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).

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).

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?

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).