Рефераты по точным наукам

После Вольта природой электрического удара угря занялся Фарадей.

Он использовал два металлических электрода, один конец которых касался рыбы, а к другому были присоединены небольшие медные проводники, которые, в свою очередь, крепились к небольшому соленоиду проволочной спирали, внутри спирали помещалась железная проволока. Во время разряда угря соленоид создавал относительно сильное магнитное поле, которое намагничивало проволочку. По расположению магнитных полюсов проволочки Фарадей научился определять полярность напряжения рыбы.

"...Вчера в первый раз имел разговор на научную тему с профессором Резерфордом. Он был очень любезен: повел к себе в комнату, показывал приборы. В этом человеке, безусловно, есть что-то обаятельное, хотя порою он и груб."

(12 августа 21-го года)

"...Результаты, которые я получил, уже дают надежду на благополучный исход моих опытов. Резерфорд доволен, как передавал мне его ассистент. Это сказывается на его отношении ко мне. Когда он меня встречает, всегда говорит приветственные слова. Пригласил в это воскресенье пить чаи к себе, и я наблюдал его дома. Он очень мил и прост... Но... когда он недоволен, только держись, так обложит, что мое почтение.

Для изучения свойств альфа - частиц П. Л. Капица предложил помещать камеру Вильсона в магнитное поле. В нем траектория заряженной частицы искривляется, причем радиус искривления зависит от импульса частицы." (1 ноября 21-го года)

"Для меня сегодняшний день до известной степени исторический... Вот лежит фотография на ней только три искривленные линии полет альфа - частицы в магнитном поле страшной силы. Эти три линии стоили профессору Резерфорду 150 фунтов стерлингов, а мне и Эмилю Яновичу трех с половиной месяцев усиленной работы. Но вот они тут, и в университете о них все знают и говорят. Странно: всего три искривленные линии! Крокодил очень доволен этими тремя искривленными линиями. Правда, это только начало работы, но уже из этого первого снимка можно вывести целый ряд заключений, о которых прежде или совсем не подозревали, или же догадывались по косвенным фактам. Ко мне в комнату в лабораторию приходило много народу смотреть три искривленные линии, люди восхищались ими..." (29 ноября 1922-го года)

"Я эти дни был что-то вроде именинника, 2-го в субботу был прием у проф. Дж. Томсона по случаю приезда голландского физика Зеемана. Конечно, надо было напялить смокинг. Я говорил с Зееманом, и меня представляли примерно таким образом, что это, дескать, такой физик, который решает такие проблемы, которые считаются невозможными (для решения). И эти генералы меня трепали около 20 минут, пока я не ушмыгнул в угол... Сегодня Зееман и лорд Релей (сын) были у меня в лаборатории и смотрели мою работу..." (4 декабря 1922-го года)

В качестве такого источника сильного тока можно использовать устройства, способные дать мгновенный, мощный разряд, следующий за относительно продолжительным периодом зарядки, ведь любая обмотка не может мгновенно нагреться до температуры плавления даже под влиянием очень большого тока – обладает тепловой инерцией. Таких устройств довольно много: например, электрическая энергия, накопленная в конденсаторной батарее, работающей при разрядке практически в режиме короткого замыкания, магнитная энергия, накопленная в магнитном поле трансформатора.

Конденсаторы также оказались непригодными, поскольку в то время они были весьма несовершенны и громоздки.

П. Л. Капицей вместе с известным английским физиком П. М. С. Блэкеттом был без промедления проведен модельный эксперимент с использованием магнитного поля трансформатора. По расчетам Капицы, для получения магнитного поля 50 Тл понадобится трансформатор с малым числом витков на вторичной обмотке, с сердечником длиной 2...3 м и диаметром 30...40 см. Но такой эксперимент оказался неудачным, потому что быстро механически разорвать первичную цепь трансформатора оказалось почти невозможным, так как при разрыве появляется дуга, и энергия намагниченного железа, вместо того чтобы обрушиться лавиной во вторичную цепь, возвращается в первичную и выделяется в дуге.

