Текст книги "Удивительная физика"

Что за подвеска – магнитная?

В 1939 г. немецкий ученый В. Браунбек доказал, что в принципе подвесить гроб Магомета возможно. Для этого лучше всего было бы изготовить его из графита, хотя годен деревянный, он и так диамагнитен. Но исполнить эту затею трудно: для подвешивания таких массивных предметов нужно магнитное поле чудовищной напряженности огромного объема.

Доктор Браунбек использовал для своих опытов электромагнит, иначе с помощью постоянных магнитов того времени он не смог бы получить такую высокую напряженность магнитного поля. Но электромагнит требовал постоянной подпитки током. С энергетической точки зрения получалось даже обидно – прожорливый электромагнит, способный поднимать тонны, поднимает миллиграммы.

В 1956 г. голландский ученый А. Боердик осуществил бесконтактный подвес, причем без расхода электроэнергии. Опыт Боерди-ка состоит в следующем: над полусферой из сильного диамагнетика – графита вертикально устанавливается цилиндрический постоянный магнит. А в зазор между ними помещают маленький, массой около 2 миллиграммов, магнитик в виде микроскопической шайбочки размером с булавочную головку. Магнитик намагничен так, что один торец его – Северный полюс, другой – Южный.

И магнитик повисает в этом зазоре (рис. 340).

Рис. 340. Опыт А. Боердика – подвес в поле постоянного магнита:

1 – полусфера из графита; 2 – большой магнит; 3 – маленький магнитик

Почему это происходит? С одной стороны, диамагнетик графит пытается оттолкнуть от себя магнитную шайбочку. Но шайбочка, даже если сил диамагнетика хватило для этого, все равно свалилась бы или повернулась набок. Диамагнетик и не рассчитывался на это – он просто оказывает посильную помощь магниту, чтобы только оторвать магнитную шайбочку от своей поверхности. К тому же магнит центрирует эту шайбочку, не дает ей повернуться набок или на ребро.

Сил магнитного притяжения недостаточно для того, чтобы оторвать предмет с какой-нибудь поверхности и молниеносно притянуть его к себе. Их хватает только на то, чтобы с помощью диамагнетика чуть-чуть приподнять шайбочку, после чего сила диамагнетического отталкивания графита резко уменьшится. Так и висит магнитная шайбочка, не будучи в состоянии ни упасть на графит, ни притянуться к полюсу магнита. Надо ли говорить, что парящий магнитик и большой магнит обращены друг к другу противоположными полюсами.

Чей подвес оказался лучше – Браунбека или Боердика? Трудно сказать. Тут приходит на ум очень точное сравнение этих подвесов с вертолетом и аэростатом. Который из них лучше использовать для подъема груза? Вертолет, держа груз, постоянно расходует энергию на вращение винта – это похоже на подвес Браунбека. Аэростат не расходует на это энергии, но гораздо больше вертолета, а если такого же размера, то и поднимает намного меньше груза – это подвес Боердика.

А что если использовать некую комбинацию вертолета и аэростата, т. е. построить магнитный дирижабль? Такую попытку сделал немецкий ученый Е. Штейнгровер, и его магнитная подвеска была буквально геркулесом по сравнению с подвесками Браунбека и Боердика. Подвеска Штейнгровера, использующая свойства как ферромагнетиков, так и диамагнетиков, позволила подвесить диск в точном электроприборе массой целых 50 г! Это в 1 000 раз больше, чем удавалось раньше.

Основную тяжесть в подвеске Штейнгровера «держит» постоянный кольцеобразный магнит, который центрует маленькие цилиндрические магнитики и тянет их вверх. Но так как такое положение неустойчиво (вспомним запрет Ирншоу!), то ось диска, на которую насажены эти стерженьки, тут же должна выскочить вверх или вниз. Изобретатель так и сконструировал ее, чтобы она чуть-чуть стремилась вниз. Но тут ось поддерживает диамагнитный подшипник в виде графитного кольца, отталкивающегося от сильного постоянного магнита. И отталкивание-то невелико – всего 0,04 Н, но этого хватает, чтобы сделать магнитный подвес устойчивым (рис. 341).

