Текст книги "Удивительная физика"

Возможен ли магнитный «вечный двигатель»?

С магнитами связаны многочисленные проекты «вечных двигателей», которые оказалось довольно трудно разоблачить.

В хронологическом порядке это выглядит так. Еще в XIII в. средневековый исследователь магнитов Пьер Перигрин де Марикур утверждал, что если магнитный камень обточить в виде правильного шара и направить его полюсами точно по оси мира, то такой шар завертится и будет вертеться вечно.

Сам де Марикур такого опыта не делал, хотя магнитные шары у него были, и другие эксперименты он с ними проделывал. Видимо, он считал, что сам недостаточно точно изготовил шар либо направил его полюсами не по оси мира. Но он настойчиво советовал читателям изготовить и опробовать магнитный вечный двигатель, добавляя: «Если выйдет, вы насладитесь, если нет – вините свое малое искусство!»

У этого же автора имеется описание еще одного «вечного двигателя» – зубчатого колеса с зубьями из стали и серебра через один. Если поднести к этому колесу магнит, утверждал де Марикур, колесо придет во вращение. Здесь де Марикур был очень близок к постройке хоть и не вечного, но по крайней мере теплового, двигателя, который в то время несомненно сочли бы за «вечный». Но об этом после, а пока о «настоящих» «вечных двигателях».

Любителей изготовлять магнитные «вечные двигатели» было великое множество. Английский епископ Джон Вилькенс в XVII в. даже получил официальное подтверждение изобретения им «вечного двигателя», но от этого последний не заработал. На рис. 331 показан принцип его действия. По мысли автора, стальной шарик, притягиваемый магнитом, поднимается по верхней наклонной плоскости, но, не достигнув магнита, проваливается в отверстие и катится по нижнему лотку. Скатившись, он снова попадает на прежний свой путь и так вечно продолжает свое движение.

На самом деле все выходило иначе. Если магнит был силен, то шарик не проваливался в отверстие, а перескакивал через него и прилипал к магниту. Если магнит был слаб, то шарик останавливался на полдороге на нижнем лотке, либо не сходил с нижней точки вообще. А вот «вечный двигатель», который построил сам автор в детстве, и был очень удивлен, когда тот не заработал.

В круглую пластмассовую коробочку, посаженную на спицу, как колесо на ось, помещался стальной шарик. Спереди нужно было поднести магнит, и коробочка-колесо должна была завертеться на спице (рис. 332). Еще бы: шарик притягивался магнитом, поднимался по стенке коробочки, как белка в колесе, как та же белка начинал, падая вниз, крутить колесо. Однако колесо вертеться не хотело. Как выяснилось, шарик под действием магнита поднимался, прижимаясь к стенке коробки, и падать вниз не собирался.

Рис. 331. Магнитный «вечный двигатель» Д. Вилькенса

Рис. 332. «Вечный двигатель» с магнитом и шариком: 1 – пластмассовая коробка; 2 – магнит; 3 – стальной шарик

Но существуют и реальные магнитные двигатели, которые с первого взгляда похожи на вечные.

Еще сам Гильберт заметил, что если железо сильно нагреть, то оно совершенно перестает притягиваться магнитом. Сейчас температуру, при которой железо, сталь или сплавы теряют магнитные свойства, называют точкой Кюри, по имени физика Пьера Кюри, объяснившего это явление. Если бы эти магнитные свойства не терялись, то раскаленные болванки в кузницах можно было бы переносить магнитами, что очень заманчиво.

Но это свойство позволило создать так называемую магнитную мельницу, или карусель. Подвесим на нити деревянный диск или поставим его на стальную иглу подобно стрелке компаса. Затем воткнем в него несколько спиц и приставим сбоку полюс сильного магнита (рис. 333). Чем не зубчатое колесо де Марикура? Разумеется, как и то колесо, наша мельница вращаться не будет, пока мы не нагреем соседнюю с магнитом спицу в пламени горелки и легким толчком не сообщим вращение. Нагретая спица уже не притягивается к магниту, а следующая стремится к нему, пока не попадет в пламя горелки. А пока нагретая спица пройдет полный круг, она остынет и снова притянется магнитом.

Рис. 333. Магнитная карусель: 1 – стальные спицы; 2 – магнит; 3 – пламя

Чем не вечный двигатель? А тем, что на вращение его уходит энергия горелки. Стало быть, этот двигатель не вечный, а тепловой, в принципе такой же, как на автомобилях и тепловозах.

