belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 132
Текст из файла (страница 132)
Необходимая для преодоления порога энергия черпается из гравитационного источника: силы тяготения сжимают звезду, увеличивают энергию Ферми электронов и «разгоняют» их до нужной энергии. Как сейчас предполагают, нейтронными звездами являются пульсары. 12.8. На пути к сильным магнитным полям Электромагнит появился лишь в Х1Х в. Было обнаружено, что железный сердечник увеличивает магнитное поле, создаваемое текущим по проводам током, и оказалось, что таким образом можно генерировать магнитное поле примерно до 1 Тл.
Это был первый успех в создании сильных магнитных полей. Следующий шаг был сделан в конце Х1Х в. англичанином Дж.А. Эвингом, который предложил конические полюсные наконечники для концентрации магнитного поля. Максимальное поле выросло примерно до 3,5 Тл значения, при котором наступает насыщение ферромагнитного металлического железа.
Это было важное открытие, однако оно показало, что железный сердечник становится бесполезным, когда хотят получить все более сильные поля. Пришлось вернуться к обычным катушкам, когда между электрическим током и создаваемым им магнитным полем существует линейная зависимость. В ХХ в.пионерские исследования в области получения сильных магнитных полей принадлежат П.Л. Капице. Работая в Англии у Э.
Резерфорда, он создал магнит с максимальным полем до 50 Тл. Спиральная катушка этого магнита преобразовывала запасенную в роторе электрогенератора механическую энергию в магнитную. Это был первый успех в получении сильных импульсных магнитных полей. К 1930 г. с помощью этого магнита было проведено много работ по исследованию поведения различных веществ в сильных магнитных полях. Был обнаружен, например, переход висмута из полуметаллического в металлическое состояние, который и поныне вызывает большой интерес.
В первой половине ХХ в. чемпионом гонки за получение сильных постоянных полей стал Ф. Биттер из США, который в 1930 — 40 гг, построил серию так называемых биттеровских магнитов. Главная идея биттеровского магнита состоит в том, что огромное количество выделяющегося в катушке джоулева тепла отводится обильным потоком чистой воды, протекающим непосредственно через многочисленные каналы в катушке.
В канале катушки диаметром около 5 см напряженность магнитного поля достигала 20 Тл. Для ее получения требовалась электрическая мощность в несколько мегаватт, а охлаждающая вода для вторичного контура теплообменника бралась из протекающей поблизости реки. 12.8. НА ПУТИ К СИЛЬНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЯМ После 1960 г. во всем мире получили распространение сверхпроводящие магниты. Конечно, их главяое достоинство отсутствие электрического сопротивления и, как следствие, выделения джоулева тепла. В наши дни биттеровскую катушку используют в гибридных магнитах, состоящих из наружного сверхпроводящего магнита и внутренней биттеровской катушки. Опи генерируют соответственно поля порядка 10 и 20 Тл.
Максимальное суммарное поле и гибридных магнитах достигает сейчас 50 Тл. Сверхпроводящий магнит очень полезен, но существует верхний предел создаваемого им поля. При магнитном поле выше критического сверхпроводимость разрушается, и этим определяются предельные характеристики сверхпроводящего магнита. Максимально достижимые с помощью сверхпроводящих магнитов поля в настоящее время лежат в окрестности 20 Тл, но, возможно, с помощью обмоток из высокотемпературных оксидных сверхпроводников их можно будет довести примерно до 50 Тл.
Одновремешю во второй половине ХХ в. развивалась и другая ветвь в создании магнитных полей . -- это получение сильных импульсных полей, как продолжение работ Капицы в этой области. Казалось бы, поскольку магнитное поле пропорционально электрическому току через катушку, сильное поле можно достичь, пропуская достаточно сильный ток. Однако при этом возникают две основные трудности: джоулево тепло и электромагнитные силы, создаваемые сильным электрическим током.
Первую трудность обычно обходят, используя импульсный режим, но вот действие электромагнитных сил на катушку магнита является неизбежным. Когда по катушке течет электрический ток, то результирующая сила стремится сдавить ее по оси и, соответственно, разорвать по радиусу. Величина этой силы пропорциональна квадрату напряженности поля и при 100 Тл давление примерно равно 400 кг/мм . Выполненная из стали или укрепленная стальным каркасом катушка не в состоянии сопротивляться ей, поскольку предел прочности стали порядка 100 кг/мм . Тем не менее, применение современных очень прочных 2 материалов и оптимизация геометрии катушек позволили достигнуть рубежа в 100 Тл.