Рис. 341. Подвеска Е. Штейнгровера:

1 – постоянный кольцеобразный магнит; 2 – цилиндриче ские магниты; 3 – подвешиваемый диск; 4 – графитовое кольцо; 5 – нижний магнит

Вот к каким ухищрениям надо было прибегнуть, чтобы подвесить без какого-нибудь контакта с другими предметами деталь массой всего 50 г!

О большем, казалось, можно только мечтать. Однако несколько лет назад, судя по сообщениям газет, ученые из Ноттин-гемского университета в Англии поместили живую лягушку в настолько мощное магнитное поле, что та, как обычный диамагнетик, начала парить в воздухе!

Опыты начались с твердых диамагнетиков – висмута, сурьмы, продолжились на жидких – ацетоне, пропаноле и дошли до живых растений и животных – лягушек и рыб. А осенью 1997 г. опять же, судя по сообщениям газет, в японском городе Осака открылся первый в мире аттракцион по левитации для животных. Домашним животным удается парить на

высоте до 17 м. Говорят, что им летать очень нравится. По-видимому, сильное магнитное поле не наносит им вреда, по крайней мере сиюминутного.

Помещать людей в столь сильное магнитное поле не решаются – исследования по воздействию таких полей на живые организмы пока не завершены. Магнитные поля, используемые для левитации живых существ, необыкновенно сильны – в тысячи раз сильнее создаваемых обычными постоянными магнитами и на много порядков сильнее, чем поле земного магнетизма, где эти существа привыкли жить.

Ну а гробу Магомета эти магнитные поля не навредят, и поэтому его левитация совершенно не исключается!

Бывает ли подвеска «горячей»?

А теперь поговорим о горячей подвеске. Тут дело, конечно же, не в нагревании. Если мы просто будем нагревать груз или удерживающую его в подвешенном состоянии обмотку, то мало чего добьемся. Эффект нагревания здесь получается как бы сам по себе; это побочный эффект.

История горячей подвески восходит к 90-м годам XIX в., когда американский изобретатель Элиу Томпсон продемонстрировал свой знаменитый опыт. Суть опыта состояла вот в чем. На цилиндрический электромагнит с сердечником из железных проволочек изобретатель надел алюминиевое кольцо, а затем подключил к обмотке переменный ток достаточно высокой частоты. При этом кольцо взмыло вверх над сердечником и улетело в сторону (рис. 342). Какая же сила подбросила кольцо вверх?

Рис. 342. Опыт Э. Томпсона:

1 – штепсельная вилка; 2 – алюминиевое кольцо; 3 – электромагнит

При изменении направления тока в обмотке электромагнита меняется его полярность, а стало быть, резко изменяется как по величине, так и по знаку магнитная индукция в сердечнике. Если поместить такой электромагнит вблизи замкнутой обмотки из проводника, в ней возникнет индукционный (наведенный) ток. Он, в свою очередь, создает свое собственное магнитное поле, противодействующее магнитному полю электромагнита.

А алюминиевое кольцо – та же самая обмотка, только из одного витка.

И электромагнит стремится поскорее вытолкнуть магнитное поле кольца из своего собственного, а вместе с ним и само кольцо. Что и получилось в опыте Э. Томпсона.

При этом переменный ток совсем не так уж необходим. Индукционный ток можно вызвать движением проводника возле полюса магнита. Например, в электросчетчиках алюминиевый диск, вращаясь между полюсов сильного магнита, тормозится из-за индукционных (вихревых) токов, возникающих в диске.

Опыт с диском можно представить как напоминающий опыт Э. Томпсона. Раскрутим медный или алюминиевый волчок и приблизим к нему сбоку достаточно сильный магнит (рис. 343, а). Волчок тут же отодвинется от магнита и будет упрямо уклоняться от него, откуда бы мы ни подносили магнит. Более того, отталкивание магнитных полей магнита и индуцированного тока может существенно превысить силу притяжения магнитом ферромагнитного тела, хотя бы того же волчка. Если мы достаточно сильно раскрутим уже не алюминиевый, а железный волчок, то при высокой частоте вращения он будет отталкиваться от магнита, а при малой – притягиваться к нему. Замечено, что металлический маховик, вращающийся над магнитом, как бы теряет в весе (рис. 343, б).

