергия выделится в виде теплоты и звука. Но если этот же процесс будет протекать в электрохимических элементах, то химическая энергия будет непосредственно превращаться в электрическую. В этом-то и состоит принцип действия так называемого водородно-кислородного топливного элемента.
Как же он устроен?
Представьте себе, в сосуд с электролитом, то есть с водой, разбавленной серной кислотой, опущены два пористых, как губка, платиновых электрода. К одному из электродов под давлением подаётся кислород, а к другому – водород, которые просачиваются в электролит. Проходя через электрод, нейтральные атомы кислорода захватывают электроны из металла и превращаются в отрицательные ионы, переходя в электролит. Здесь они двигаются к другому электроду, достигают его, отдают свои электроны и, снова превращаясь в нейтральные атомы кислорода, соединяются с водородом, который подаётся под давлением. В результате этой реакции образуется вода и выделяется энергия, которая расходуется на создание потока электронов во внешней цепи, то есть электрического тока. Теперь достаточно подключить лампочку к платиновым электродам, и она ярко вспыхнет.
Хорош ли такой элемент? Безусловно: ведь его коэффициент полезного действия уже не 30—40%, а 70—80!
Если соединить много таких элементов в одну батарею, то можно получить достаточную мощность для вращения, например, какого-либо двигателя. Но у водородно-кислородного топливного элемента есть крупный недостаток: он может эффективно работать только на очень чистом водороде, который стоит дорого. Значит, и электроэнергия от такого элемента дорога. Поэтому-то вместо водорода нужно применять более дешёвое топливо. И оно было найдено. Например, использовался газ пропан и другие углеродистые газы. Теперь пробуют использовать воздух вместо кислорода: это значительно дешевле. И, наконец, самым дешёвым был бы элемент, работающий на природном газе и обычном воздухе.
Исследования продолжаются. Уже немало создано и успешно работают различные топливные элементы. Выдвигаются и совсем оригинальные идеи, например, создания так называемого биохимического топливного элемента. В нём к аноду подаются бактерии и питательная среда, а к катоду – кислород. Бактерии окисляют питательные вещества, а высвобождаемая энергия преобразуется непосредственно в электричество.
Кто знает, может, в недалёком будущем такие «живые» батареи найдут самое широкое применение, например, в дальних космических полётах!
Пока область применения топливных элементов ограничена: ведь они вырабатывают постоянный ток низкого напряжения и невелики по мощности. Но они непрерывно совершенствуются, область их применения растёт. Пока трудно сказать, смогут ли топливные элементы в недалёком будущем заменить обычные электростанции. Ясно одно: время, когда во многих областях техники источником энергии будет топливный элемент, – не за горами.
ИЗ ЗАПИСОК ЛЮБОЗНАТЕЛЬНОГО АРХИВАРИУСА
От пошлины свободно
В 1802 году французский физик Луи Гей-Люссак проводил в Париже научные опыты. Ему понадобилась стеклянная посуда, которую вырабатывали только на немецкой территории. Когда учёный её выписал, французская таможня наложила такую высокую пошлину, что он не мог выкупить посылку. Узнав об этом, немецкий учёный Александр фон Гумбольдт пришёл на помощь французскому. Он распорядился, чтобы отправители запечатывали пустые сосуды и наклеивали на них этикетки: «Образцы немецкого воздуха! Осторожно!» Французские таможенники не могли найти в списках облагаемых пошлиной такого предмета как воздух!
Когда вода крепче стали
Говорят, что вода мягкая, пока об неё не ударишься. А если очень сильно сжать воду, она становится крепче, чем сталь.
В баллон накачали воду под давлением в 500 атмосфер. На каждый квадратный сантиметр баллона давит сила в полтонны. Если сделать в баллоне маленькое отверстие, сжатая вода вырвется тонкой разящей струёй. Такая струя мгновенно пробьёт стальную пластинку, может вырезать нужной формы деталь в стальном листе.
