МИНИСТЕРСТВОСЕЛЬКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ
ИРКУТСКАЯГОСУДАРСТВЕНАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
ИСТОРИЯ ИССЛЕДОВАНИЯМАГНИТА И ЯВЛЕНИЯ МАГНИТИЗМА
Реферат для сдачикандидатского экзамена по истории и философии науки 05.20.02 –Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве
Подготовиласпирант Ланин А.В.
Предварительнаяэкспертиза
проведена «___»_____________200__г.
_______________ НаумовИ.В.
(Подписьнаучного руководителя)
Окончательнаяпроверка реферата проведена «___»____________200__г.
Оценка_____________________________Бондаренко О.В.
(Подписьпроверяющего)
Иркутск
2009 г.
Содержание
Введение
1. История использования магнитов в древние времена
2. История создания и использования электромагнитов3. Естественныеи искусственные магниты
4. Применение магнитов в разных сферах деятельности современногообщества
5. Сверхпроводники и их применение
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Наука – одна из формобщественного сознания (наряду с философией, религией и др.), ориентированнаяна получение и систематизацию знаний об объективной реальности, включаядеятельность по выработке нового знания, а также и ее результат. Наука естьисторически развивающаяся система знаний о свойствах и отношениях изучаемыхобъектов, каковыми являются природа, человек и социокультурная среда обитания [5].
Электрификация, т. е.производство, распределение и применение электроэнергии, оставалась и остаётсяодним из предметов научного исследования.
Актуальность научногоисследования электрификации связана с тем, что на базе последней развиваютсяпромышленность, сельское хозяйство, транспорт и другие важнейшиегосударственные отрасли.
Энергетическая система(энергосистема) – это, как известно, совокупность электростанций, электрическихи тепловых сетей, соединённых между собой и связанных общностью режимов внепрерывном процессе производства, преобразования, передачи и распределенияэлектрической и тепловой энергии при общем управлении этим режимом.
Одним из неотъемлемыхэлементов энергосистемы является магнит. Именно о нём, более подробно, пойдётречь в данном реферате.
Мыпривыкли к магниту и относимся к нему чуточку снисходительно как к устаревшемуатрибуту школьных уроков физики, порой даже не подозревая, сколько магнитоввокруг нас. В наших квартирах десятки магнитов: в электробритвах, динамиках,магнитофонах, в часах, в банках с гвоздями, наконец. Сами мы – тоже магниты:биотоки, текущие в нас, рождают вокруг нас причудливый узор магнитных силовыхлиний. Земля, на которой мы живём, — гигантский голубой магнит. Солнце – жёлтыйплазменный шар – магнит ещё более грандиозный. Галактик и туманности, едваразличимые телескопами, — непостижимые по размерам магниты. Термоядерныйсинтез, магнитодинамическое генерирование электроэнергии, ускорение заряженныхчастиц в синхротронах, подъём затонувших судов – всё это области, где требуютсяграндиозные, невиданные раньше по размерам магниты. Проблема создания сильных,сверхсильных, ультрасильных и ещё более сильных магнитных полей стала одной изосновных в современной физике и технике.
1. История использования магнитов в древние времена
Самыестарые «документальные» свидетельства о знакомстве людей с магнитами пришли кнам из Центральной Америки. На городской площади гватемальского городкаДемокрасия стоит дюжина древних фигур, найденных при раскопках городищаольмеков. «Толстые мальчики», как их называли за округлость и массивность, –символы сытости, благополучия, плодовитости. Эти скульптуры более трех тысячлет назад высечены из глыб магнитной породы. Интересно, что магнитные силовыелинии как бы выходят из живота «толстяков»! Кстати, кроме «толстых мальчиков»,древние ольмеки умели высекать фигуры морских черепах с намагниченной головой,связывая, возможно, способность черепах находить курс в открытом море сосвойствами магнита ориентироваться в магнитном поле Земли [4].
Вкитайских летописях встречаются описания магнитных ворот, через которые не могпройти недоброжелатель с оружием, а также магнитных мостовых и прочихприменений волшебного камня чу-ши, попросту магнитного железняка. В другойлегенде рассказывается о военной победе императора Хуанг-Ти, одержанной болеетрех тысяч лет назад. Этой победой он был обязан своим мастерам, изготовившимповозки, на которых были установлены фигурки человека с рукой, вытянутойвперед. Фигурки могли вращаться, но вытянутая рука всегда указывала на юг. Спомощью таких повозок Хуанг-Ти смог в густом тумане напасть на врага с тыла иразгромить его. Опираясь на сведения, приведенные в древнейших китайскихэнциклопедиях, можно высказать догадку о том, что между 300 и 400 гг. дон. э. магнитная стрелка использовалась на кораблях. Если же перейти от легенд ктвердо установленным фактам, то компас значительно «помолодеет». Так, в музеехранится китайский компас «лишь» тысячелетней давности, напоминающий по форменашу хохломскую ложку.
Издругих древнейших упоминаний о магнитах следует выделить рассказ о часовнеМагомета с магнитным сводом, под которым парит железный сундук с прахом пророка[2]. Однако европейским путешественникам ни разу не удалось увидеть этойдиковины, даже тем, кто, прикинувшись правоверным и обманув бдительность мулл,проник в храм Каабы.
