Магнит за три тысячелетия
Владимир КАРЦЕВ

Рукотворные магниты
В этой главе, начинающейся историей флюгера Оксфордского собора, говорится о тех магнитах, которые сделаны людьми с помощью других магнитов.

Из железа изготовляют множество чрезвычайно полезных вещей. Так, англичанин Вильям Гильберт четыре столетия назад писал:

«Иное железо пригодно для панцирей, иное против выстрелов метательных орудий, иное против мечей и против стали кривых сабель (обычно называемой «цементированной сталью»); одно служит для мечей, другое нужно для лошадиных копыт. Из него делаются гвозди, крюки, задвижки, пилы, ключи, решетки, двери, створки, лопаты, палочки, подпорки, рыболовные и прочие крючки, трезубцы, горшки, треножники, наковальни, молоты, клинья, цепи, ручные и ножные оковы, кирки, сечки, серпы, корзинки, заступы, мотыги, струги, грабли, сошники, вилы, чаши, чашечки, ложечки, ложки, вертелы, ножи, кинжалы, мечи, секиры, копья, дротики, пики, обоюдоострые мечи, якори и множество нужных для мореходства предметов; кроме того, ядра, короткие копья, шины, панцири, шлемы, нагрудники, конские подковы, ножи, проволоки, струны для музыкантов, кресла, опускные решетки, луки, баллисты и гибельные для человеческого рода бомбарды, пули и пушечные ядра и бесконечное множество неизвестных латинянам орудий».

К этому очень полному списку нужно, по-видимому, добавить, по крайней мере, еще один важнейший пункт – из железа делают магниты.

Говорят, настоятель Оксфордского собора никак не мог взять в толк, что от него хочет этот знаменитый Фарадей. Он пришел просить, чтобы ему отдали на исследование железную палку флюгера собора.

– И зачем вам такая старая проржавевшая палка? Того и гляди, флюгер-петух свалится с нее! Ведь она стоит на верхушке собора, наверное, уже лет триста!

– Вот и отлично, – так, надо полагать, ответил Фарадей, – нам как раз и нужна эта заржавевшая развалина. Проследите, пожалуйста, только за тем, чтобы, пока ее снимают и спускают вниз, не меняли бы ее вертикального положения!

Когда палку сняли и поставили вертикально во дворе собора, Фарадей с помощником поднесли поочередно к ее верхнему и нижнему концам компас. Палка флюгера оказалась слабым магнитом – ее нижний конец был южным полюсом, верхний – северным.

Еще раньше, задолго до этих событий, Гильберт заметил, что все железные колонны, стоящие вертикально в Ирландии, сами по себе становятся магнитами, причем нижний их конец всегда южный.

Путешественники, побывавшие в Австралии, рассказывали, что там происходит то же самое – железные колонны всегда становятся магнитами. Только южный полюс у них – наверху.

Точно так же, расположив железный стержень в направлении север – юг, можно заметить, что стержень намагничивается: конец, обращенный к югу, приобретает северную полярность, и наоборот.

Стальные корпуса кораблей, стоящих на стапелях, во время постройки приобретают намагниченность за счет магнитного поля Земли и становятся таким образом гигантскими плавающими магнитами.

Естественные магниты вытачивали из кусков магнитного железняка, и они достигали подчас довольно значительных размеров. По сей день в Тартусском университете находится самый крупный известный естественный магнит. Его масса 13 кг, а подъемная сила 40 кг (в арматуре).

Такие магниты в медной оправе с железными накладками в изобилии выпускались уральскими заводами. Их использовали горные офицеры, моряки, изготовители компасов, исследователи. Такие магниты заказывали и богатые любители курьезов. Обычно оправой магнитов служила красиво отделанная медная коробка, наверху крепилась подвижная ручка, снизу подвешивалось «ярмо» с фигурно вырезанной рамкой и крючком для подвески груза. Эти магниты поднимали груз, превышающий по массе сам магнит раз в десять.

Один из самых сильных естественных магнитов был, по преданию, у Ньютона – в его перстень был вставлен магнит, поднимавший предметы, масса которых была в 50 (!) раз больше массы самого магнита.

Искусственные магниты, полученные методом натирания, стали изготовлять в Англии еще в XVIII веке. При изготовлении магнитов не все сорта железа вели себя одинаково – в одном случае быстро получали желаемый результат, в другом – намагниченность была ничтожной. Легконамагничивающиеся вещества, как правило, так же легко и размагничиваются (чистое железо); труднонамагничивающиеся вещества (сталь) остаются сильнонамагниченными и после удаления внешнего магнитного поля. Первые вещества обычно называют магнитомягкими, вторые – магнитожесткими.

В конце прошлого века заметили, что добавка к железу 3% вольфрама примерно в 3 раза улучшает свойства искусственных магнитов. Добавка кобальта улучшает свойства еще в 3 раза.