Используя это свойство воды, делают специальные пушки-гидромониторы, которые «стреляют» струёй воды. Таким способом добывают уголь, режут мрамор и гранит.
Ю. Коптев
УДЕРЖИВАЕТ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Существует легенда, что гроб с прахом пророка Магомета долгое время висел в воздухе в специальной пещере. Его не поддерживали ни подпорки, ни верёвки – он удерживался только никому неведомыми сверхъестественными силами.
А вот другой рассказ. Его поведал древнеримский писатель Плиний, живший в первом столетии нашей эры. Он писал, что александрийский архитектор Хинократ задумал создать храм со сводом из магнитного камня, в котором железная фигура Арсинои (это в её честь воздвигался храм) парила бы в воздухе. Замысел был очень интересным, но, к сожалению, не осуществился – помешала смерть Хинократа.
Совсем недавно несколько молодых авторов представили на конкурс проекты памятников с использованием магнитных сводов. А вообще осуществимы ли эти проекты? Под силу ли сейчас технике заставить неподвижно висеть, не прикасаясь ни к чему, какой-либо предмет?
Кто из вас не проделывал различные фокусы с магнитом? Мы поднимали им гвоздики, бритвы, ножницы и много других металлических предметов, попавшихся нам на глаза. И всё же вряд ли кому удавалось заставить неподвижно висеть железный шарик или гвоздь на некотором расстоянии от магнита. Отчего?
Ответ на этот вопрос прост. Если какой-нибудь железный предмет неподвижно застыл в воздухе под магнитом, то это значит, что его вес в точности равен силе притяжения магнита. Но достаточно малейшего дуновения ветерка, достаточно, чтобы чуть-чуть дрогнул магнит, как равновесие нарушается, и железный предмет либо падает на пол, либо подскакивает и «прилипает» к магниту. Эти наблюдения привели к тому, что в 1842 году английский учёный Ирншоу в весьма солидном журнале «Записки Кембриджского университета» писал, что «магнитное тело, помещённое в поле, образованное постоянным магнитом или несколькими магнитами, не может находиться в состоянии устойчивого равновесия». Это заявление Ирншоу возводилось в ранг правила.
Всё, о чём мы пока говорили, относилось к магнитным телам (железо, никель, кобальт и т. д.), или, как их называют в научной литературе, ферромагнетикам. А как обстоит дело с немагнитными телами? Ну, здесь, кажется, всё обстоит просто, ведь на них магнитные силы не должны действовать. Но так ли это?
Оказалось, что наши представления о немагнитных телах совершенно неверны. Дело в том, что веществ, не взаимодействующих с магнитами, в природе просто не существует. Они все реагируют на их присутствие, но эта реакция настолько незначительна, что её долгое время никто не замечал. Сейчас в любом учебнике можно прочитать, что все вещества, ранее считавшиеся невзаимодействующими с магнитами, делятся на два больших класса: вещества, которые слабо притягиваются ими, – парамагнетики и вещества, которые так же слабо отталкиваются, – диамагнетики.
А теперь, после знакомства с основными терминами, которые нам ещё не раз понадобятся, перейдём к теме нашего рассказа.
Кто из вас не читал о необычных приключениях «сначала хирурга, а потом капитана нескольких кораблей» Лемюэля Гулливера?
Так вот, в одном из своих путешествий он рассказывает о «летающих островах».
Сейчас уже многие из тех вещей, о которых писал в «Путешествиях Гулливера» Джонатан Свифт, оказались не такими уж нелепыми. А некоторые из них были даже воплощены в жизнь. Вполне возможно, что когда-нибудь появятся и «летающие острова», правда, они будут наверняка не такими, какими представлял их себе Свифт. Нет нужды устанавливать магниты на алмазные опоры. Да и таинственная, находящаяся в недрах Земли «субстанция», от которой отталкиваются острова, окажется не такой уж таинственной.
Может быть, Свифт всё же «перегнул палку», ведь такие полёты нарушают правило Ирншоу?