Название«магнит», как утверждает Платон, дано магнетиту Еврипидом, называвшим его всвоих драмах «камнем из Магнезии». По другой, значительно более красивой иизвестной, но менее правдоподобной притче Плиния (заимствованной им у Никандра)название дано в честь сказочного волопаса Магниса, гвозди от сандалий ижелезная палка которого прилипали к неведомым камням. По-видимому, слово«магнит» действительно происходит от названия провинции Магнезия (в Греции),жителей которой звали магнетами. Так утверждал Тит Лукреций Кар в своей поэме«О природе вещей». Русский путешественник В.А. Теплов, посетивший Магнезиюв 80-х годах прошлого века, утверждал, что гора известна частыми ударами в неемолний (этим же славилась и гора Магнитная на Урале, почти целиком состоящая измагнетита). Наиболее распространенная из сказок о чудодейственной силе магнита,вошедшая в сказки «Тысяча и одной ночи», заимствована у Плиния, которыйутверждал, что в Эфиопии существует гора Зимир, вытягивающая из кораблей всегвозди и железные части [2].
Ив Азии, и в Европе, по-видимому, давно использовали магнетизм Земли, применяядля ориентирования магнитный камень, подвешенный на нити или установленный надощечке, плавающей на спокойной поверхности воды. В старом французском романе«О розе» магнит описывался под названием «маринетта», из чего можно сделатьвывод об использовании его на морских судах. Эти обстоятельства не смоглипомешать итальянцам построить в Неаполе памятник Флавио Джойя, жителю городаАмальфи, который якобы изобрел магнитный компас в 1302 г., и отпраздновать в 1902 г. шестисотлетие открытия. Не за легенду говорят хотя быупоминания о компасе монаха из монастыря св. Альбана Александра Некэма в 1187 г. и стихи поэта Гюйо Прованского, написанные в 1206 г. Но красивая легенда о Флавио Джойя, «изобретателе компаса», до сих пор живет у итальянцев [4].
Магнитнаясила привлекала не только мореходов. Ею всерьез интересовались и древниестроители. Плиний писал, что александрийский архитектор Хинократ (илиТимохарес) начал делать свод храма Арсинои из магнитного камня, для того чтобыжелезная фигура Арсинои висела в воздухе; этот замысел не был, повидимому,осуществлен из-за смерти Хинократа и брата Арсинои, Птолемея, который, каквыразились бы сейчас, «финансировал» это предприятие. Многие историки церквиединодушно и независимо утверждают, что в александрийском храме Сераписа статуябога Солнца могла, к изумлению молящихся, взлететь к потолку, увлекаемая силойбольшого магнита. А через тысячи лет идея «храма Арсинои» вновь обрела своихприверженцев: молодые авторы – наши современники – предложили проектыпамятников с использованием магнитных сводов, напоминающих свод Хинократа [9].
Аристотель,толкуя мысли Фалеса в своем трактате о душе, писал: он (Фалес) почитал причинойвсякого движения душу, и, следовательно, лишь благодаря ей магнит можетсообщать движение железу. Итак, душа. Еще Орфей пел, что «железо тянется кмагниту, как невеста к жениху». Может быть, в магните живет душа злая? Может быть,магниты созданы злыми демонами на погибель людям и на пользу ворам? Ведь то,что обладает свойством отодвигать запоры и отпирать замки, наверняка созданоради воровства. Платон утверждал, что свойства магнита имеют божественноепроисхождение, и тем самым избежал многих раздумий и сомнений.
Тысячилет назад кабиры (так называли бродячих фокусников Древней Греции)странствовали по своей земле и давали в тени олив удивительные представления.Одно из них всегда приковывало внимание обитателей окрестных селений. То, чтоделали кабиры, внушало благоговейное почтение к их тайному могуществу. Несколькотяжелых железных колец висели, ничем не связанные между собой, одно под другим,не падая. Казалось, могущественный Зевс, сильный и невидимый, поддерживаетладонями на весу эти кольца. Секрет кабиров заключался в том, что кольца этибыли сделаны из «геркулесова камня», добывавшегося где-то в Маниссе [4]. Уникальнаяспособность магнита притягивать железные предметы ассоциировалась в воображениидревних с плотской любовью, и поэтому первые объяснения притягивающего действияэтих камней были связаны с приписыванием магниту женского, а железу мужскогоначала. Сегодня хорошо известно, что есть материалы, которые магнитомотталкиваются. К их числу, например, принадлежит медь. Правда, это отталкиваниеочень слабое, но кто знает – не могли ли древние каким-то образом заметить егои создать свое учение о феамеде – антимагните. Сейчас такие вещества называютдиамагнетиками [4].