А теперь о побочном эффекте нагревания подвешиваемых тел в такой подвеске.

На Всемирной выставке в Нью-Йорке в 1939 г. в павильоне «Чудеса техники» была показана эта удивительная горячая подвеска сковороды, тогда еще просто игрушка. Частота тока была всего 60 Гц – обычная промышленная частота тока в США (у нас в стране – 50 Гц), диаметр сковороды – 300 мм. Автор хоть и не был на этой выставке, так как родился как раз в год ее открытия, но установку такую видел и даже убедился, что взвешенная сковорода нагревается индукционным током. Такую установку автор видел в 50-х гг. ХХ в. у нас в стране в… цирке. Да, да, ее с успехом демонстрировал в цирке артист по фамилии Сокол, причем алюминиевая сковорода была самой обычной, только без ручки, а электромагнит был встроен в верхнюю часть… холодильника.

Эффект был поразительный: на сковороде, висящей в воздухе над холодильником (рис. 344), жарили яичницу и даже угощали ею зрителей! А потом эта игрушка стала работать в технике, причем оказалась очень перспективной. Сейчас с ней связывают будущее металлургии специальных сплавов. Дело в том, что при плавке некоторых металлов и сплавов недопустимо их соприкосновение с тиглем, в котором их обычно плавят, поэтому плавка в подвешенном состоянии оказалась поистине находкой при производстве таких сплавов, например сверхчистых или агрессивных, вступающих в реакцию с тиглем.

Установка для плавки металлов в подвешенном состоянии появилась впервые в 1952 г. и выглядела несколько иначе, чем описанная игрушка. Обмотки выполнены в виде верхней плоской и нижней воронкообразной катушек, питаемых током звуковой частоты – около 10 000 Гц. На нижнюю катушку помещали кусочек металла, который необходимо было расплавить, и включали ток. Металл всплывал между катушками и начинал разогреваться (рис. 345). Расплавившись, он принимал форму волчка и опускался. Расплавленный металл можно было, уменьшив ток, охладить, а затем дальнейшим уменьшением тока положить уже в твердом состоянии на нижнюю катушку.

Так плавили алюминий, титан, серебро, золото, индий, олово и другие металлы, причем в атмосфере инертных газов, водорода и в вакууме. Особенно полезна такая плавка для титана, который в расплавленном состоянии легко входит в реакцию с материалом тигля.

Рис. 345. Парение расплавленного металла в электромагнитном поле

Какие это поезда – летающие?

Летающие поезда считаются транспортом XXI в., работы над ними ведутся во всех развитых в техническом отношении странах. А все начиналось в 1910 г., когда бельгиец Э. Башле – простой рабочий-монтер, не получивший никакого специального образования, построил первую в мире модель летающего поезда и испытал ее. Э. Башле упорно работал над осуществлением своей идеи почти 20 лет. Конечно, для перевозки пассажиров его модель была мала, но все-таки произвела ошеломляющее впечатление на современников. Еще бы – 50-килограммовый сигарообразный вагон летающего поезда разгонялся до неслыханной тогда скорости – свыше 500 км/ч!

Магнитная дорога Башле представляла собой цепочку металлических столбиков с укрепленными на их вершинах катушками. Пока тока в этих катушках не было, вагон лежал на них неподвижно. Но после включения тока вагончик приподнимался над катушками и повисал в воздухе. Теперь его мог сдвинуть с места даже ребенок. Но толкать этот вагончик было не нужно – он разгонялся сам, тем же магнитным полем, на котором подвешен.

Летающий вагон Э. Башле вызвал сенсацию во всем мире, его называли чудом XX в. Во Франции решили применять вагончики Э. Башле вместо популярной тогда пневматической городской почты, в Англии собирались строить натурный образец дороги Э. Башле с крупными вагонами. Но потом работы прекратились, и о сенсационных когда-то проектах забыли.

Практически одновременно с Башле – в 1911 г. – профессор Томского технологического института Б. Вейнберг разрабатывает гораздо более экономичную подвеску летающего поезда. В отличие от Э. Башле Вейнберг предлагал не отталкивать дорогу и вагоны друг от друга, что чревато громадными затратами энергии, а притягивать их друг к другу обычными электромагнитами. Разумеется, дорога должна быть расположена сверху от вагона, чтобы своим притяжением компенсировать силу тяжести поезда.