Работающие на этом же принципе магнитные качели легко построить и самому. Небольшой железный предмет подвесим на проволоке к вершине стойки качелей. Легче всего взять длинный кусок железной проволоки и скатать ее конец в небольшой комочек. Затем на небольшую подставку положим магнит, направленный одним полюсом вбок. Будем придвигать подставку с магнитом к подвешенному железному комочку, пока он не притянется к магниту.

Рис. 334. Магнитные качели: 1 – магнит; 2 – комок железной проволоки; 3 – пламя

Теперь подставим под качели спиртовку, свечу или другую горелку так, чтобы комочек оказался над самым пламенем (рис. 334). Через некоторое время, нагревшись до точки Кюри, он отпадет от магнита. Раскачиваясь в воздухе, он снова охладится и опять притянется к полюсу магнита. Получатся интересные качели, которые будут раскачиваться до тех пор, пока мы не уберем горелку.

Комочек, скатанный из проволоки, хорош для опыта тем, что он и нагревается, и охлаждается быстрее, чем, например, цельный стальной шарик. Поэтому и раскачиваться такие качели будут чаще, чем с шариком на нити.

В практике этот принцип иногда используют для автоматической закалки мелких стальных предметов, например игл. Холодные иголки висят, притянутые магнитом, и нагреваются. Как только они нагреются до точки Кюри, то перестают притягиваться и падают в закалочную ванну.

Обычное железо имеет достаточно высокую точку Кюри: 753 °С, но сейчас получены сплавы, для которых точка Кюри ненамного превышает комнатную температуру. Нагретый солнечным теплом, такой материал, особенно окрашенный в темный цвет, уже немагнитен. А в тени магнитные свойства восстанавливаются, и материал снова может притягиваться. Например, у металла гадолиния точка Кюри всего 20 °С.

Изобретатель и журналист А. Пресняков создал на этом принципе двигатель, непрерывно качающий воду в жаркой пустыне. Солнце сполна обеспечивает его своей энергией. Построена даже тележка, автоматически двигающаяся навстречу Солнцу и даже электролампе (рис. 335). Такие двигатели, работающие на чистой и даровой энергии Солнца, очень перспективны, особенно при освоении Луны и других планет. Чем не «вечные двигатели», о которых мечтал де Марикур?

Рис. 335. Тележка А. Преснякова: 1 – магнит; 2 – обод из материала с низкой точкой Кюри

Летает ли гроб Магомета?

История с гробом пророка Магомета, летающим, или, точнее, левитирующим, в магнитной пещере, будоражит умы ученых уже не один век.

По-видимому, первым поведал миру о странном парящем гробе Магомета сам великий Гильберт – отец магнетизма. В своей книге «О магнитах…», изданной в 1600 г., он ссылается на некого Маттиола, который «…приводит рассказ о часовне Магомета со сводом из магнитов и пишет, что это необычайное явление (железный сундук, висящий в воздухе) поражает толпу, как некое божественное чудо».

Еще в 1574 г. итальянец Джиоламо Фракостро в своей книге «О симпатии» писал: «…кусочек железа повисает в воздухе, так что не может двинуться ни вверх, ни вниз в том случае, когда наверху будет помещен магнит, который в состоянии с одинаковой мощностью тянуть железо вверх настолько же, насколько железо устремляется вниз. Железо как будто бы укрепляется в воздухе».

Гильберт разоблачает это утверждение Фракостро. «Это нелепо, – пишет Гильберт, – так как более близкая магнитная сила является всегда более мощной. Вследствие того, что сила магнита ненамного поднимает железо от земли, оно должно непрерывно возбуждаться магнитом (если нет никаких преград) и приставать к нему».

То есть не может идти и речи о каком-нибудь устойчивом положении подвешенного в магнитном поле кусочке железа.

Интересно, что еще до Гильберта в невозможности этого убедился итальянец Порта. В своей книге с экзотическим названием «Натуральная магия», вышедшей в 1589 г., Порта, отчаявшись заставить магнит парить под куском железа, пишет: «Но я говорю, что это может быть сделано, потому, что я теперь это сделал, чтобы удерживать магнит на почти невидимой нити, дабы он висел в воздухе: только так, чтобы к нему была привязана небольшая нитка внизу, дабы он не мог подняться выше».

