Как электромагнит набирался сил?
Одно открытие порождает другое. Только успел Эрстед заметить связь между электричеством и магнетизмом, как в сентябре того же 1820 г. французский физик Д. Араго заметил, что проволока, по которой течет ток, притягивает железные опилки и намагничивает стальные иголки совсем как магнит. В лабораторию Араго как-то зашел А. М. Ампер – ученый, которого мы все знаем хотя бы по единице силы тока, названной в его честь. Ампер предложил свернуть проволоку в спираль, а иголку поместить внутрь спирали. Ученые тут же не медля осуществили эксперимент и были с лихвой вознаграждены за это – игла намагнитилась намного сильнее, чем раньше. Полученная спираль, или трубка, названная впоследствии соленоидом, теперь хорошо известна любому школьнику. Слово «соленоид» в переводе с греческого и означает – «трубкообразный», «в виде трубки». Но гений Ампера не остановился только на создании прибора. Уловив связь между магнитом и соленоидом, Ампер предположил, что внутри магнита существует огромное количество крошечных колец с током. Сейчас уже доподлинно известно, что идея Ампера была верной – роль колец с током играют электроны, вращающиеся вокруг ядер атомов (рис. 363).
Рис. 363. Соленоид и его аналогия в ферромагнетике
Началась новая эпоха в понимании многих физических явлений и процессов, где главные роли играли ток и магнит. И, пожалуй, эти два понятия нигде так тесно не проявляют свою связь, как в электромагните. Соленоид Ампера еще не был электромагнитом в прямом понимании этого слова – там отсутствовал железный сердечник, который и становился самым настоящим магнитом при пропускании тока по виткам проволоки. Сердечник этот во много раз усиливал действие соленоида, делал электромагнит значительно сильнее лучших природных магнитов.
А для того чтобы просто-напросто ввести сердечник в соленоид, понадобилось 5 лет, и открытие это сделал английский механик Вильям Стерджен (1783—1850) в 1825 г.
Биография Стерджена еще раз показывает, что творческий человек не пропадет, в каких бы условиях ни протекали его детство и юность. Такие примеры широко известны нам как среди писателей, художников, музыкантов, так и среди изобретателей и ученых.
Воспитанием маленького Вильяма никто не занимался. Отец его, довольно легкомысленный человек, только и делал, что удил рыбу и забавлялся петушиными боями. Начав было учиться сапожному ремеслу, Вильям вскоре сбежал от своего сурового учителя, который морил его голодом. Юноша работал в полиции, а затем служил в армии. Но во время службы он ухитрялся ставить несложные опыты по физике и химии.
Там же, в армии, произошло событие, оказавшее большое влияние на молодого солдата. Стерджен стал свидетелем необычайной по силе грозы. Огромные ослепительные молнии и грохочущий гром поразили его, и он решил заняться изучением электричества.
Но чтобы читать книги, нужно быть грамотным, и Стерджен начал упорно учиться чтению, письму и грамматике, постепенно осваивал математику, физику, языки, а кроме того, он чертил и с удовольствием ремонтировал часы. И все это в армии с ее дисциплиной, преимущественно по ночам!
Закончив службу в армии, молодой Стерджен купил токарный станок и стал изготовлять физические и электрические приборы. Это произошло в 1820 г., когда были сделаны великие открытия Эрстеда, Араго и Ампера. И 23 мая 1825 г. Стерджен представил Обществу искусств построенный им первый электромагнит.
Это был подковообразный стержень, покрытый для электроизоляции лаком, длиной 30 и диаметром 1,3 см. На этот стержень был намотан всего один слой голой медной проволоки, которая замыкалась на электрическую батарею (рис. 364). При массе 0,2 кг электромагнит Стерджена поднимал железный груз, почти в 20 раз тяжелее. Первый же электромагнит сразу оказался сильнее природных магнитов той же массы.
Рис. 364. Первые электромагниты Стерджена
Правление Общества искусств сумело оценить работу Стерджена. Он был награжден медалью и денежной премией, а прибор выставили в музее. Однако, несмотря на последующие выдающиеся достижения Стерджена, слава и успех так и не пришли к нему. Он умер в бедности и лишениях в 1850 г., причем не сохранилось даже портрета изобретателя первого электромагнита.
Долгое время, вплоть до 1840 г., электромагниты Стерджена были самыми сильными в мире. А потом вперед вышел ученик Стерджена, будущий великий физик Д. Джоуль. Повысив число полюсов электромагнита и рационально расположив их на грузе, он создает конструкцию, способную при собственной массе 5,5 кг поднимать 1,2 т! Важно при этом, чтобы полюса были парными и число их – четным.
Следует сказать, что не любое повышение числа полюсов выгодно. Так, например, «трехлапый» магнит (рис. 365, а) хуже обычного двухполюсного (рис. 365, б), потому что магнетизм каждого из стержней мешает другим. Невыгодно также один крупный магнит составлять из отдельно намотанных мелких.
Рис. 365. «Трехлапый» электромагнит (а) и двухполюсной электромагнит (б)
Электромагниты стали широко применять в промышленности для подъема тяжелых стальных грузов (рис. 366). В 1864 г. в Нью-Йорке построили электромагнит массой 260 кг, «который поднял семерых человек однажды, и сколько он еще может поднять, никто не знает».
Рис. 366. Грузовой электромагнит
Заметим, что электромагнит был не столь уж безопасным подъемным устройством. Стоило только току прекратиться, как электромагнит мгновенно терял силу, и страшный груз сваливался «с неба» на что и кого попало. А причин прекращения тока могло быть предостаточно – порвался провод, выбило предохранитель, случилась авария на станции и т. д. Поэтому в дальнейшем стали поступать иначе.
Витки проволоки стали навивать не на простое железо, а на намагниченный материал – постоянный магнит, причем так, чтобы при пропускании тока размагнитить его. Для подъема груза ток выключали, и постоянный магнит (а сейчас есть очень сильные постоянные магниты) притягивал стальные, железные и чугунные предметы, которые поднимали и переносили на место. А чтобы отпустить груз, подавали ток в витки, и магнит временно размагничивался – полюса постоянного магнита и обмотки соленоида были противоположными! Груз отцеплялся. Когда магниту не надо было работать, ток, конечно, выключали, отодвинув магнит от железных предметов подальше, например, подняв его в воздух.
Подъемные краны с таким магнитом стали значительно безопаснее, им уже не страшны перерывы в подаче тока.
В первой половине XX в. были построены электромагниты, поднимавшие грузы до 75 т. Казалось, что сила электромагнитов может расти бесконечно… Однако получилось так, что выгода от введения Стердженом железного стержня внутрь обмотки стала постепенно исчезать. Пока катушки были малы (вспомним однослойную навивку первого электромагнита), железо сильно увеличивало подъемную силу магнита. Но потом создатели электромагнитов заметили, что с повышением силы магнита его железо как бы насыщается и больше не помогает электромагниту. Начали строить магниты с короткими заостряющимися полюсами, массивным ярмом и огромными катушками, так как эти мероприятия, как оказалось, еще более увеличивали подъемную силу.
Можно, конечно, сделать количество железа в электромагните настолько большим, чтобы не доводить его до «перенасыщения». Американский изобретатель Эдисон, например, предложил построить самый крупный электромагнит в мире, обмотав проволокой скалу из магнитного железняка в американском городе Огдене, массой более чем 100 млн т!
К сожалению, этот смелый и остроумный проект не был осуществлен, иначе легенда о магнитной горе, вытаскивающей гвозди из кораблей, стала бы явью!