Тогда П. Л. Капица обратился к аккумуляторным батареям, которые тоже пришлось специально конструировать. Было необходимо добиться, чтобы их собственная емкость и активное сопротивление были бы минимальными. Разряжая батарею на один из соленоидов с внутренним диаметром 1 мм, П.Л. Капица получил на 0,003 с (пока соленоид не разрушился) магнитное поле 50 Тл. С помощью новых аккумуляторных батарей при их коротком замыкании удалось мгновенно получить ток силой 7 тыс. А и мощностью 1000 кВт.

С молодым советским инженером, в то время работавшим в Англии П. Л. Капица познакомился в январе 1923 г. в Лондоне. Петр Леонидович предложил своим новым друзьям супругам Костенко вместе съездить в отпуск во Францию, помог им получить французские визы, и они вместе отпраздновали в Париже День взятия Бастилии.

Параметры необходимого генератора мастерски подобрал Костенко, получив максимально возможные для машины заданных габаритов всплески тока и соответствующие магнитные поля.

Капица ознакомил с проектом Резерфорда, который высоко оценил идею эксперимента и даже предположил возможность создания с помощью ударного генератора магнитных полей порядка 700 Тл (!), воздействовав, таким образом, на внутреннее поле атома и заставив все электроны вращаться в одной плоскости, сплющить атом.

П. Л. Капица и М. П. Костенко в качестве мощного источника решили использовать электрогенератор номинальной мощностью 2 тыс. кВт, который в режиме короткого замыкания не сгорал, как обычные генераторы, а выдавал без аварийных последствий в течение 0,01 с мощность 50 тыс. кВт.,который был построен фирмой Метрополитен Виккерс по расчетам М. П. Костенко, П. Л. Капицы и Майлса Уокера. Генератор приводился во вращение специальным электродвигателем, получавшим энергию от аккумуляторных батарей.

Большой момент инерции ротора позволял обойтись без специального маховика. Генератор давал переменный ток, что было очень существенно, поскольку большой ток короткого замыкания был нужен лишь на небольшой промежуток времени. Если бы генератор давал постоянный ток, то по прошествии 0,01 с этот постоянный ток громадной силы должен быть выключен, а это само по себе сложнейшая проблема.

Переменный ток, как известно, два раза в течение каждого периода сам проходит через нулевое значение, и выключить генератор, когда ток проходит нулевое значение, не представляет особого труда. Нужно только строго синхронизировать момент прохождения тока через нуль с моментами включения и выключения генератора на короткое замыкание. Сделать это абсолютно точно невозможно: момент выключения может совпадать с таким временем, когда ток в обмотке еще не равен нулю. Поэтому П. Л. Капице на всякий случай пришлось сконструировать выключатель на ток 5 тыс. А (амплитуда тока 30 тыс. А), отключающий цепь за 0,0001 с. Этот выключатель сам по себе подлинное произведение инженерного искусства. Масса ротора генератора составляла 2,5 т, диаметр его 50 см.

Катушка под влиянием мощных сил немного разматывалась, и концы ее отрывались от тех электровводов, через которые к катушке подавался ток. Катушка за катушкой погибали вследствие второстепенного явления уже после того, как были преодолены, казалось бы, все основные трудности. Устранение мелочей заняло несколько месяцев. Наконец решение было найдено. Капица создал обмотку, которая могла дышать, т.е. автоматически расширяться. Один из контактов был сделан подвижным и сам после нескольких испытаний занимал то положение, которое ему больше нравилось.

На соленоид обрушился колоссальный ток короткого замыкания генератора. Он представлял собой катушку из медной проволоки квадратного сечения. Позже медь была заменена сплавом меди с кадмием, обладающим большей механической прочностью при несколько повышенном электросопротивлении. Когда ток генератора проходил через катушку, в ней развивались грандиозные механические усилия, достигающие нескольких десятков тонн. Чтобы эти усилия не разорвали обмотку, она снаружи скреплялась прочной стальной лентой, воспринимающей усилия.

Магнитное поле существовало в соленоиде всего 0,01 с, и за это время все эксперименты надо было начать и закончить. Работу осложняли микроземлетрясения, происходящие при резком торможении генератора в тот момент, когда его обмотка замыкалась накоротко, которые искажали результаты измерений, несмотря на то, что генератор был установлен на массивном фундаменте, покоящемся на скальном основании на виброустойчивой подушке.