Лучшим предвоенным магнитным сплавом был сплав альнико на базе алюминия, никеля и кобальта. С помощью магнитов из альнико можно было поднимать железные предметы массой, в 500 раз превышающей массу самого магнита. При измененной технологии (при спекании порошкообразного альнико) удалось поднять предмет, масса которого превосходила массу магнита в 4450 раз.

Еще более сильные магниты изготовляют из сплава магнико, в состав которого входят железо, кобальт, никель и некоторые другие добавки. Созданные на основе этого сплава «порошковые» магниты могут поднимать груз железа массой, более чем в 5000 раз превышающей их собственную.

Еще более сильными являются так называемые оксидно-бариевые магниты.

Неисчислимы примеры применения магнитных материалов. Постоянные магниты являются очень важной частью многих устройств, применяемых в нашей повседневной жизни. Их можно встретить в головке звукоснимателя, в громкоговорителе, электрогитаре, электрогенераторе автомобиля, в небольших моторчиках магнитофонов, в радиомикрофоне, электросчетчиках и прочих устройствах. Изготовляют даже «магнитные челюсти», т.е. сильно намагниченные стальные челюсти, взаимно отталкивающиеся и вследствие этого не нуждающиеся в креплениях. Магниты широко применяют и в современной науке. Магнитные материалы нужны для работы в СВЧ-диапазонах, для магнитозаписи и воспроизведения, создания магнитных запоминающих устройств. Магнитострикционные преобразователи позволяют определять глубину моря. Без магнитометров с высокочувствительными магнитными элементами трудно обойтись, если нужно измерить ничтожно слабые магнитные поля, сколь угодно изощренно распределенные в пространстве. Магнитная дефектоскопия – это самостоятельный раздел теории и практики, позволяющий отыскивать поры, каверны, включения в металлических слитках, изделиях разного размера. Магнитные измерения уже давно взяты на вооружение отделов технического контроля многих предприятий.

Магнитожесткие материалы производятся особой отраслью металлургии, где используются наиболее современные способы плавки и контроля качества. Исходные материалы попадают в мельницы с атмосферой инертных газов, порошки смешиваются, прессуются чудовищно большими давлениями при одновременном наложении громадных магнитных полей, которые ориентируют домены для усиления их действия.

Сплав ЮНКД-ЗБТ, например, кроме железа содержит алюминий (Ю), никель (Н), кобальт (К), медь (Д), титан (Т). Пропорции подобраны таким образом, чтобы слитки разной формы обладали наибольшей магнитной индукцией, их структуру можно по заказу делать то однородной, то анизотропной, в ней проращиваются в заданном направлении игольчатые кристаллы, тепловые и электромагнитные волны помогают металлофизикам варьировать свойства заготовок, добиваясь объемного распределения их качеств.

В итоге удается создать магниты с весьма высокой подъемной силой. Сплав кобальта с редкоземельными элементами позволяет, например, поднять груз 200 г на 1 г массы магнита.

Самый большой в мире постоянный магнит весит 2 т. С его помощью создается магнитное поле интенсивностью 0,11 Тл в объеме примерно 10 л. Такой магнит применяют во вспомогательном оборудовании ядерного реактора Чикагского университета; это – часть магнитогидродинамической установки для перекачивания жидких металлов.

А бывали случаи, когда с магнитами боролись, когда они оказывались вредными. Возьмем, например, намагничивание корпуса корабля. Такая «спонтанная» намагниченность совсем не безобидна: мало того, что компасы корабля начинают «врать», принимая поле самого судна за поле Земли и неправильно указывая направление, плавающие корабли-магниты могут притягивать железные предметы. Если такие предметы будут связаны с минами, результат притяжения очевиден. Вот почему ученым пришлось вмешаться в проделки Природы и специально размагничивать корабли, чтобы они разучились действовать на магнитные мины. Вот какая история времен Великой Отечественной войны иллюстрирует ответственную работу специалистов по магнетизму в те суровые годы...

Впервые о магнитных минах советские моряки узнали еще в 1919 г., когда флот Антанты «засыпал» этим до того невиданным оружием русло Северной Двины. В тех минах железная стрелка поворачивалась под влиянием магнитного поля плывущего неподалеку корабля и замыкала контакты взрывателя. Обезвредить магнитные мины было непросто: они были донными, а не плавающими на якорях, потому обычное траление цели не достигало. Кроме того, взрыв происходил под слабо бронированным днищем корабля, так что корабль был обречен.

Военные моряки нашей страны предвидели опасность возможной войны и предугадали грядущее применение агрессором магнитных мин. По заданию ВМФ СССР в середине 30-х годов за разработку мер обезвреживания подобного оружия взялся Анатолий Петрович Александров, ныне академик, а тогда 33-летний ученый.

