Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

Не менее интересной, чем конкурс на самый быстрый двигатель, хоть и по совершенно иной причине, я считаю демонстрацию, которую провожу на своих лекциях, с электрической катушкой диаметром около 30 сантиметров и проводящей пластиной. Как вы уже знаете, электрический ток, проходя через катушку, создает магнитное поле. Переменный электрический ток в катушке генерирует переменное магнитное поле. (Напомним, что ток, созданный аккумулятором, является постоянным.) Поскольку частота переменного тока в моем лекционном зале составляет 60 герц, как везде в США, ток в моей катушке меняет направление на обратное каждые 1/120 секунды. Когда я помещаю такую катушку прямо над металлической пластиной, переменное магнитное поле (я называю его внешним магнитным полем) пронизывает проводящую пластину. По закону Фарадея, оно заставляет ток в металлической пластине двигаться; это явление известно как вихревые токи. Последние, в свою очередь, создают собственные переменные магнитные поля. В результате получается два магнитных поля: внешнее магнитное поле и поле, создаваемое вихревыми токами.

Примерно половину времени в 1/60-секундный цикл два магнитных поля будут иметь противоположную направленность и катушка станет отталкиваться пластиной; в течение другой половины магнитные поля будут направлены одинаково и пластина будет притягивать катушку. По причинам, которые слишком сложны, чтобы обсуждать их здесь, на катушку действует достаточно сильная результирующая отталкивающая сила, способная заставить катушку парить в воздухе. Вы можете увидеть это на видео курса 8.02, лекция № 19 по адресу: http://videolectures.net/МТИ802s02_lewin_lec19/. Ищите на сорок четвертой минуте и двадцатой секунде лекции.

Однажды мне пришло в голову, что нам следует использовать эту силу для левитации человека, и я решил поднять в воздух женщину – как это делают фокусники, – создав на лекции гигантскую катушку и положив даму сверху. Мы с моими друзьями Маркосом Хэнкином и Билом Сэнфордом (из группы физических демонстраций МТИ) бились изо всех сил, чтобы получить достаточное количество тока, но каждый раз все заканчивалось срабатыванием автоматических прерывателей цепи. В итоге мы позвонили в отдел материального обеспечения МТИ и заявили, что нам нужно получить несколько тысяч ампер тока. В ответ мы услышали смех. «Чтобы дать вам такой ток, нам придется перепроектировать весь университет!» – сказали они нам. Нас это сильно расстроило, тем более что к тому времени довольно много женщин предложили нам свои услуги в качестве объекта левитации. И мне пришлось сообщать им всем об отказе от этой замечательной затеи. Впрочем, нас это не остановило, в чем вы можете убедиться примерно на сорок седьмой с половиной минуте моей лекции. Я сделал все, чтобы выполнить свое обещание; просто женщина оказалась намного легче, чем я планировал первоначально.

Электромагнетизм спешит на помощь

Парящая в воздухе женщина – весьма убедительная и забавная демонстрация, но магнитная левитация имеет множество других, еще более удивительных и гораздо более полезных применений. В частности, это основа для ряда новых технологий, благодаря которым человечество получило несколько самых крутых, самых быстрых и наименее загрязняющих окружающую среду транспортных средств в мире.

Вы наверняка слышали о магнитной подвеске высокоскоростных поездов. Многие считают эти поезда просто невероятными, ведь они, кажется, сочетают в себе магию невидимых магнитных сил с современнейшим аэродинамичным дизайном, и все это движется на поистине потрясающих скоростях. Поезд на магнитной подвеске базируется на принципе магнитной левитации. Всем известно, что если подвести магнитные полюса близко друг к другу, они либо притягивают, либо отталкивают друг друга. В основе поездов на магнитной подвеске лежит замечательная мысль, что, отыскав способ контролировать эту силу притяжения или отталкивания, можно сделать так, чтобы поезд левитировал над рельсами, а затем тянуть либо толкать его на высокой скорости в нужную сторону. В поезде одного такого вида, работающего за счет электромагнитной подвески (EMS – electromagnetic suspension), электромагниты поднимают его с помощью силы магнитного притяжения. Эти поезда имеют С-образную консоль, проходящую под ними, верхняя часть которой прикреплена к поезду, а на нижней ниже уровня путей на поверхности крепятся магниты, поднимающие поезд по направлению к рельсам, изготовленным из ферромагнитного материала.