Чтобы решить эту проблему, П. Л. Капица расположил соленоид с объектом исследования в другом конце зала на расстоянии 20 м от генератора. Волна землетрясения, движущаяся со скоростью звука в данной среде, проходила 20 м за 0,01 с и достигала соленоида уже к тому времени, когда измерения проведены.

Эддингтону шутливо заявил: "работы П. Л. Капицы и Э. Резерфорда по расщеплению атома приводят к тому, что, хотя температура в глубинах звезд, быть может, равна миллионам градусов, эти глубины являются довольно прохладным местом по сравнению с Кавендишской лабораторией, потому что температура в обмотке, которая в момент короткого замыкания очень сильно повышается, а затем постепенно выравнивается, должна превышать температуру Солнца".

П. Л. Капица писал о своих опытах Резерфорду, находившемуся в то время в Каире следующее.

"Я пишу Вам это письмо в Каир, дабы рассказать, что мы уже сумели получить поля, превышающие 270 тыс., в цилиндрическом объеме диаметром 1 см и высотой 4,5 см. Мы не смогли пойти дальше, так как разорвалась катушка, и это произошло с оглушительным грохотом, который, несомненно, доставил бы Вам массу удовольствия, если бы Вы слышали его...

Но результатом взрыва был только шум, поскольку, кроме катушки, никакая аппаратура не претерпела разрушений. Катушка же не была усилена внешним ободом, каковой мы теперь намереваемся сделать.

...Я очень счастлив, что в общем все прошло хорошо, и отныне Вы можете с уверенностью считать, что 98 процентов денег были потрачены не впустую, и все работает исправно.

Авария явилась наиболее интересной частью эксперимента и окончательно укрепляет веру в успех, ибо теперь мы точно знаем, что происходит, когда катушка разрывается. Мы также знаем теперь, как выглядит дуга в 13 тыс. А. Очевидно, тут вообще нет ничего пагубного для аппаратуры и даже для экспериментаторов, если они держатся на достаточном расстоянии.

Со страшным нетерпением жажду увидеть Вас снова в лаборатории, чтобы в мельчайших деталях, иные из которых забавны, рассказать Вам об этой схватке с машинами". (Кембридж, 17 декабря 1925г)

В одной из своих статей П. Л. Капица указывал, что уже в то время (в 20-е годы) состояние техники позволяло сделать конденсаторные батареи, которые могли бы создать поле 200...300 Тл. Однако технические трудности оказались столь велики, что только лишь через 40 лет таким способом удалось получить поля, о которых говорил П. Л. Капица.

Планомерные исследования в магнитных полях до 32 Тл Капице удалось также провести c помощью импульсного генератора.

Поле импульсного генератора, занимавшее объем всего 2 см3, стало верхней границей уверенно получаемого магнитного поля. Вплоть до этой границы Капица совместно с другими учеными исследовал явления Зеемана и Пашена Бека, магнитосопротивление, магнитострикцию и другие эффекты.

Резерфорд поддержал предложения Капицы построить специальную лабораторию для исследований в сильных магнитных полях и при сверхнизких температурах и даже получил соответствующие средства. Решение вопроса сильно облегчалось тем, что авторитет Капицы в Кембридже уже был чрезвычайно высок - его избрали даже членом Лондонского Королевского общества, т.е. английским академиком.

Небольшое современное здание лаборатории имени Монда, директором которой был назначен П. Л. Капица, поднялось на древней кембриджской земле рядом со старыми корпусами колледжа, торжественное открытие которого состоялось в феврале 1933г. в присутствии премьер-министра Великобритании С. Болдуина и, разумеется, Э. Резерфорда.

"...в Кембридже была все же одна дорогостоящая лаборатория, оборудованная по последнему слову техники. Я имею в виду лабораторию русского физика Капицы, создавшего специальные мощные генераторы, которые замыкались накоротко, создавая токи огромной силы, пропускавшиеся по массивным проводам; провода шипели и трещали, как рассерженные змеи, а в окружающем пространстве возникало магнитное поле колоссальной силы... Капица был пионером в создании лабораторий-заводов с мощным оборудованием... Сейчас, в связи с созданием атомной бомбы и развитием исследований по физике атомного ядра, такие лаборатории стали совершенно обычными ": вспоминал Н. Винер.

Резерфорд был необычайно доволен и новым зданием, и его оборудованием, и особенно новым директором Монд - лаборатории.