2. История создания и использованияэлектромагнитов
До XVIII века слова «магнит» и «железо» были синонимами.Затем на авансцену уверенно вышел электрический ток, он стал хозяиномположения. Мало кому заметный, но поистине радикальный переворот от железа кжелезу с током совершился в 20-е годы прошлого столетия в лабораториях ученых.После опубликования памфлета Эрстеда многие заинтересовались проблемамиэлектромагнетизма: в том же 1820 г. Араго продемонстрировал проволоку стоком, облепленную железными опилками, а Ампер доказал, что спираль с током –соленоид – обладает всеми свойствами природного магнита, притягивая мелкиежелезные предметы. Что касается первого электромагнита, т.е. катушки,обтекаемой током и содержащей внутри железный сердечник, то его изобретенияпришлось ждать еще пять лет. Это устройство создал Вильям Стерджен [4].
Первымвкладом Стерджена в науку стала разработка им модифицированной моделивращающихся цилиндров Ампера, описанной в «Философском журнале» в 1823 г. На следующий год он написал четыре статьи по термоэлектричеству, а 23 мая 1825 г. представил Обществу искусств несколько усовершенствованных приборов для электромагнитныхэкспериментов, среди которых был ставший теперь знаменитым первыйэлектромагнит. Идея цилиндрического и подковообразного магнитов захватила егоеще в 1823 г. Тогда Стерджен и построил вращающееся «колесо Стерджена» –фактически одну из первых модификаций электромотора. Стерджен сделал ряд оченьважных открытий, о которых написал несколько статей, однако «Философскийжурнал», для которого они предназначались, отказался их печатать, и Стердженуне оставалось ничего, как создать свой собственный журнал – «Анналыэлектричества». Музей науки в Манчестере, директором которого стал Стерджен в 1840 г., был слишком научным, чтобы быть прибыльным, и Стерджен жил в бедности. В 1850 г. изобретатель электромагнита умер, так и не получив в награду за свое великое изобретениени богатства, ни славы.
Первыйв мире электромагнит, продемонстрированный Стердженом 23 мая 1825 г. обществу искусств, представлял собой согнутый в подкову лакированный железный стерженьдлиной 30 и диаметром 1,3 см, покрытый сверху одним слоем изолированной меднойпроволоки. Электроэнергией он снабжался от гальванической батареи (вольтовастолба). Электромагнит удерживал на весу 3600 г и значительно превосходил по силе природные магниты такой же массы. Это было блестящее по тем временамдостижение.
Правлениеобщества оценило заслуги Стерджена. Он получил медаль и денежную премию, апервый электромагнит был выставлен в музее общества. Джоуль, экспериментируя ссамым первым магнитом Стерджена, сумел довести его подъемную силу до 20 кг. Это было в том же 1825 г. В 1828 г. лондонский часовой мастер Воткинс изготовилэлектромагнит, который поднимал 30 кг. Тогда же профессор Молл из Утрехта, взявза основу конструкцию Воткинса, изготовил магнит, «поднимавший наковальнюмассой 60 кг и не поднимавший наковальню массой 80 кг». В 1832 г. Стерджен изготовил магнит, поднимавший 160 кг, но уже в том же году Марш создал магнит,способный поднять более 200 кг. Однако Стерджен не собирался терять первенства.По его заказу в 1840 г. был выполнен электромагнит, способный поднять уже 550 кг! К тому времени у Стерджена нашелся очень сильный соперник за океаном. В апреле 1831 г. профессор Йельского университета Джозеф Генри (его именем названа единица индуктивности)построил электромагнит массой около 300 кг, поднимавший около 1т [6].
Первыйвклад в теорию расчета электромагнитов внесли русские ученые Э.X. Ленц иБ.С. Якоби, указавшие на связь подъемной силы электромагнита ипроизведение силы тока в катушках на число витков обмотки. После Ленца и Якобикрупный вклад в теорию расчета магнитов внесли англичане братья Гопкинсоны,которые предложили метод учета насыщения – явления, давно замеченногопроектировщиками магнитов и заключающегося в том, что в магните заданной формыпосле некоторого предела увеличением тока в катушках нельзя повысить егоподъемную силу.
Современнаятеория связывает это явление с тем, что при достижении некоторогонамагничивающего тока элементарные магнитики (диполи) железа (ферромагнетика),ранее расположенные беспорядочно, в основном ориентированы в одном направлениии при дальнейшем усилении намагничивающего тока существенного увеличения числамагнитиков, ориентированных в одном направлении, не происходит. Насыщение сталипривело к тому, что индукция магнитного поля первых магнитов не превышала 2 Тл[3].
Самыйвпечатляющий и необычный исследовательский электромагнит, который никогда небыл построен, предложил знаменитый американский изобретатель Томас АльваЭдисон. В начале 90-х годов позапрошлого столетия он предложил создать мощныйприемник, который бы регистрировал электромагнитные процессы на Солнце. Проектзаключался в следующем. В городе Огдене, штат Нью-Джерси, есть отвесная скалаиз магнитного железняка, масса которой не менее 100 млн. т. Если бы обмотатьэту скалу большим количеством проволоки так, чтобы скала играла рольгигантского сердечника колоссального электромагнита, то с помощью этой обмотки,в силу ее большой индуктивности, можно было бы следить за изменением магнитногосостояния Солнца. В настоящее время, конечно, в таком датчике магнитного полякосмических тел нет необходимости. Электромагнитные процессы на Солнце можнохорошо изучать с помощью радиотелескопов и других приборов, хотя и громоздких,но все-таки в несколько тысяч раз более легких и удобных, чем магнитная скала.Однако для своего времени идея Эдисона была удивительно смелой и передовой.3. Естественные и искусственные магниты
Естественные(или природные) магниты встречаются в природе в виде залежей магнитных руд. ВТартуском университете находится самый крупный известный естественный магнит.Его масса составляет 13 кг, и он способен поднять груз в 40 кг.