К настоящему времени рекордом импульсных магнитных полей является поле в 107 Тл. После второй мировой войны возникла новая концепция получения сильных магнитных полей, а ее практическая разработка началась в 50-е годы. Ключевым здесь является понятие «сжатие потока», под которым подразумевается, что магнитный поток быстро сжимается либо с помощью химического взрыва (взрыва порохового заряда), либо электромагнитными методами. Практически это реализуется следу1ощим образом; внутри топкостшшого металлического цилиндра, называемого лайнером, создается магнитное поле, а затем лайнер быстро сжимается равномерно по диаметру, при этом магнитный поток внутри лайнера сохраняется, а магнитное поле возрастает.
Такие устройства получили название взрыномптитные генераторы (ВМГ). Первым в СССР выдвинул идею магнитной кумуляции А.Д. Сахаров в 1951 г. В 1965 г. в СССР было получено рекордное значение импульсного магнитного поля -. 25 МГс (2500 Тл). Независимо аналогичные разработки, были сделаны в СШ1. Сейчас ВМГ дают возможность получать величины удельной мощности и энергии соответственно 1 ТВт/мз и 10 МДж/мз, разрабатываются проекты на гигаджоулевый уровень магнитной энергии и максимальной мощности 10-100 ТВт. В настоящее время при длительности 488 Гл. Нь злключение импульса порядка нескольких микросекунд методом сжатия магнитного потока создаются магнитные поля величиной до 550 Тл.
Коэффициент сжатия поля (отношение В/Вв) достигает 90. Идея другого метода -- метода плазменного фокуса -- состоит в том, что в вакууме можно создать сильное магнитное поле с помощью сильното шой плазменной петли вокруг главного мощного пучка плазмы. Ожидаемые поля превышают 1000 Тл при длительности их существования порядка нескольких наносекунд. В настоящее время, однако, эта цель еще далека от реализации, и метод считается одним из возможных путей развития это области в следующем столетии.
Вещество, подвергающееся воздействию столь сильных магнитных полей, проявляет многие, не наблюдаемые в «обычных» условиях свойства. '1'ак, например, жидкий кислород представляет собой жидкость голубого цвета. Было обнаружено, что в сильном магнитном поле голубой цвет пропадает и жидкость становится прозрачной. Явление обесцвечивания кислорода нашло изящное объяснение: голубой цвет обусловлен поглощением красного света бимолекулами с нулевым суммарным спипом. Однако в сильном поле все спины выстраиваются параллельно, поглощение становится невозможным, и жидкость становится прозрачной. В настоящее время это единственный известный случай вызванного полем изменения цвета конденсированпого вещества.
Другой пример проявления необычных свойств веществ в сильном магнитном поле -- его влияние на органические и биологические молекулы. Если вещество находится не в сверхпроводящем состоянии, то диамагнетизм молекулы обычно мал и интересных физических и химических явлений здесь пе наблюдается. Однако в сильных магнитных полях диамагнитной энергией пренебрегать уже нельзя. Рассмотрим поведение молекулы бензола в магнитном поле.
В этом случае опа приобретает наведенный полем диамагнитный момент, поскольку в бензольном кольце течет ток диамагнитного экранирования. Величина этого момента максимальна, когда поле перпендикулярно плоскости кольца, следовательно, и энергия поля максимальна. Когда же поле параллельно плоскости кольца, то его энергия минимальна.
Когда диамагпитпо апизотроппые молекулы взаимодействуют между собой и ориентируют свои оси анизотропии в определенном направлении, суммарная анизотропия растет с ростом числа молекул. Некоторые примеры этого дают белки. В частности такие эксперименты были проведены с органическими макромолекулами фибрина, ответственного за свертывание крови и образование сгустка при заживлении ран. В этих молекулах диамагнитное упорядочение наблюдается уже при поле 1-2 Тл, а это означает, что макромолекула состои с из более чем 10~ атомов. Из обнаруженного упорядочения следует, что влияние магнитного поля на человеческий организм может быть вполне заметным и в пе очень сильных полях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