Однако любой магнит, в том числе и электрический, если уж, притягивая, стронул тело с места, то обязательно притянет его к себе до соприкосновения. К счастью, электромагнит можно вовремя выключить, и тело остановится на любом, заранее заданном расстоянии от него.

Но летящий поезд Вейнберга был устроен хитрее. Железный вагон первоначально располагался не точно под электромагнитом, а несколько позади него. При этом электромагниты подвешивались на «потолке» дороги на всей ее длине с некоторым интервалом между ними.

Пуская ток в первый электромагнит, мы вызывали и подъем железного вагончика, и продвижение его вперед, по направлению к магниту. Но за мгновение до того, как вагончик должен был прикоснуться к электромагниту и прилипнуть к нему, ток выключался, и вагончик, продолжая лететь вперед из-за набранной им скорости, начинал снижать высоту. Тут включался следующий электромагнит, и вагончик, попадая в его магнитное поле, опять поднимался вверх, увеличивая скорость движения вперед. Так по волнообразной траектории вагончик «перебегал» от магнита к магниту, не касаясь их (рис. 346).

Рис. 346. Подвеска летающего вагона Б. Вейнберга: 1 – электромагниты; 2 – вагон

Профессор Вейнберг оказался дальновиднее Башле и в другом. Зная о большом сопротивлении воздуха при движении любого тела, в том числе и вагона, с высокими скоростями, изобретатель поместил свой вагон в немагнитную – медную трубу, из которой откачал воздух. И если Башле для снижения сопротивления воздуха, придал своему вагончику сигарообразную обтекаемую форму то для Б. Вейнберга обтекаемость вагончика была ни к чему. Так как внутри трубы воздуха практически не было, отсутствовало и сопротивление, – вагончик имел форму обычного цилиндра. К верхней части трубы крепились электромагниты, которые разгоняли вагончик Б. Вейнберга до скорости 800 км/ч! С такой скоростью летели только снаряды крупнокалиберных короткоствольных пушек – мортир и минометов. Конечно, еще экономичнее было бы использовать вместо электромагнитов сильные постоянные магниты, но вот беда – их нельзя выключать! Поезд неизбежно притянулся бы к потолку и прилип к нему.

Тут в самый раз вспомнить, что наука, техника множество раз вновь и вновь обращалась к старым, казалось бы, уже отжившим решениям. Не зря говорится, что новое – это хорошо забытое старое. Все это в полной мере применимо и к подвесу летающих поездов. Если не хотите, чтобы магнит прилипал к магниту, измените полярность одного из них – и они будут отталкиваться (рис. 347)!

Рис. 347. Отталкивание одноименных полюсов магнитов и есть принцип магнитной подвески

Вот и пришли специалисты по подвесу летающих поездов снова к идее Башле, но вместо электромагнитов переменного тока применили обычные постоянные магниты. Дорогу, над которой должен быть подвешен поезд, вымостили магнитами так, чтобы они были обращены вверх одноименными полюсами. Днище вагона тоже было покрыто магнитами, обращенными вниз также одноименными полюсами, но так, чтобы вагон отталкивался от дороги (рис. 348).

Рис. 348. Вагон, подвешенный на постоянных магнитах:

1 – скользун; 2 – вагон; 3 – магнит вагона; 4 – магнит дороги

Здесь следует соблюдать по меньшей мере два условия: магниты должны быть достаточно сильны, чтобы поднимать вагон над дорогой, а кроме того, вагон не должен сваливаться набок – ведь подвеска на постоянных магнитах, как мы знаем по запрету Ирншоу, нестабильна.

Считается, что при скоростях свыше 500 км/ч обычные колеса применять уже опасно. Специальные колеса из сверхпрочных и легких материалов допускают кратковременное двойное увеличение скорости, например на рекордных гоночных ракетных автомобилях. Но это очень ненадежные колеса, и именно из-за их поломок чаще всего случаются аварии.