«Нет правил без исключения», – гласит поговорка. А есть ли исключения из правила Ирншоу? Долгое время их не могли отыскать. Лишь в 1939 году немецкий учёный Браунбек доказал, что для диамагнитных тел это правило не подходит. За счёт сил отталкивания он заставил парить над сильным постоянным электромагнитом кусочек графита и кусочек висмута. Чем не «летающие острова»? Правда, они имели очень незначительный вес – всего несколько десятков миллиграммов, но начало было положено. Прошло несколько лет, и советский учёный, член-корреспондент Академии наук СССР В. К. Аркадьев, как сказали бы спортсмены, «побил этот рекорд».
Уже давно наблюдались удивительные вещи, которые происходят с некоторыми металлами и сплавами при температурах, близких к абсолютному нулю, то есть к —273°. У них совсем исчезает сопротивление электрическому току; наступает состояние, которое физики называют сверхпроводимостью. Если мы, например, возбудим ток в серебряном кольце и не будем его больше поддерживать, то уже через несколько десятых долей секунды он уменьшится практически до нуля. Совсем иное дело в сверхпроводниках. Там ток тоже затухает, но, как показали расчёты, до полного его исчезновения потребуется время, в миллиарды миллиардов раз превышающее время существования нашей галактики! И этим не исчерпываются чудесные свойства сверхпроводников: оказалось, что магнитное поле не проникает внутрь их, а только «омывает» снаружи, как вода корабль. Вот это-то свойство и предложил использовать Аркадьев. Раз сверхпроводник не пускает магнитное поле в себя, выталкивает его, то падающий магнит, удерживаемый невидимой подушкой из магнитных силовых линий, должен повиснуть над сверхпроводником. Аркадьев вычислил вес магнита и высоту, на которой он может парить. По расчётам выходило, что спокойно висеть может тело весом в целый грамм. Проделанные учёным опыты блестяще подтвердили это.
Но для таких экспериментов требовались сверхнизкие температуры. А нельзя ли такие же опыты провести при комнатной температуре, ведь тогда этот эффект свободного парения можно было бы применить в технике?
Возьмём металлическое кольцо и пропустим через него переменный электрический ток. Так как электрическое и магнитное поля связаны между собой и одно не может существовать без другого, то вокруг кольца сразу же появится магнитное поле. Теперь если мы поместим в это магнитное поле какой-либо металлический предмет, то в нём сразу же возникнет (индуцируется) электрический ток и магнитное поле. Оказывается, можно подобрать поля так, чтобы кольцо и внесённый в поле металлический предмет отталкивались друг от друга.
Такое отталкивание впервые получил в конце прошлого века изобретатель Элиу Томпсон. В катушку металлического провода он вставил сердечник – пучок железных проволочек, а на сердечник надел алюминиевое кольцо. Вот и всё. Теперь только стоило включить катушку в электрическую сеть, как кольцо мгновенно подскакивало и спрыгивало с сердечника.
До такого же простого устройства додумался и монтёр из Бельгии Башле. Работая с трансформаторами, он заметил, что алюминиевые предметы отталкиваются от них. Свой прибор Башле назвал «облегчающей электромагнитной катушкой». Хотя он не имел технического образования и не понимал физической сущности протекающих в устройстве процессов, но, будучи человеком практического ума, стал размышлять: к чему бы его применить? И скоро додумался: создать особый вид транспорта – железную дорогу без трения. По его мнению, эта дорога должна была выглядеть так: ряд металлических колонн-сердечников с укреплёнными на них катушками. Вагон, имеющий вид торпеды, изготовляется из алюминия. При выключенном токе он лежит на катушках, а при включении катушек в электрическую сеть повисает над ними. Перемещался бы вагончик при помощи бегущего электрического поля.
20 лет Башле работал над осуществлением своей идеи. И вот в 1910 году модель дороги была построена. Она демонстрировалась в Лондоне и произвела там фурор. Корреспонденты называли её «чудом XX века», о ней писали все газеты мира. И не удивительно, вагон весом в 50 килограммов развивал поистине фантастическую по тем временам скорость: до 50 километров в час. Были у этой дороги, конечно, и свои недостатки. Она потребляла много энергии, вагон, по причине, о которой мы расскажем ниже, разогревался, не обеспечивалась безопасность движения. Однако Башле не унывал. Он считал, что все эти недостатки можно преодолеть. Но началась первая мировая война, до новой дороги никому не было дела. О ней забыли.