Создание и работа в Институте физических проблем Академии наук СССР

Директором Монд - лаборатории П. Л. Капица пробыл недолго, потому что пришло время возвращаться на родину, где надо было налаживать научную работу в Москве создавать Институт физических проблем Академии наук СССР. Главными темами научных исследований этого института стали магнетизм и сверхнизкие температуры. Проблемы должны были решаться комплексно, с участием физиков-экспериментаторов и физиков-теоретиков. Капица думал о том, что их работа в рамках единого института будет способствовать общему прогрессу исследований. По его замыслу здесь должны были работать первоклассные ученые, полностью отдавшие себя научному творчеству.

Не имея ни сотрудников, ни научной школы, ни готовых кадров Капица приехал в Москву. А может, это и неплохо создавать новые направления и традиции. Формирование и обучение основного и вспомогательного состава сотрудников, образование его ядра заняло несколько лет. В институте культивировалось служение науке. Руководство его также должно было участвовать в научном процессе.

От проведения собственных исследований Капица отказываться не собирался, потому что "только когда работаешь в лаборатории сам, своими руками, проводишь эксперименты, пускай часто даже в самой рутинной их части, только при этом условии можно добиться настоящих результатов в науке",- писал он.

"Чужими руками хорошей работы не сделаешь. Человек, который отдает несколько десятков минут для того, чтобы руководить научной работой, не может быть большим ученым. Я, во всяком случае, не видел и не слышал о большом ученом, который бы так работал, и думаю, что этого вообще быть не может. Я уверен, что в тот момент, когда даже самый крупный ученый перестал работать сам в лаборатории, он не только прекращает свой рост, но и вообще перестает быть ученым. Наконец, институт укомплектован, в нем ведутся исследования... Мне кажется, цель достигнута, и институт можно считать не только одним из самых передовых в Советском Союзе, но и в Европе"- писал радостный Капица.

Кембриджские опыты на установке для получения сверхсильных магнитных полей кавендишцы, в одном из которых был зафиксирован новый рекорд, получено импульсное магнитное поле в 50 Тл, помогали продолжать механик Пирсон и лаборант Лауэрман.

Целью экспериментов был выяснить, насколько различные металлы могут противостоять механическим и тепловым воздействиям сверхсильных импульсных полей. Эксперименты показали, что ни один металл не может без разрушения выдержать усилия, возникающие в магнитном поле 100 Тл. Казалось бы, этим и будут ограничены успехи физики сверхсильных полей. Однако современными учеными, по-видимому, найден выход из этого затруднительного положения. Он заключается в применении бессиловых обмоток, где используются принципы наложения противоположно направленных сил.

Мировая наука остро нуждалась в сверхсильных магнитных полях. Физики циклотронной лаборатории Гарвардского университета, например, мечтали о полях хотя бы 20 Тл, которые могли бы заметно искривлять траектории частиц, попадающих в толстые фотоэмульсии. Они использовали конденсаторные батареи.

Внезапное высвобождение огромной энергии происходило с грохотом, напоминающим удар грома. Мощные конденсаторные батареи за 0,00001 смогли обеспечить получение электрической мощности 1 млн. кВт или 1 млрд. Вт (мощность Днепрогэса 600 тыс. кВт), удалось получить магнитное поле более 100 Тл. Вся эта лавина энергии загонялась в один-единственный массивный виток. Как показал П. Л. Капица, соленоиды обычного типа с намотанной на них медной проволокой, выживают лишь в полях до 30...35 Тл. Соленоиды биттеровского типа, изготовленные из медных дисков, оказались устойчивее, но и они выдерживали магнитные поля не выше 50...70 Тл. Соленоиды не в состоянии противодействовать огромным усилиям, возникающим в таких полях. Особенно слабым местом казалась межвитковая изоляция. Чтобы от нее избавиться, пришлось перейти на один-единственный массивный виток, который вместе с держателем изготовили из меди, закаленной стали или бериллиевой бронзы.

В опытах Капицы было разработано большое число бессиловых и малосиловых обмоток - последняя надежда физиков на получение устойчивых полей в неразрушающихся обмотках в том случае, если не будут открыты более прочные и тугоплавкие материалы.