Между тем для испытания ракет на земле сплошь и рядом применяют салазки-скользуны, скользящие по направляющим рельсам. Выдерживают они скорость в несколько раз большую, чем скорость звука, правда, при больших потерях энергии – как-никак приходится нести на себе всю тяжесть испытуемых устройств. Скользуны же, предохраняющие вагон на магнитной дороге от падения набок, практически не несут никаких нагрузок, поэтому расход энергии и износ в них ничтожны.

Вернемся к вопросу, – хватит ли сил постоянных магнитов для поддерживания вагона над дорогой. Во времена Гильберта вряд ли получилось бы построить такую дорогу. Но с тех пор возможности постоянных магнитов существенно выросли.

В начале XX в. для постоянных магнитов стали применять хромистые, вольфрамовые и кобальтовые стали, а в 30-х гг. – специальные магнитные сплавы, позволяющие получить очень сильные магниты. Причем совершенно не обязательно, чтобы компоненты этих сплавов были ферромагнетиками. Кажется парадоксальным, но, например, сплав Гейслера, состоящий из двух парамагнетиков (марганца и алюминия) и одного диамагнетика (меди), – сильный ферромагнетик. Или удивительный сплав – сильманал. Он также не содержит ни одного ферромагнетика: марганец, серебро и алюминий. Сильманал дает очень сильные постоянные магниты, причем в отличие от большинства из них он не хрупок. Магниты из сильманала можно обработать на станках, прокатывать из него ленту, изготовлять проволоку.

Но наиболее практичный магнитный сплав – это альнико, состоящий из алюминия, никеля и кобальта, из него и сейчас делают много постоянных магнитов. В 50-е гг. XX в. были получены дешевые и легкие магниты на основе ферритов бария – материала дешевого и очень распространенного в России.

Существуют, правда, магниты – чемпионы по своим свойствам, но они очень дороги. Например, сплав платины с кобальтом позволит получить магнит, способный поднять железный груз, в 2 000 раз больше собственного веса.

Однако более перспективны недавно появившиеся постоянные магниты из редкоземельных материалов самария, неодима и празеодима в их сплаве с кобальтом и железом. Магниты из редкоземельных элементов, например самарий-кобальтовые, обладая силой, не меньшей, чем платино-кобальтовые магниты, гораздо дешевле их. Современные цены на эти магниты всего в несколько раз больше, чем на заурядные, но во сколько раз они сильнее последних!

Но не будем пока ориентироваться на эти перспективные магниты. Даже дешевые ферриты, которыми вымощена одна из действующих магнитных дорог, при зазоре между магнитами в 10 мм позволяют получить подъемную силу в 12,3 кН на каждый квадратный метр замощенной площади пути. Масса же самих магнитов, например, для 100-местного вагона, рассчитанного на скорость 450 км/ч, составила 18 % от общей массы вагона. Достоинство такой магнитной дороги – простота и отсутствие затрат энергии на подвешивание поезда.

Если же говорить о перспективах, скорость, большую, чем 500 км/ч, мешает развить только сопротивление воздуха. Выход из этого положения один – тот, которым воспользовался профессор Вейнберг. Поместив летающий поезд в трубу или тоннель, из которого выкачан воздух, можно получить не только сверхзвуковую, но и космическую скорость. А вакуума в трубе бояться не следует: сегодняшние герметичные самолеты летают в атмосфере, мало отличающейся по разрежению от той, что в трубе для поезда на магнитной подушке. Перспективный проект дороги «Планетран», которая должна соединить восточное и западное побережья США, предусматривает поезд на магнитной подвеске в вакуумной трубе-тоннеле. Скорость поезда 22 500 км/ч, что почти равно первой космической скорости!

Удобно так быстро передвигаться, особенно в такой большой стране, как Россия. Заметим, что ни на каком летательном аппарате, кроме космической ракеты, такую скорость развить нельзя. А в вакуумной трубе – пожалуйста. И никаких затрат топлива с окислителем не понадобится – поезд в трубе будет разгоняться бегущим магнитным полем, как в электромоторах, о чем будет еще рассказано. А огромную кинетическую энергию, которую накопит этот поезд, можно будет отобрать от него таким же образом, только на режиме торможения. Совсем как в лифтах: при подъеме груза потенциальная энергия накапливается, а при спуске она через посредство электромотора отдается обратно в сеть.