Искусственныемагниты — это магниты созданные человеком на основе различных ферромагнетиков.Так называемые “порошковые” магниты (из железа, кобальта и некоторых другихдобавок) могут удержать груз более чем 5000 раз превышающий их собственнуюмассу [3].
Существуютискусственные магниты двух разных видов:
Одни– так называемые постоянные магниты, изготовляемые из “магнитно-твердых”материалов. Их магнитные свойства не связаны с использованием внешнихисточников или токов.
Кдругому виду относятся так называемые электромагниты с сердечником из “магнитно-мягкого”железа. Создаваемые ими магнитные поля обусловлены в основном тем, что попроводу обмотки, охватывающей сердечник, проходит электрический ток.
Искусственныемагниты, полученные методом натирания, стали изготовлять в Англии еще в XVIIIвеке. При изготовлении магнитов не все сорта железа вели себя одинаково – водном случае быстро получали желаемый результат, в другом – намагниченностьбыла ничтожной. Легконамагничивающиеся вещества, как правило, так же легко иразмагничиваются (чистое железо); труднонамагничивающиеся вещества (сталь)остаются сильнонамагниченными и после удаления внешнего магнитного поля. Первыевещества обычно называют магнитомягкими, вторые – магнитожесткими. В концепрошлого века заметили, что добавка к железу 3% вольфрама примерно в 3 разаулучшает свойства искусственных магнитов. Добавка кобальта улучшает свойстваеще в 3 раза.
Магнитожёсткиематериалы производятся особой отраслью металлургии, где используются наиболеесовременные способы плавки и контроля качества.
Исходныематериалы попадают в мельницы с атмосферой инертных газов, порошки смешиваются,прессуются чудовищно большими давлениями при одновременном наложении громадныхмагнитных полей, которые ориентируют домены для усиления их действия.
СплавЮНКД-ЗБТ, например, кроме железа содержит алюминий (Ю), никель (Н), кобальт(К), медь (Д), титан (Т). Пропорции подобраны таким образом, чтобы слиткиразной формы обладали наибольшей магнитной индукцией, их структуру можно позаказу делать то однородной, то анизотропной, в ней проращиваются в заданномнаправлении игольчатые кристаллы, тепловые и электромагнитные волны помогают металлофизикамварьировать свойства заготовок, добиваясь объемного распределения их качеств. Витоге удается создать магниты с весьма высокой подъемной силой. Сплав кобальтас редкоземельными элементами позволяет, например, поднять груз 200 г на 1 г массы магнита.
Самыйбольшой в мире постоянный магнит весит 2 т. С его помощью создается магнитноеполе интенсивностью 0,11 Тл в объеме примерно 10 л. Такой магнит применяют во вспомогательном оборудовании ядерного реактора Чикагскогоуниверситета; это – часть магнитогидродинамической установки для перекачиванияжидких металлов [6].
4.Применение магнитов в разных сферах деятельности современного общества
Основноеприменение магнит находит в электротехнике, радиотехнике, приборостроении,автоматике и телемеханике. Здесь ферромагнитные материалы идут на изготовлениемагнитопроводов, реле и т.д. [4].
Электромашинныегенераторы и электродвигатели — машины вращательного типа, преобразующиелибо механическую энергию в электрическую (генераторы), либо электрическую вмеханическую (двигатели). Действие генераторов основано на принципеэлектромагнитной индукции: в проводе, движущемся в магнитном поле, наводитсяэлектродвижущая сила (ЭДС). Действие электродвигателей основано на том, что напровод с током, помещенный в поперечное магнитное поле, действует сила.
Магнитоэлектрическиеприборы. Втаких приборах используется сила взаимодействия магнитного поля с током ввитках обмотки подвижной части, стремящаяся повернуть последнюю.
Индукционныесчетчики электроэнергии. Индукционный счетчик представляет собой не что иное, какмаломощный электродвигатель переменного тока с двумя обмотками – токовой иобмоткой напряжения. Проводящий диск, помещенный между обмотками, вращается поддействием крутящего момента, пропорционального потребляемой мощности. Этотмомент уравновешивается токами, наводимыми в диске постоянным магнитом, так чточастота вращения диска пропорциональна потребляемой мощности.
Электрическиенаручные часы питаютсяминиатюрной батарейкой. Для их работы требуется гораздо меньше деталей, чем вмеханических часах; так, в схему типичных электрических портативных часоввходят два магнита, две катушки индуктивности и транзистор.
Динамометр- механическийили электрический прибор для измерения силы тяги или крутящего момента машины,станка или двигателя.
Тормозныединамометры бываютсамых различных конструкций; к ним относятся, например, тормоз Прони,гидравлический и электромагнитный тормоза [10].