А.П. Александров с коллегами предложили «размагничивать» корабли. Этот метод борьбы с минами поначалу вызвал возражения у многих. Ведь до нуля лишить корабль магнитного поля очень непросто, поэтому оппоненты предлагали заняться разработкой специальных тралов. Противники метода Александрова вспоминали про якобы неудачные опыты шестилетней давности по размагничиванию корабля «Марат». Наконец, предлагалось брать пример с англичан, которые решили идти альтернативным путем: намагничивать корабль так сильно, чтобы мина срабатывала задолго до прохождения корабля.

Ученые отстаивали свою правоту. Во-первых, показывая лабораторную модель, которая не действовала на чувствительный датчик магнитного поля, во-вторых, напоминая, что враг может устанавливать мины с «загрублением», срабатывающие только от очень сильного сигнала. Доводы А.П. Александрова были признаны убедительными.

События настолько убыстрились, что жизнь стала напоминать киноленту, пущенную с большой скоростью:

1937 г. – удачные опыты по размагничиванию судов в Кронштадте.

1938 г. – удачное пробное размагничивание «Дозорного» и «Марата».

1939 г. – успешное плавание размагниченного «Выборного» над магнитными минами (без заряда) в Онежском озере.

1940 г. – замеры полей у судов на Балтике, Днепре, в реке Москве, монтаж опытных систем размагничивания.

1941 г. – переход к стационарному оснащению кораблей размагничивающими установками; 21 июня на магнитных минах в Финском заливе взрываются эсминец «Гневный» и крейсер «Максим Горький», 24 июня на одной из донных мин (гитлеровцами выставлена первая партия из 160 магнитных мин) подорвался тральщик БТЩ-208, в июне А.П. Александров защищает докторскую диссертацию; размагничен крейсер «Киров»; формируются коллективы из ученых, моряков и судостроителей для массового оснащения кораблей токонесущими обмотками, нивелирующими намагниченность корпуса.

1942 г. – в составе большого коллектива А.П. Александров награжден Государственной премией СССР за успешное научное решение и практическое осуществление проблемы защиты от магнитных мин кораблей Балтийского, Черноморского, Североморского и Тихоокеанского флотов.

После 1942 г. ни один советский корабль не подорвался на магнитной мине.

...Магнетизм «положения» приобретают все железные предметы, длительно лежавшие в магнитном поле, – буть то поле Земли или поле другого магнита. Магнетизмом положения еще в древние века пользовались кузнецы – первые люди, получавшие магниты искусственным путем из обыкновенного железа.

Магнетизм положения – частное проявление более общего случая. Известно, что любое железное или стальное тело, внесенное в поле магнита, само становится магнитом. К гвоздю, притянутому подковообразным школьным магнитом, притягивается бритва, к ней – скрепка и так далее.

На этом принципе основан применяемый некоторыми врачами очень полезный инструмент для извлечения из желудка и дыхательных путей рассеянных пациентов игл, булавок и других железных предметов. Этот инструмент, называемый магнитным зондом, опускается, например, в желудок пациента. За операцией следят на экране специальных мониторов. Секрет зонда, с помощью которого можно вынуть из желудка даже раскрытую английскую булавку, заключается в том, что железный наконечник его является магнитом не всегда, а лишь в необходимый момент. Это происходит вследствие того, что внутри зонда пропущен гибкий стальной стержень. При необходимости «включить» магнит наружный конец стержня подсоединяют к постоянному магниту. Стержень намагничивается и притягивает к себе проглоченный предмет.

Намагничивание железных предметов от находящегося поблизости магнита доставляет и по сей день неприятности людям, носящим часы и по долгу службы имеющим дело с мощными магнитами. В таких часах все железные части намагничиваются и к силе пружинки в них добавляются силы притяжения, искажающие ход часов до такой степени, что ими становится невозможно пользоваться. В конце XIX века эта проблема приобрела столь крупные масштабы, что понадобилась разработка прибора для размагничивания часов. А предприимчивая часовая компания «Валтхам», в свою очередь, выпустила в 1888 г. часы, которые не боялись никаких магнитных полей. Для испытания эти часы поместили на 15 мин у самого жерла гигантской «пушки-магнита» майора Кинга. Секрет фирмы оказался очень простым. Самым надежным экраном для предохранения железных частей механизма – пружинки, балансира – от намагничивания является само железо. Корпус часов «Валтхама» был изготовлен из обычной магнитной стали.

Искусственные магниты можно также получить, натирая куском магнитного железняка в одном направлении железные бруски или просто прислоняя ненамагниченный образец к постоянному магниту. Интересно, что этим способом можно получить искусственные магниты гораздо более сильные, чем исходные.

Читать дальше: Гильберт разъединяет
Вернуться назад: Геркулесов камень
Перейти к: Оглавление