Основная идея нашего метода решения проблемы заключалась в том, чтобы сделать время существования поля очень коротким, так чтобы за это время катушка не могла перегреться. Практически это составляло 0,01 сек. Конечно, такое условие создает новый ряд трудностей, во-первых, требуется очень большой ток, а во-вторых, все измерения нужно делать за очень короткий промежуток времени.Наши первые эксперименты были сделаны с использованием аккумуляторной батареи, обладающей очень малой емкостью и малым внутренним сопротивлением. Таким способом мы смогли получить поле в 100 000 гс, заряжая аккумуляторы в течение несколько минут, а затем разряжая их за 0,01 сек; но дальнейшее увеличение поля было невозможным, так как оказалось, что трудно достаточно быстро прервать ток в несколько тысяч ампер.
В наших последующих экспериментах, когда потребовались большие мощности, мы использовали однофазный генератор переменного тока (см. рисунок). Хорошо известно, что такая машина дает очень большие импульсы тока при коротком замыкании, чего в обычной практике тщательно избегают, так как это может вызвать серьезную аварию. Наша машина была специально сконструирована с противоположными целями, так что можно было специально получать большие импульсы тока при коротком замыкании. Потребовались значительный пересмотр конструкции и тщательные расчеты, так как электродинамические силы могли бы легко привести к разрыву обмоток.
Машина имела такие размеры, что ее мощность в непрерывном режиме составляла 2000 квт, а при коротком замыкании при испытаниях она давала 220 000 квт. При коротком замыкании на катушку с таким же импедансом, что и у машины, только половина мощности может быть использована; половина ее теряется в машине, а другая половина идет в катушку. Таким образом и были получены требуемые 50 000 квт.
Обычно ток в такой катушке никогда не оставался постоянным, но при определенной конструкции аппаратуры можно было получить волну тока с плоской вершиной, которая дает постоянное магнитное поле на несколько тысячных секунды.
Наибольшая трудность, с которой мы столкнулись, заключалась в том, что катушки стремились разорваться из-за электродинамических сил, старающихся увеличить их диаметр. Мы разработали метод укрепления катушек стальными бандажами и сконструировали катушку такой формы, чтобы электродинамические силы вместе с силами реакции со стороны бандажа сводились к однородному (гидростатическому) давлению на медь. (Катушка для создания импульсных магнитных полей изображена на рисунке слева). Нагрузка внешнего бандажа теперешней катушки достигает 140 тонн.
Другой проблемой явилась разработка специального выключателя для прерывания тока синхронно с волной тока. Так как продолжительность тока составляла лишь 0,01 сек, время. отведенное на переключение, составляло лишь несколько десятитысячных секунды, в течение которых контактная медная пластина выключателя должна была отойти на несколько миллиметров от его щеток. Ускорение, требуемое для передвижения медной пластины весом в 1 кг на такое расстояние, примерно в 1 000 раз больше ускорения свободного падения, а требуемая сила превышает тонну. Для этой цели использовался чрезвычайно прочный и тщательно сконструированный кулачковый вал.
Управление было организовано таким образом, что с помощью различных приспособлений после нажатия одной единственной кнопки эксперимент проводился автоматически, а осциллограммы показывали значения тока в катушках и тем самым позволяли измерить магнитное поле.
Затем нам пришлось преодолеть трудность, вызванную ударом при внезапной остановке генератора. При замыкании угловая скорость якоря, который весит 2,5 тонны, уменьшается на 10% за 0,01 сек и возникает большой вращающий момент, который стремится повернуть всю машину на фундаменте. Чтобы избежать влияния этого удара на наши измерения, катушка помещалась в 20 м от генератора так, чтобы измерения заканчивались прежде, чем сотрясение достигало катушки.
Короткое время эксперимента привело к определенным трудностям при наблюдении и измерении, но в целом потеря во времени компенсировалась выигрышем в величине явления, наблюдаемого в очень сильных полях; оно также дало то большое преимущество, что практически исключило влияние изменения температуры на различные явления, так как в течение 0,01 сек температура оставалась более или менее постоянной.
К настоящему времени мы изучили влияние сильных магнитных полей на различные явления, например, при исследовании эффекта Зеемана мы обнаружили, что расщепление линий оказывается столь велико, что можно использовать обычный призменный спектрограф, имеющий большую светосилу, а время экспозиции можно уменьшить до 0,01 сек без существенного уменьшения точности результатов.