Рис. 336. Опыт с электромагнитом

Этот интересный опыт часто проделывают школьники, заставляя висеть иголку на нитке «вверх ногами» под магнитом. Этот эффектный опыт повторила одна немецкая фирма, производящая электромагниты. На цепи к полу был прикован тяжелый железный шар, рвущийся в небеса. По цепи к шару даже поднимается рабочий – и шар продолжает висеть (рис. 336). Но хитрость в том, что над шаром укреплен подъемный электромагнит, притягивающий его так сильно, что шар не падает, несмотря на большой воздушный зазор между ним и магнитом. Между тем зазор очень уменьшает подъемную силу магнита – даже листок бумаги, подложенный между полюсами школьного подковообразного магнита и притягиваемым куском железа, уменьшает силу притяжения вдвое.

Естественно, Гильберт опроверг слухи о свободном парении сундука в часовне Магомета. Но в 1647 г. в книге немецкого ученого-иезуита Афанасия Кирхера «О магните» уже появляется парящий в воздухе гроб – «Гроб Магомета магнитною силою держится в воздухе».

Но самое удивительное, что великий ученый, математик и физик Леонард Эйлер тоже поверил в возможность свободного магнитного подвешивания железных предметов! В его книге «Письма о разных физических и филозофических материях, писанные к некоторой немецкой принцессе Академии наук членом, астрономом и профессором», выдержавшей свыше сорока изданий, переведенной на десять иностранных языков, говорится: «Повествуют, будто гробницу Магомета держит сила некоторого магнита; это кажется не невозможным, потому что есть магниты, искусством сделанные, которые поднимают до ста фунтов». Выходит, Эйлер не сомневался даже в возможностях создания магнитов с большой подъемной силой. Вопрос, задержится ли поднятое тело в точке равновесия или упадет в ту или другую сторону, как карандаш, поставленный на острие, остался без внимания ученого.

Книга Эйлера была написана в 1774 г., а только в 1842 г. профессор С. Ирншоу в «Записках Кембриджского университета» опубликовал статью «Природа молекулярных сил», где доказал, что ферромагнитное тело, расположенное в поле постоянных магнитов, не может находиться в состоянии устойчивого равновесия. То есть Ирншоу сделал с помощью математики то, что Гильберт выразил словами, – наложил запрет на свободное парение магнитов и металлов, притягиваемых ими. И никакой комбинацией магнитов и железных кусков невозможно подвесить ни те ни другие так, чтобы они не касались никаких других тел.

Что же касается пресловутого гроба Магомета, то неужели нельзя было поехать туда, в город Медину на Аравийском полуострове, и посетить легендарную гробницу – Хиджру, как ее называют мусульмане, которая расположена в мечети Харам, и воочию убедиться, парит ли в воздухе этот гроб?

Нет, оказывается, это было совсем не просто. Многие путешественники поплатились жизнью за свое любопытство. Фанатичные паломники тут же убивали всякого «неверного», проникшего в Медину. В начале XIX в. в Медину с этой целью отправился некий Буркгардт, которому посчастливилось увидеть мечеть Харам. Ему за большие деньги удалось заглянуть в небольшое окошко и посмотреть на гробницу. Но в окне он увидел только… занавес. Загадка не была разрешена.

Наконец в 1853 г. в Медину по заданию Лондонского географического общества отправился храбрый английский офицер Ричард Бартон. Он был переодет в халат паломника и хорошо осведомлен, как необходимо вести себя в соответствующих ситуациях, чтобы в нем не узнали европейца. Несколько раз Бартон был на грани разоблачения, но в результате все прошло удачно, и он оказался первым среди европейцев, которому удалось проникнуть в святая святых мусульман – мечеть Харам, осмотреть знаменитую гробницу и живым вернуться домой.

А вскоре, в 1854 г. вышла книга Бартона «Описание путешествия в Мекку и Медину», где была подробно описана гробница Магомета. Она представляла собой обыкновенный склеп, в котором были не один, а целых три гроба – Магомета и его двух родственников. Гробы эти были отнюдь не железные (или хрустальные, по другим легендам), а обыкновенные, деревянные, хотя и богато украшенные. И об огромном магните, поддерживающем их, конечно, не могло быть и речи.

Как писал об этом русский журнал «Библиотека для чтения», «так исчезают рассказы, похожие на басни „Тысячи и одной ночи“, едва только представляется возможность проверить их наблюдением». Золотые слова!

Какой магнетизм продольный, а какой – поперечный?

В 1939 г. немецкий ученый доктор В. Браунбек совершил настоящее чудо, подвесив в постоянном магнитном поле крошечные тела. Причем тела эти парили в воздухе, ни к чему не прикасаясь, точно как мифический гроб Магомета (рис. 337). Но об этих телах надо поговорить особо, так как они были изготовлены их веществ, которые вплоть до ХХ в. считались немагнитными.