Для создания полей 20...70 Тл сейчас широко используются Ссильные магнитные поля при разрядке мощных конденсаторных батарей на биттеровский соленоид, иногда запеченный для прочности в керамику, или на отдельный виток.

Представим себе разрезанную трубку с током, замкнутую металлическим поршнем со стороны разреза. Внутри трубки ток создает магнитное поле, характеризующееся густотой магнитных силовых линий, т.е. числом их, приходящимся на единицу площади сечения внутренней области трубки. Если поршень внезапно ввести во внутреннюю область трубки, внутреннее сечение трубки резко сократится. Так как число силовых линий, сцепленных с трубкой, мгновенно измениться не может, плотность их в уменьшившемся сечении столь же резко возрастет. Следовательно, возрастут и магнитная индукция, и напряженность магнитного поля.

Принцип концентрации потока свёлся к тому, что поле, относительно небольшой напряженности, создается сначала в большом объеме, затем сечение магнитного потока резко сокращают поле резко возрастает.

Используя идею Г. А. Бабата и М. С. Лозинского, Хауленд и Фонер создали концентратор без механического сокращения рабочей зоны магнита, выяснив, что, поместив внутри соленоида массивный виток с небольшим внутренним диаметром, можно также добиться эффекта концентрации: при импульсе тока во внешней обмотке в массивном витке наводятся вихревые токи, которые вытесняют магнитный поток к центральному отверстию массивного витка.

В то время как в соленоиде без массивного витка поле более 30...35 Тл получить весьма трудно, с помощью концентраторов было получено магнитное поле 45 Тл.

Сжимая замкнутый массивный виток, внутри которого есть магнитное поле, с помощью кумулятивного взрыва, можно добиться того, что плотность магнитного поля внутри суженного витка сильно возрастет потому, что магнитный поток, сцепленный с каким-то контуром, не может мгновенно изменяться. Эффект концентрации будет наиболее успешным в том случае, если схлопывание произвести с помощью взрывчатых веществ. К такому выводу можно прийти, рассматривая идею концентрации магнитного потока и понимая, что эффект концентрации тем выше, чем быстрее произойдет схлопывание зоны концентрации. Позже аналогичные эксперименты были реализованы и американскими физиками в Лос - Аламосской лаборатории.

На рис. 6 изображено устройство, использованное в советских экспериментах.

Металлическое кольцо-виток диаметром 7,5...10 см окружают 4...8 кг взрывчатки. Когда внешнее поле достигает максимума, взрывчатку подрывают и кольцо за 0,000001 с, т.е. со скоростью 4 км/с, сужается до 0,4 см. При помощи такого устройства, работающего на взрывном принципе, создаётся первоначальное магнитное поле 100 Тл.

Таким советскими физиками было замерено магнитное поле 2500 Тл, а американскими 1460 Тл - рекордное магнитное поле, которое было получено путем последовательного использования двух взрывных, или магнитокумулятивных, генераторов МК-1, МК-2. Генератор МК -2 использовался для создания запального поля, которое затем охлопывалось генератором МК-1.

Так как во время схлопывания диаметр кольца уменьшался настолько, что оно раздавливало датчик, с помощью которого производили измерения, дальнейшие измерения были невозможны, а весь процесс длился миллионные доли секунды.

Достигнутое поле, по мнению Сахарова не было предельным, потому что используя другие взрывчатые вещества, например ядерные заряды, можно получить магнитные поля, равные 10000 Тл. Такие поля существуют лишь в недрах планет и звезд.

Электромагнитные усилия, возникающие в мощных магнитных полях, используют для штамповки деталей, запрессовки проводящих элементов в изоляционные втулки и других технических целей. Сверхсильные магнитные поля, по-видимому, найдут применение в дальней космической радиосвязи, при изучении элементарных частиц и свойств плазмы, с помощью магнитного импульсного поля, например, наклепывают защитную металлическую трубку на стальной трос. Давление, развиваемое импульсным полем, настолько велико, что трубка придавливается к негладкой поверхности троса с такой плотностью, какую невозможно получить другим способом.

Сегодня реализовывается наиболее грандиозный и смелый проект использования импульсных полей в физических исследованиях проект, в котором предлагается применять крупный магнитокумулятивный генератор для получения заряженных частиц с колоссальной энергией.