На ином принципе работала дорога без трения, созданная в 1911—1913 годах в физической лаборатории Томского технологического института Б. П. Вейнбергом. Если Башле в своём проекте использовал отталкивание металлов от магнита, то наш соотечественник заставил работать притяжение. Железный вагон в опытах Вейнберга двигался в медной трубке, вдоль которой на некотором расстоянии друг от друга располагались электромагниты. Их сила была рассчитана так, что уравновешивала вес мчащегося в трубке вагона, и он всё время оставался между её «потолком» и «полом».
Но и эти эксперименты не привели к созданию дороги без машинистов и кондукторов. Однако небольшие её модели всё же были изготовлены. Одна из них до сих пор применяется на московском почтамте для транспортировки грузов.
Пока одни изобретатели пытались «подвесить» в магнитном поле вагончики безрельсовых дорог, другие старались заставить работать магнит в технических центрифугах, предназначенных для сушки материалов, разделения смесей на составляющие их элементы, для исследования материалов на прочность и ещё для многих, многих целей.
Допустим, нам надо высушить бельё. Загрузим его в барабан из сетки и начнём вращать барабан с большой скоростью. Под действием центробежных сил капельки воды через отверстия в сетке будут вылеётать с поверхности мокрого белья, и оно высохнет. Так же можно разделять и смеси. Если одно вещество смеси тяжелее другого, то оно быстрее осядет на стенку барабана (в этом случае она, конечно, сплошная), и его можно будет собрать. Все эти операции совершаются тем лучше, чем больше скорость центрифуг. Однако увеличить её мешало трение. Вот тогда-то и вспомнили о магнитной подвеске. А что, если заставить барабан центрифуги парить в воздухе? Но ведь и воздух тоже оказывает трение, хоть и маленькое. Значит, надо подвеску барабана производить в вакууме.
В 1937 году американец Холмс впервые воплотил эти идеи в жизнь, а уже через два года Франтишек Эйнгорн в Чехословакии довёл скорость вращения ротора центрифуги до 6 000 000 оборотов в минуту! Скорость частиц на поверхности его барабана достигала 9420 метров в секунду. Это на полторы тысячи метров в секунду больше первой космической скорости! И это не было пределом. Вскоре доктор Бимс из США довёл скорость своей «карусели» до 50 000 000 оборотов в минуту.
Но оставим это соревнование в скорости и посмотрим, где ещё может работать магнитное поле.
Уже давно было замечено, что кусок металла, помещённый в переменное магнитное поле, нагревается. (Именно поэтому и становился горячим вагон дороги, созданной Башле.) И чем выше частота поля, тем больше этот разогрев.
Помню, в детстве меня поразил в цирке такой фокус. На манеже был поставлен электрохолодильник. Вышел фокусник со сковородой и несколькими куриными яйцами. Держа сковородку над холодильником, он довольно быстро приготовил яичницу и с большим аппетитом съел её на глазах у зрителей. Не знаю, нравилось ли ему каждый день поедать яичницу, но зрителям этот фокус нравился. Тогда я был очень удивлён: как это можно на холодильнике жарить? И лишь позднее, прочитав учебник физики, убедился, что ничего таинственного или сложного здесь нет. Просто у фокусника в кожухе от холодильника был спрятан электромагнит. А если частоту переменного магнитного поля сделать довольно высокой, то выделяющегося тепла окажется вполне достаточно не только для того, чтобы поджарить яичницу, но и расплавить саму внесённую в поле сковородку. Стало мне понятно и то, почему фокусник с таким трудом удерживал, казалось бы небольшую и лёгкую, сковороду: её отталкивало от мнимого холодильника сильное магнитное поле.