Рис. 337. Схема опыта В. Браунбека: 1 – кусочек висмута; 2 – полюса электромагнита

Мы знаем, что магнит притягивает железные предметы. Кроме железа, притягиваются также близкие к нему металлы – никель и кобальт. Такие металлы называют ферромагнетиками. Если нагреть эти металлы до точки Кюри, то они перестают притягиваться к магниту, – это было известно еще Гильберту. Но если быть точным, то они продолжают притягиваться, только в сотни тысяч раз слабее. Эти металлы становятся парамагнетиками. Например, металл гадолиний становится ферромагнетиком только при температуре ниже 16 °С, а выше он парамагнетик. Точка Кюри для него наступает при комнатной температуре. Парамагнетиков достаточно много. Это металлы магний, кальций, алюминий, хром, марганец, газ кислород и многие другие.

Но гораздо больше, оказывается, других веществ – диамагнетиков, которые магнитом… отталкиваются. Правда, это отталкивание диамагнетиков очень слабо, и его заметить трудно.

Еще в 1778 г. малоизвестный ученый Антон Бругманс положил кусочек металла висмута в маленький бумажный кораблик, поставил его на воду и поднес к нему магнит. И вопреки здравому смыслу того времени кораблик стал уплывать от магнита. Этот результат был так необычен, что ученые не стали даже проверять его, а просто не поверили Бругмансу. Слишком велик был авторитет Гильберта, утверждавшего, что не может быть тел, отталкивающихся от магнита.

Удивительное дело, сколько неприятностей может повлечь за собой авторитет ученого! Даже в простых вещах, где здравый смысл просто подсказывает проверить мнение авторитета, люди предпочитают верить этому мнению и не проверять его.

Так, Аристотель утверждал, что у мухи четыре ноги, а у женщин зубов во рту больше, чем у мужчин. И почти 1 500 лет после Аристотеля никто не потрудился поймать муху и сосчитать число ее ног или подсчитать число зубов во рту у своей жены. А чего стоит совет древних ученых, как с помощью чеснока или бриллиантов уменьшить силу магнитов! Нужен был громадный авторитет Гильберта, чтобы опровергнуть это устоявшееся, но в корне неверное мнение. Но тот же Гильберт пишет: «Плиний, выдающийся человек… списал у других сказку, ставшую в новое время, благодаря частым пересказам, общеизвестной: в Индии, у реки Инда, есть две горы; природа одной, состоящей из магнита, такова, что она задерживает всякое железо; другая, состоящая из феамеда, отталкивает железо. Так, если в обуви имеются железные гвозди, то нет возможности оторвать подошв от одной из этих гор, а на другую нет возможности ступить. Альберт Великий пишет, что в его время был найден магнит, который одной своей стороной притягивал железо, а другой, противоположной, отталкивал его».

Сказание о неком камне феамеде, заимствованное у Плиния, часто встречается в средневековых книгах. У того же Плиния можно прочесть: «Говорят, что существует другая гора в Эфиопии, и недалеко от названной выше Зимири (магнитной горы), которая порождена камнем феамедом, не выносящим железа, выбрасывающим его и отталкивающим от себя».

И на это все – категоричное мнение Гильберта: «Я полагаю, что не существует никакого феамеда, обладающего силой, противоположной силе магнита».

Возможно, древние заметили, что некоторые вещества, в том числе и графит, сильнейший диамагнетик и широко распространенный материал в природе, отталкиваются магнитом. Кто мог помешать кому-нибудь еще в античные времена провести нехитрый опыт Бругманса, положив на плавающую пробку или дощечку кусок графита? Вот и было бы дано начало учению о диамагнетиках, которое и легло в основу легенд о феамеде.

Результатом же авторитетного высказывания Гильберта было то, что Бругмансу никто не поверил. Правда, позже его опыты повторил французский ученый Анри Беккерель (дед знаменитого Анри Бекке-реля, открывшего радиоактивность урана) и пришел, естественно, к тому же результату. Мало-помалу ученые склонились в мысли, что висмут все-таки отталкивается магнитом, но это исключение из правил. Мнение, что только три металла – железо, никель и кобальт притягиваются к магниту, а все остальные вещества безразличны к нему, господствовало в науке вплоть до 1845 г. Потому что именно в этом году великий английский ученый Майкл Фарадей (1791—1867) установил, что нет в природе веществ, полностью безразличных к магниту. Фарадей верил, что природные силы едины и магнитные свойства присущи всем существующим в природе веществам.