Электромагнитныйдинамометр можетбыть выполнен в виде миниатюрного прибора, пригодного для измеренийхарактеристик малогабаритных двигателей.
Гальванометр–чувствительный прибор для измерения слабых токов. В гальванометре используетсявращающий момент, возникающий при взаимодействии подковообразного постоянногомагнита с небольшой токонесущей катушкой (слабым электромагнитом), подвешеннойв зазоре между полюсами магнита. Вращающий момент, а следовательно, иотклонение катушки пропорциональны току и полной магнитной индукции в воздушномзазоре, так что шкала прибора при небольших отклонениях катушки почти линейна.Приборы на его базе — самый распространенный вид приборов [1].
Магнитныесвойства вещества находят широкое применение в науке и технике как средствоизучения структуры различных тел. Так возникли науки:
Магнитохимия- раздел физической химии, в котором изучается связь между магнитными ихимическими свойствами веществ; кроме того, магнитохимия исследует влияниемагнитных полей на химические процессы. магнитохимия опирается на современнуюфизику магнитных явлений. Изучение связи между магнитными и химическимисвойствами позволяет выяснить особенности химического строения вещества.
Магнитнаядефектоскопия,метод поиска дефектов, основанный на исследовании искажений магнитного поля,возникающих в местах дефектов в изделиях из ферромагнитных материалов.
Ускорительчастиц, установка,в которой с помощью электрических и магнитных полей получаются направленныепучки электронов, протонов, ионов и других заряженных частиц с энергией,значительно превышающей тепловую энергию.
Всовременных ускорителях используются многочисленные и разнообразные видытехники, в т.ч. мощные прецизионные магниты.
Вмедицинской терапии и диагностике у скорители играют важную практическую роль.Многие больничные учреждения во всем мире сегодня имеют в своем распоряжениинебольшие электронные линейные ускорители, генерирующие интенсивноерентгеновское излучение, применяемое для терапии опухолей. В меньшей мере используютсяциклотроны или синхротроны, генерирующие протонные пучки. Преимущество протоновв терапии опухолей перед рентгеновским излучением состоит в болеелокализованном энерговыделении. Поэтому протонная терапия особенно эффективнапри лечении опухолей мозга и глаз, когда повреждение окружающих здоровых тканейдолжно быть по возможности минимальным [8].
Представителиразличных наук учитывают магнитные поля в своих исследованиях. Физик измеряетмагнитные поля атомов и элементарных частиц, астроном изучает роль космическихполей в процессе формирования новых звёзд, геолог по аномалиям магнитного поляЗемли отыскивает залежи магнитных руд, с недавнего времени биология тожеактивно включилась в изучение и использование магнитов.
Биологическаянаука первойполовины XX века уверенно описывала жизненные функции, вовсе не учитываясуществования каких-либо магнитных полей. Более того, некоторые биологи считалинужным подчеркнуть, что даже сильное искусственное магнитное поле не оказываетникакого влияния на биологические объекты.
Вэнциклопедиях о влиянии магнитных полей на биологические процессы ничего неговорилось. В научной литературе всего мира ежегодно появлялись единичныепозитивные соображения о том или ином биологическом эффекте магнитных полей.Однако этот слабый ручеёк не мог растопить айсберг недоверия даже к постановкесамой проблемы… И вдруг ручеёк превратился в бурный поток. Лавинамагнитобиологических публикаций, словно сорвавшись с какой – то вершины, сначала 60 – х годов непрестанно увеличивается и заглушает скептическиевысказывания.
Оталхимиков XVI века и до наших дней биологическое действие магнита много разнаходило поклонников и критиков. Неоднократно в течение нескольких вековнаблюдались всплески и спады интереса к лечебному действию магнита. С егопомощью пытались лечить (и не безуспешно) нервные болезни, зубную боль,бессонницу, боли в печени и в желудке – сотни болезней [9].
Длялечебных целей магнит стал употребляться, вероятно, раньше, чем для определениясторон света.
Какместное наружное средство и в качестве амулета магнит пользовался большимуспехом у китайцев, индусов, египтян, арабов, греков, римлян и т.д. О еголечебных свойствах упоминают в своих трудах философ Аристотель и историкПлиний.
Вовторой половине XX века широко распространились магнитные браслеты, благотворновлияющие на больных с нарушением кровяного давления (гипертония и гипотония).
Кромепостоянных магнитов используются и электромагниты. Их также применяют дляширокого спектра проблем в науке, технике, электронике, медицине (нервныезаболевания, заболевания сосудов конечностей, сердечно – сосудистыезаболевания, раковые заболевания).
Болеевсего учёные склоняются к мысли, что магнитные поля повышают сопротивляемостьорганизма.
Существуютэлектромагнитные измерители скорости движения крови, миниатюрные капсулы,которые с помощью внешних магнитных полей можно перемещать по кровеноснымсосудам чтобы расширять их, брать пробы на определённых участках пути или,наоборот, локально выводить из капсул различные медикаменты.
Широкораспространён магнитный метод удаления металлических частиц из глаза.