Позвольте, а ведь такой поезд мог бы служить отличным накопителем энергии глобального масштаба! Ведь каждый килограмм массы, движущейся со скоростью 8 км/с накапливает энергию в 32 МДж, или почти 10 кВт·ч. Это неслыханно большая удельная энергоемкость накопителя. А при массе поезда, например 106 кг, что является средним показателем, он накопит почти 10 млн кВт·ч энергии. Накопленная энергия такого порядка могла бы существенно улучшить энергосистему не только крупной страны, но и целого мира. В одной части земли – день, в другой – ночь. Накопленная энергия могла бы подаваться в ту часть мира, где она нужнее всего. Если ориентироваться на солнечную энергию, то избыток ее в той части мира, где светло, тоже надо бы накопить в расчете на пасмурную погоду или ночь. В развитых странах мира стоимость электроэнергии ночью гораздо меньше, чем днем, а накопитель мог бы эту стоимость сбалансировать.

Одна беда – пришел поезд на конечный пункт, и хочешь не хочешь – выделяй всю накопленную энергию для остановки! Но этого можно не делать, если замкнуть такую скоростную дорогу в кольцо. Расчеты показывают, что для этого совсем не обязательно тянуть дорогу через весь земной шар, хотя это было бы лучше всего. Автор подсчитал, что вполне хватило бы, по крайней мере для нужд всей страны, кольцевой дороги размером с Московскую кольцевую автодорогу (длиной 100 км). При этом и сам поезд должен быть замкнут в кольцо, а размеры «вагонов» по сечению могут быть всего 1×1 м. Естественно, труба, где будут «летать» такие энергонакопляющие поезда, как и в системе «Планетран», – вакуумная, а подвеска – магнитная. Автор оформил проект такого «сверхнакопителя» как российское изобретение, может быть, когда-нибудь в будущем пригодится. Опять же русские будут и здесь первыми.

А если не говорить о глобальных проектах, то магнитная подвеска может уже сегодня помочь в качестве опор-подшипников крупных маховиков (опять же накопителей!), турбин и аналогичных тяжелых вращающихся деталей. Чем же плохи здесь обычные подшипники? Да тем, что, во-первых, они требуют смазки и ухода, что в вакууме, например, затруднительно. Во-вторых, долговечность их оставляет желать лучшего. А в-третьих, – потери энергии на вращение, которые, кстати, идут на разрушение этих же подшипников.

Магнитная подвеска, основанная на обыкновенных постоянных магнитах, с центровкой на миниатюрных, почти не нагруженных подшипниках (чтобы не потерять устойчивость по Ирншоу!), способна обеспечить следующие «рекордные» показатели:

– долговечность – десятки лет почти без обслуживания;

– малые потери энергии на вращение;

– высокие частоты вращения, недоступные обычным подшипникам.

Схема такой магнитной подвески представлена на рис. 349. Для того чтобы минимизировать потери и массу магнитов, они сгруппированы вокруг центра в столбик или батарею. Применен также ряд хитростей, составляющих изобретение, а именно использованы в качестве активных элементов корпусные детали подвески, которые ранее были просто балластом. Кроме того, достигнута оптимальная – пологая – зависимость подъемной силы от вертикальных перемещений. То есть, если подъемная сила подвески равна 15 кН, то она не изменится при изменении зазора между магнитами – от погрешности сборки или теплового расширения.

Такая подвеска, имеющая рекордно малые показатели по отношению массы магнита к массе подвешиваемого груза (менее 0,5 %), разработана автором для одной из германских энергетических фирм и изготовлена на специализированном московском предприятии. Грузоподъемность 15 кН (масса маховика – 1,5 т); магниты на основе состава «железо – неодим – бор» достаточно недорогие.

В настоящее время созданы настолько сильные постоянные магниты и настолько «умные» системы подвеса, что в ближайшее время следует ожидать в технике широкого применения магнитных подшипников вместо обычных.

Рис. 349. Магнитная подвеска маховика в виде «батареи» магнитов:

1 – маховик; 2 – неподвижный магнит; 3 – подвижный магнит