Но не подумайте, что электромагнитное поле высокой частоты способно только показывать фокусы. Чтобы убедиться в этом, совершим экскурсию в ордена Ленина физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе Академии наук СССР, в лабораторию, которой уже много лет руководит Александр Александрович Фогель. Ваше внимание наверняка привлечёт постоянный магнитик, стоящий у него на столе. В поле этого магнитика висит крупинка графита; она мала, не больше спичечной головки, но это только начало удивительной выставки. В следующем приборчике два магнитных брусочка расположены между стоек так, что их одноимённые полюсы расположены друг над другом. Верхний брусок неподвижно висит над нижним, и если нажать на него пальцем, то можно почувствовать, как сильно сопротивляется магнитное поле, – кажется, что между брусками находится невидимая пружина. В таких условиях мог бы висеть и легендарный гроб Магомета.
И, наконец, вам покажут основной прибор: два медных кольца, расположенных одно над другим. Их диаметр не более десяти сантиметров. К кольцам подведён электрический ток. Здесь же лежат тяжёлые металлические шары. Возьмём один из них (только осторожно, не уроните его себе на ногу) и попробуем просунуть через верхнее кольцо, Оказывается, это не так-то просто сделать. Магнитное поле, точно тугая сетка, натянутая в кольце, не пускает шар. Но вот с огромным усилием вам всё же удаётся просунуть его через кольцо. Теперь не бойтесь, отпускайте руку, шар будет спокойно висеть в пространстве между кольцами – «индукторами», как их называют в научной литературе, – ему не даст упасть магнитное поле нижнего кольца. Форма индукторов подбирается так, чтобы магнитное поле не только поддерживало шар, но и не давало уходить ему в сторону. Создаётся нечто вроде гамака, в котором и покоится металлический шар.
А зачем нужно это устройство, неужели просто так, чтобы поразить воображение посетителей?
Сейчас в науке и технике всё большее применение находят редкие металлы, такие как тантал, титан, цирконий и другие. Сплавы, созданные на их основе, обладают очень нужными для промышленности и научных исследований свойствами. Например, титановые сплавы чрезвычайно тугоплавки. Но вот беда, изготовить их очень трудно. Сами редкие металлы плавятся при высоких температурах (более 2,5 тысячи градусов для молибдена и ещё на тысячу градусов выше для вольфрама). Вот и расплавь их! Для этого требуются специальные печи. Обладают они и ещё одним «нехорошим» свойством – чрезвычайной активностью. Попробуйте расплавить ниобий в тигле. К концу плавки его там и не останется, он химически соединится с материалом тигля, станет его частью. Чего только не пробовали учёные, какие огнеупорные вещества не использовали для изготовления тиглей, и всё напрасно. Правда, с помощью невероятных ухищрений учёным всё-таки удавалось получать нужные им материалы необходимой чистоты, но затраты на их производство были настолько велики, что даже мельчайшие их крупинки хранились в сейфах как настоящие драгоценности.
Как же быть, как сделать редкие металлы чистыми и дешёвыми? Очевидно, следовало проводить все операции так, чтобы металлы не соприкасались ни с чем, а следовательно, и не пачкались. Плавку требовалось проводить в пустоте. Вот здесь-то и помогло учёным парение металлов в переменном магнитном поле.
Кусочек металла помещается в специальной вакуумной камере между магнитами-индукторами. Здесь он и покоится всё время, пока индуктор подключён к высокочастотным генераторам. Но «подвесить» металл – это ещё полдела. То же самое магнитное поле, которое делает его невесомым, может и расплавить его. Увеличим частоту поля, и вот уже наш кусочек металла прямо на глазах начинает нагреваться. Через две-три минуты мы уже не можем смотреть на него без тёмных очков, так ослепительно сияет это маленькое солнце – его температура сейчас две-три тысячи градусов. Все примеси испаряются от этого нестерпимого жара. Плавка окончена; щелчок переключателя, и вскоре остывший металлический шарик чистейшего металла извлекается из установки.