Поскольку никому не нужно, чтобы поезд «присосался» к рельсам, а сила притяжения по природе своей нестабильна, необходима сложная система обратной связи, позволяющая удерживать такие поезда на нужном расстоянии от рельсов, которое, кстати, всего около двух сантиметров! Отдельная система синхронно включающихся и выключающихся электромагнитов обеспечивает поступательное движение поезда.

Второй основной тип системы поезда на магнитной подвеске, известной как электродинамическая подвеска (EDS – electrodynamic suspension), базируется на принципе магнитного отталкивания; в нем используются замечательные устройства, называемые сверхпроводниками. Сверхпроводник представляет собой вещество, которое при очень низких температурах не имеет электрического сопротивления. В результате сильно охлажденной катушке, изготовленной из сверхпроводящего материала, требуется совсем незначительная электрическая мощность, чтобы генерировать очень сильное магнитное поле. Еще удивительнее то, что сверхпроводящий магнит может действовать как магнитная ловушка. Если подвести близко к нему другой магнит, взаимодействие гравитации и сверхпроводника удерживает магнит на определенном расстоянии. В результате поезда на магнитной подвеске, в которых используются сверхпроводники, изначально намного устойчивее, чем поезда системы EMS. Если вы попробуете соединить сверхпроводник с магнитом или развести их, то увидите, что сделать это довольно трудно. Оба упорно хотят оставаться на одном и том же расстоянии друг от друга. (Очень интересное небольшое видео, наглядно демонстрирующее взаимосвязь между магнитом и сверхпроводником, можно найти по адресу: http://www.youtube.com/watch?v=nWTSzBWEsms.)

Если поезд с магнитами на днище слишком сильно приближается к колее, в которой установлены сверхпроводники, сила отталкивания усиливается и отталкивает его. Если же он отдаляется чересчур далеко, сила тяжести тянет его назад к колее. В результате вагоны парят в воздухе в устойчивом состоянии равновесия. И перемещение поезда вперед, для чего также используется в основном сила отталкивания, в них проще, чем в системах EMS.

Оба описанных выше метода имеют свои плюсы и минусы, но в обоих эффективно устранена серьезная проблема трения, характерная для традиционных железнодорожных колес – основной компонент износа, – и при этом обе системы обеспечивают гораздо более плавную, бесшумную и самое главное быструю езду. (Хотя обеим системам по-прежнему приходится преодолевать сопротивление воздуха, которое быстро возрастает с увеличением скорости поезда. Именно поэтому их дизайн максимально аэродинамичен.) Так, например, знаменитому Шанхайскому маглеву (maglev – magnetic levitation), работающему на электромагнитной подвеске и запущенному в 2004 году, требуется примерно 8 минут, чтобы проехать около 30 километров, отделяющих город от аэропорта; его средняя скорость (по данным на 2008 год) составляет 224–251 километр в час, хотя он способен развивать максимальную скорость до 431 километра в час – больше, чем любой другой высокоскоростной поезд в мире. Вы можете увидеть короткое видео этого поезда, снятое его производителями, по адресу: www.youtube.com/watch?v=weWmTldrOyo. А самая высокая скорость, когда-либо зарегистрированная для поездов на магнитной подвеске, принадлежит японской испытательной трассе, на которой поезд JR-Maglev летит с поистине непостижимой скоростью 580 километров в час. Короткий, но очень впечатляющий фильм о японском поезде смотрите на сайте: www.youtube.com/watch?v=VuSrLvCVoVk&feature=related.

На YouTube много забавных и информативных видео, посвященных этой новой технологии. В одном из них мальчик подвешивает в воздухе автоматический карандаш с помощью шести магнитов и куска пластилина; эту демонстрацию вы легко можете воспроизвести в домашних условиях: www.youtube.com/watch?v=rrRG38WpkTQ&feature=related. Но непременно посмотрите еще одно видео, где используется конструкция со сверхпроводником. В нем показана модель вагона поезда, летящая по путям, и даже есть небольшой анимированный пояснительный раздел: www.youtube.com/watch?v=GHtAwQXVsuk&feature=related.

Однако моя наилюбимейшая демонстрация maglev-технологии – замечательный маленький волчок, известный как левитрон. Вы можете увидеть разные версии на сайте www.levitron.com. У меня в кабинете хранится одна из ранних моделей, приводящая в восторг сотни моих посетителей.