Большинствуиз нас известно исследование работы сердца с помощью электрических датчиков –электрокардиограмма. Электрические импульсы, вырабатываемые сердцем, создаютмагнитное поле сердца, которое в max значениях составляет 10-6 напряжённостимагнитного поля Земли. Ценность магнитокардиографии в том, что она позволяетполучить сведения об электрически “немых” областях сердца.
Надоотметить, что биологи сейчас просят физиков дать теорию первичного механизмабиологического действия магнитного поля, а физики в ответ требуют от биологовпобольше проверенных биологических фактов. Очевидно, что успешным будет тесноесотрудничество различных специалистов [3].
Важнымзвеном, объединяющим магнитобиологические проблемы, является реакция нервнойсистемы на магнитные поля. Именно мозг первым реагирует на любые изменения вовнешней среде. Именно изучение его реакций будет ключом к решению многих задачмагнитобиологии.
Среди технологических революций конца XX века одной изсамых главных является перевод потребителей на атомное топливо. И сновамагнитные поля оказались в центре внимания. Только они смогут обуздатьсвоенравную плазму в «мирной» термоядерной реакции, которая должна прийти насмену реакциям деления радиоактивных ядер урана и тория.
Чтобы еще сжечь? – навязчивым рефреном звучит вопрос, вечно мучающий энергетиков.Довольно долго нас выручали дрова, но у них малая энергоемкость, а потомудровяная цивилизация примитивна. Сегодняшнее наше благосостояние основано насжигании ископаемого топлива, однако легкодоступные запасы нефти, угля иприродного газа медленно, но верно иссякают. Волей-неволей приходитсяпереориентировать топливно-энергетический баланс страны на что-то другое. В будущемвеке остатки органического топлива придется сохранять для сырьевых нужд химии.А основным энергосырьем, как известно, станет ядерное топливо.
Идеямагнитной термоизоляции плазмы основана на известном свойстве электрическизаряженных частиц, движущихся в магнитном поле, искривлять свою траекторию идвигаться по спирали силовых линий поля. Это искривление траектории внеоднородном магнитном поле приводит к тому, что частица выталкивается вобласть, где магнитное поле более слабое. Задача состоит в том, чтобы плазму совсех сторон окружить более сильным полем. Эта задача решается во многихлабораториях мира. Магнитное удержание плазмы открыли советские ученые, которыев 1950 г. предложили удерживать плазму в так называемых магнитных ловушках(или, как часто их называют, в магнитных бутылках).
Примеромвесьма простой системы для магнитного удержания плазмы может служить ловушка смагнитными пробками или зеркалами (пробкотрон). Система представляет собойдлинную трубу, в которой создано продольное магнитное поле. На концах трубынамотаны более массивные обмотки, чем в середине. Это приводит к тому, чтомагнитные силовые линии на концах трубы расположены гуще и магнитное поле вэтих областях сильнее. Таким образом, частица, попавшая в магнитную бутылку, неможет покинуть систему, ибо ей пришлось бы пересекать силовые линии ивследствие лоренцевой силы «накручиваться» на них. На этом принципе былапостроена огромная магнитная ловушка установки «Огра-1», пущенной в Институтеатомной энергии имени И.В. Курчатова в 1958 г. Вакуумная камера «Огра-1» имеет длину 19 м при внутреннем диаметре 1,4 м. Средний диаметр обмотки, создающей магнитное поле, составляет 1,8 м, напряженность поля в середине камеры 0,5 Тл, в пробках 0,8 Тл.
Стоимостьэлектроэнергии, получаемой от термоядерных электростанций, будет очень низкойвследствие дешевизны исходного сырья (воды). Настанет время, когдаэлектростанции будут вырабатывать буквально океаны электроэнергии. С помощьюэтой электроэнергии станет возможным, быть может, не только кардинальноизменить условия жизни на Земле – повернуть вспять реки, осушить болота,обводнить пустыни, – но и изменить облик окружающего космического пространства– заселить и «оживить» Луну, окружить Марс атмосферой.
Однаиз основных трудностей на этом пути – создание магнитного поля заданнойгеометрии и величины. Магнитные поля в современных термоядерных ловушках относительноневелики. Тем не менее, если учесть громадные объемы камер, отсутствиеферромагнитного сердечника, а также специальные требования к форме магнитногополя, затрудняющие создание таких систем, то следует признать, что имеющиесяловушки – большое техническое достижение.
Исходяиз вышесказанного, можно сделать вывод, что в настоящее время нет отрасли, вкоторой бы не применялся магнит или явление магнетизма.5.Сверхпроводникии их применениемагнит сверхпроводник
Сверхпроводникичасто называют ключом к электротехнике будущего. Это объясняется их поистинеудивительными свойствами. Вообще-то, сверхпроводников как особых материалов несуществует. Это обычные материалы из элементов таблицы Менделеева, у которых вопределенных условиях появляются необычные свойства. Алюминий, например,считается хорошим проводником, неплохо пропускает тепло и в своей толще чутьусиливает магнитное поле (парамагнетик). При охлаждении ниже 1,2 Кэлектропроводность алюминия возрастает бесконечно (сверхпроводник), теплопроводностьтак же сильно ухудшается (теплоизолятор), а магнитное поле в него уже не можетпроникнуть (диамагнетик). Казалось бы, что за достижение столь полезных качествнадо платить слишком дорого – достижение низких температур – удовольствиенедешевое. Оказалось, однако, что стоимость рефрижераторов и тепловой защитыхолодных зон несравнима с достигаемыми преимуществами. Стало возможным безчрезмерных затрат получать огромные токи (в несколько тысяч раз большие, чем вобычных проводниках) и огромные магнитные поля при скромных сеченияхтоконесущих шин: именно это является чрезвычайно важным при создании мощныхэлектроэнергетических устройств [9].