Чтобы выявить даже ничтожную способность тел притягиваться или отталкиваться магнитом, Фарадей подвешивал эти тела на тонкой длинной нити между полюсами мощного электромагнита. Чем длиннее была нить, тем меньше требовалось силы, чтобы отклонить – притянуть или оттолкнуть – тело. Ведь при отклонении подвешенного тела оно движется по дуге и чутъ-чутъ поднимается. Сила притяжения Земли стремится возвратить тело в исходное, наиболее низкое положение и препятствует отклонению. Но чем нить длиннее, тем меньше кривизна дуги и тем меньше требуется усилия, чтобы ее отклонить. Каким бы тяжелым ни был груз, хоть в сотни тонн, если он подвешен на длинном канате, рабочие-монтажники легко отклоняют его руками, точно нацеливая на место приземления.

Таким методом Фарадей проверил тысячи веществ и убедился, что абсолютно все исследуемые тела различным образом, в разной мере, но реагируют на магнитное поле. Несколько металлов и сплавов – ферромагнетики – сильно притягиваются магнитом. Большее количество веществ, которые Фарадей назвал парамагнетиками, притягиваются, а огромное количество веществ – все остальные вещества, кроме ферромагнетиков и парамагнетиков, – отталкиваются магнитом. Их Фарадей назвал диамагнетиками.

Слова «парамагнетики» и «диамагнетики» отличаются приставками «пара» и «диа». Эти приставки по-гречески означают «вдоль» и «поперек». Если взять стерженьки из парамагнетика и диамагнетика, подвесить их на нити или поставить на иглу, и внести в поле между двух полюсов магнита, то поведут они себя по-разному. Парамагнитный, как и ферромагнитный, стерженек, концы которого притягиваются к полюсам магнита, расположится вдоль силовых линий поля – от полюса к полюсу (рис. 338, а). Диамагнитный же стерженек, концы которого при приближении к полюсу магнита приобретают ту же полярность, будет стремиться занять такое положение, чтобы концы были подальше от любых полюсов магнита, т. е. перпендикулярно силовым линиям магнитного поля (рис. 338, б). Отсюда и названия этих магнетиков. Число диамагнетиков огромно, оно, безусловно, больше списка, который составил Фарадей на основании своих опытов: «Иод, воск, гуммиарабик, слоновая кость, баранина вяленая, говядина вяленая, говядина свежая, кровь свежая, кровь высушенная, хлеб, китайская тушь, берлинский фарфор, шелковичный червь, древесный уголь… этот список можно перечислять очень долго. Даже сам человек – тоже диамагнетик».

Рис. 338. Положение парамагнитного (а) и диамагнитного (б) стерженьков между полюсами магнитов

«Если бы можно было подвесить человека на достаточно чувствительный подвес, – писал Фарадей, – и поместить в магнитное поле, то он расположился бы поперек силовых линий, так как все вещества, из которых он составлен, включая кровь, обладают этим свойством».

Чтобы подчеркнуть, насколько всеобъемлющ диамагнетизм, говорят, что все вещества в природе – диамагнетики; как исключение из правила встречаются парамагнетики, и совсем уж редко – ферромагнетики. А ведь все время считалось, что магнитными свойствами обладают только эти «редчайшие» ферромагнетики!

Рис. 339. Пламя свечи «выталкивается» из магнитного поля

Но ведь Гильберт не мог не знать, что пламя свечи отталкивается от полюса магнита, выталкивается из магнитного поля, так как продукты сгорания диамагнитны (рис. 339). К тому же Гильберт часто помещал куски железа и магниты на плавающую пробку и наблюдал их притяжение, отталкивание одноименных полюсов, ориентировку магнита на полюса Земли. Что стоило ему, заподозрив отталкивание каких-то веществ, находящихся в составе пламени, от магнита, поместить копоть, сажу или даже кусок свечки на пробковый плотик и поднести к нему сильный магнит? Это нужно было бы сделать хотя бы для того, чтобы убедиться в невозможности феамедов. Тысячи и тысячи разнообразных опытов провел Гильберт, а этого опыта не стал проводить, потому что не видел в нем смысла, будучи заранее убежденным, что веществ, отталкиваемых магнитом, не может быть. А зря!

Возвращаясь к рукотворному «гробу Магомета» доктора В. Браунбека, нужно заметить, что подвешены в магнитном поле были именно диамагнетики – висмут и графит. Первый весил 8 миллиграммов, а второй – 75. Напряженность магнитного поля между полюсами магнита составляла 23 000 эрстед, что очень много.