Оказалось, что большой интерес представляет изучение изменения сопротивления различных металлов в сильных магнитных полях; в некоторых случаях возрастание сопротивления составляло от 20 до 30 процентов, в то время как в обычных полях возрастание не превышало долей процента. Более того, мы обнаружили, что в сильных полях наблюдается линейный закон возрастания сопротивления с возрастанием поля, в то время как в обычных полях возрастание сопротивления пропорционально квадрату поля. Мы измерили также магнитную восприимчивость различных металлов в сильных полях. Для этой цели были разработаны и сконструированы специальные весы с собственной частотой около 2000—3000 колебаний в секунду. Так как в наших опытах магнитные силы были примерно в 100 раз больше, чем обычно, то весы были достаточно чувствительны, чтобы измерять восприимчивость большинства веществ.
Другим направлением исследований явилось изучение магнитострикции. В обычных полях это явление известно лишь для ферромагнитных веществ, но в сильных полях мы обнаружили, что оно достаточно заметно в различных других веществах, таких как висмут, олово и графит, которые имеют кристаллическую структуру низкой симметрии. Кристаллы висмута в сильных магнитных полях растягиваются в направлении тригональной оси и сжимаются в направлениях, перпендикулярных к ней.
Видно, что при исследовании различных явлений в сильных магнитных полях, существующих очень короткое время, открываются возможности решения широкого круга научных проблем, но для этого требуются специальная техника и аппаратура.
ПРОБЛЕМЫ ЖИДКОГО ГЕЛИЯ
Доклад на Общем собрании Академии наук СССР 28 декабря 1940 г.
Опубликован в журнале «Советская наука» № 1, 33 (1941).
Я чувствую некоторое затруднение, приступая к изложению моих работ в области жидкого гелия. Большинство слушателей привыкло, конечно, к аналитическому мышлению, необходимому во всякой области научной работы, но я боюсь, что сами проблемы физики для многих из вас далеки.
Как всякую научную работу, и работу в области физики можно разделить на три части: первая — цель и задачи исследования, вторая — методы достижения этой цели и третье — полученные результаты и их значение.
Что касается второй части — методов, то в области физики они представляют большой интерес для исследователя и часто в них залог успеха. Но оценить методику работы, технику постановки опыта, методику и точность измерений для человека, не работавшего в лаборатории, и к тому же еще в данной области, мне кажется, очень трудно. Так же как трудно человеку, любящему и понимающему музыку, но не являющемуся музыкантом, оценить трудности техники исполнения музыкального произведения. Но, конечно, это ему не помешает наслаждаться музыкой, любить ее и интересоваться ею. Я думаю, что это замечание справедливо для всех родов творческой работы.
Поэтому Я предлагаю в своем изложении остановиться главным образом на тех целях, которые преследовала постановка каждого опыта, и на тех результатах, к которым он нас привел. А о технике экспериментирования буду говорить только вскользь.
Цель всякого научного исследования определяется состоянием науки в данной области, и ясное представление об этом состоянии и вытекающих из него проблемах необходимо иметь не только самому исследователю, но и тем, кому он рассказывает о своих работах. И вот тут я встречаюсь с большими трудностями.
Я боюсь, что физика является одним из наиболее слабых мест в научной подготовке широко образованного человека. В самом деле, мы хорошо знаем историю, мы все читаем таких больших историков, как Ключевский, Тарле и других; большие концепции естествознания, как, например, дарвинизм, мы легко воспринимаем и поэтому также хорошо с ними знакомы. Технические вопросы также близки нам, так как техника связана с развитием промышленности, находящейся в центре общественного внимания; кроме того, технические приборы в виде радио, телефона, автомобиля и проч. входят в наш каждодневный быт. Но с ведущими концепциями физики, и, может быть, в еще большей степени это относится к математике, дело обстоит значительно слабее.
Если мы спросим любого образованного человека о теории квантов и даже о более частных вопросах, как, например, о фотоэффекте, о спектрах и проч., или если математик спросит, что такое теория групп, учение о вероятности и т. п., то, я думаю, что только в одном случае из десяти можно получить ответ, указывающий на общее знакомство с этими вопросами.
Мое положение затрудняется еще тем, что на сегодняшний день область моего доклада еще далека от жизни и мало известна. Дело в том, что в науке обычно можно выявить два рода изысканий, разницу между которыми позвольте пояснить аналогией. Изучая наши природные богатства, мы можем либо более глубоко развивать эксплуатацию уже открытых геологических пород, либо отыскивать в природе новые залежи. Конечно, оба рода работ чрезвычайно важны для нас, но оцениваем мы их по-разному. Когда мы уже знаем практическую цену разрабатываемой руды, вопрос использования ее уже близко связан с жизнью, тогда оценивать значение нового-изыскания легко. Когда же работа ведет к открытию новых залежей руд, значение которых и ценность для жизни сразу определить трудно, то, очевидно, понимание и оценка значения таких работ значительно затруднены и производится полностью только спустя значительный срок после самого открытия.