Ясно,что для создания генераторов большей мощности понадобятся новые конструкторскиерешения и материалы. В этой связи особые надежды ученые и инженеры возлагают насверхпроводимость. Недаром одним из основных направлений развития наукинамечены теоретические и экспериментальные исследования в областисверхпроводящих материалов, а одним из основных направлений развития техники –разработка сверхпроводниковых турбогенераторов. Сверхпроводящееэлектрооборудование позволит резко увеличить электрические и магнитные нагрузкив элементах устройств и благодаря этому резко сократить их размеры. Всверхпроводящем проводе допустима плотность тока, в 10...50 раз превышающаяплотность тока в обычном электрооборудовании. Магнитные поля можно будетдовести до значений порядка 10 Тл, по сравнению с 0,8...1 Тл в обычных машинах.Если учесть, что размеры электротехнических устройств обратно пропорциональныпроизведению допустимой плотности тока на индукцию магнитного поля, то ясно,что применение сверхпроводников уменьшит размеры и массу электрооборудования вомного раз!
Многиепрепятствия сами по себе отпадают, если использовать эффект сверхпроводимости иприменить сверхпроводящие материалы. Тогда потери в роторной обмотке можнопрактически свести к нулю, так как постоянный ток не будет встречать в нейсопротивления. А раз так, повышается КПД машины. Протекающий по сверхпроводящейобмотке возбуждения ток большой силы создает столь сильное магнитное поле, чтоуже нет необходимости применять стальной магнитопровод, традиционный для любойэлектрической машины. Устранение стали снизит массу ротора и его инерционность.Создание криогенных электрических машин – не дань моде, а необходимость,естественное следствие научно-технического прогресса. И есть все основанияутверждать, что к концу века сверхпроводящие турбогенераторы мощностью более1000 МВт будут работать в энергосистемах [4].
Энергетикамнужны не только холодные генераторы. Уже изготовлено и испытано несколькодесятков сверхпроводящих трансформаторов (первый из них построен американцемМак-Фи в 1961 г.; трансформатор работал на уровне 15 кВт). Имеются проектысверхпроводящих трансформаторов на мощность до 1 млн. кВт. При достаточнобольших мощностях сверхпроводящие трансформаторы будут легче обычных на40...50% при примерно одинаковых с обычными трансформаторами потерях мощности(в этих расчетах учитывалась и мощность ожижителя).У сверхпроводящихтрансформаторов, однако, есть и существенные недостатки. Они связаны снеобходимостью защиты трансформатора от выхода его из сверхпроводящегосостояния при перегрузках, коротких замыканиях, перегревах, когда магнитноеполе, ток или температура могут достичь критических значений.
Впоследние годы становится все более близкой к осуществлению мечта осверхпроводящих линиях электропередачи. Все возрастающая потребность вэлектроэнергии делает очень привлекательной передачу большой мощности набольшие расстояния. Советские ученые убедительно показали перспективностьсверхпроводящих линий передачи. Стоимость линий будет сопоставима со стоимостьюобычных воздушных линий передачи электроэнергии (стоимость сверхпроводника, еслиучесть высокое значение критической плотности его тока по сравнению сэкономически целесообразной плотностью тока в медных или алюминиевых проводах,невелика) и ниже стоимости кабельных линий. Осуществлять сверхпроводниковыелинии электропередачи предполагается так: между конечными пунктами передачи вземле прокладывается трубопровод с жидким азотом. Внутри этого трубопроводарасполагается трубопровод с жидким гелием. Гелий и азот протекают потрубопроводам вследствие создания между исходным и конечным пунктами разностидавлений. Таким образом, ожижительно-насосные станции будут лишь на концахлинии. Жидкий азот можно использовать одновременно и в качестве диэлектрика.Гелиевый трубопровод поддерживается внутри азотного диэлектрическими стойками(у большинства изоляторов диэлектрические свойства при низких температурахулучшаются). Гелиевый трубопровод имеет вакуумную изоляцию. Внутренняяповерхность трубопровода жидкого гелия покрыта слоем сверхпроводника. Потери втакой линии с учетом неизбежных потерь на концах линии, где сверхпроводникдолжен стыковаться с шинами при обычной температуре, не превысят несколькихдолей процента, а в обычных линиях электропередачи потери в 5...10 раз больше!
Основойэнергетики начала XXI века могут стать атомные и термоядерные станции счрезвычайно мощными электрогенераторами. Электрические поля, порожденныесверхпроводящими электромагнитами, могучими реками смогут перетекать посверхпроводящим линиям электропередачи в сверхпроводящие накопители энергии,откуда по мере необходимости будут отбираться потребителями. Электростанциисмогут равномерно вырабатывать мощность и днем, и ночью, а освобождение их отплановых режимов должно повысить экономичность и срок службы главных агрегатов[9].
Кназемным электростанциям можно добавить космические солнечные станции. Зависнувнад фиксированными точками планеты, они должны будут преобразовывать солнечныелучи в коротковолновое электромагнитное из лучение, чтобы посылатьсфокусированные потоки энергии к наземным преобразователям в токи промышленнойназначения. Все электрооборудование наземно-космических электрических системдолжно быть сверхпроводящим, в противном случае потери в проводниках конечнойэлектропроводности окажутся, по-видимому, неприемлемо большими.
Заключение
Мировоззрение и благосостояние человека в достаточной степенизависит от прогресса науки.
Маленькойдрожащей стрелке, с одного конца выкрашенной в черный цвет, с другого – вкрасный, мы обязаны удивительными открытиями. Неизвестные миры, экзотическиеживотные, благоухающие острова, ледяные континенты и не знающие цивилизациинароды предстали перед глазами изумленных «водителей фрегатов», сверявших свойпуть с маленькой стрелкой компаса...
Вогромном арсенале средств современной науки магнит занимает совершенно особое место.Без него невозможно никакое исследование, никакая наука, никакаяпромышленность, никакая цивилизованная жизнь. Если вспомнить еще и о том, чтоне обладай Земля магнитным полем, она была бы сейчас испепеленной космическимизлучением планетой, как Марс, то можно почувствовать к магнитам нечто вродеблагодарности.
Нокроме благодарности магнит достоин и уважения – ведь если мыслить висторических масштабах, то приходится сознаться, что мы немногое еще можемсказать о природе притяжения магнита.
Вопросмагнитного притяжения еще сотни лет будет волновать умы мальчишек и ученых. Нестанем переоценивать своих знаний. Кто это делает, часто попадает впросак.Вспомним, что было написано об электричестве в 1755 г. в одном лондонском еженедельнике: «Электричество – сила, хорошо изученная человеком. Еес успехом применяют для лечения болезней, эта сила способна ускорять развитиерастений» [2].
Этислова были написаны до Фарадея, Ампера, Максвелла, когда люди, как теперь смеломожно утверждать, почти ничего не знали об электричестве. А теперь, во второйполовине XX века, вряд ли какой-нибудь ученый найдет в себе смелостьутверждать: «Электричество – сила, хорошо изученная человеком».
Мымного знаем об электричестве и магнетизме и с каждым днем узнаем все больше ибольше. Но за одной проблемой встают другие, не менее сложные и интересные.Жизнь всегда будет полна загадок. И наряду с самыми сложными – загадкой жизни изагадкой Вселенной – загадка магнита всегда будет давать пищу для любознательногоума.
АльбертЭйнштейн на всю жизнь запомнил тот день, когда ему, четырехлетнему ребенку,подарили новую игрушку – компас. На всю жизнь сохранил он детскую удивлённостьчудесными свойствами магнита, теми самыми свойствами, которые тысячи лет назадволновали наших предков [2].
Врядли когда-нибудь найдется человек, который возьмет на себя смелость утверждать:«Я постиг загадку магнита!» Однако ученые, познавшие удивительно небольшуютолику тайны, смогли создать устройства, способные соперничать с самымисильными магнитами, созданными природой.
Список используемой литературы
1. Большая советская энциклопедия.Издательство «Советская энциклопедия», М., 1974.
2. Дягилев, Ф.М. Из истории физики ижизни ее творцов: учебное пособие для вузов / Ф.М. Дягилев. — М.: Просвещение,1986г. – 280 с.
3. Кабардин, О.Ф. Физика: Справ.Материалы: Учеб. Пособие для учащихся. / О.Ф. Кабардин. — 3-е изд. — М.:Просвещение, 1991. – 367с.: ил.
4. Карцев, В.П. Магнит за тритысячелетия / В.П. Карцев. — М.: Знание, 1986г. – 230 с.
5. Лось, В.А. История и философиянауки. Основы курса: учебное пособие / В.А. Лось. — М.: Издательство – торговаякорпорация «Дашков и К0», 2004.- 404 с.
6. Милковская, Л.Б. Повторим физику:учебное пособие для вузов / Л.Б. Милковская. – М.: Высшая школа, 1991– 307с.:ил.
7. Симоненко, О.Д.Электротехническая наука в первой половине XX века. / О.Д. Симоненко. — М.: Знание, 1988г. – 325с.
8. Современнаярадиоэлектроника (50—80-е гг.) / В.П. Борисов [и др.]; под ред. В.П. Борисова,В.М. Родионова. — М.: Омега-Л, 1993. – 340 с.
9. Холодов, Ю.А. Человек в магнитнойпаутине: / Ю.А. Холодов. – М.: Знание, 1972 г. – 173 с.
10. Электромагнитные динамометры//Наукаи техника. — 2008. — №5. — с.25-27