Самый сильный магнит в мире! [Veritasium]
[музыка] Это самый мощный магнит на свете, он притягивает к себе предметы, генерирует электрический ток, в это видели, заставляет немагнитные объекты парить в воздухе и творит непотребство со съемочным оборудованием. Провод реагирует, если здесь ему осматриваться. Электроны просто не понимают, куда лететь, у них меняется направление. В общем, если будут какие-то сбои видео или звука, это из-за того, что снимать в таких магнитных полях не просто.
Я отправился в национальную лабораторию сильных магнитных полей в столице Флориды, Таллахасси. С 2000 года они вписаны в книгу рекордов Гиннеса за самые сильные постоянные магнитные поля. Кто-то оставил офисное кресло там, где не положено — его притянуло к магниту и просто вырвало весь механизм. В общем, теперь сидим на этих чудесных и абсолютно неудобных деревянных стульях.
Для сравнения, магнитное поле Земли — 0,005 Тесла, магнитик у вас на холодильнике — около 1/100 Тесла. В аппаратах МРТ индукция доходит до трех Тесла, а этот магнит способен создать электромагнитное поле до 45 Тесла, то есть примерно в миллион раз мощнее, чем у нашей планеты. Это позволяет добиться конструкции из внешнего сверхпроводящего магнита и внутреннего резистивного электромагнита. Зачем нужны сразу оба — скоро объясню.
Весь аппарат высоту занимает около двух этажей. Но самое сильное магнитное поле возникает в центре узкого цилиндрического канала, который проходит через его середину. Он же сейчас выключен, сейчас не магнитит. Можно туда палец засунуть, или лучше не стоит. Да нет, можно, ничего страшного не будет.
Что тут у нас? То есть вон там 45 Тесла ниже, примерно на глубине метра, на метр ниже. То есть это сквозная труба вниз до отверстия, проходит до самого низа. Ого, самое сильное поле распространяется примерно на сантиметр. Здесь используются очень маленькие образцы, размером с чип в компьютере или смартфоне. Примерно с таким сюда приходят исследователи, этого более чем достаточно для того, чем занимаются в материаловедении и физике твердых тел.
Мы не можем заглянуть в центр аппарата и снять там видео, поэтому экспериментировать будем с магнитным полем над ним и вокруг на этой площадке. То есть магнит там, да, но магнитное поле доходит до места, где мы стоим и даже дальше. Это называется краевое поле, оно гораздо слабее 45 Тесла, но все равно довольно опасно.
Краевое поле таких сверхпроводящих магнитов зависит от размера отверстия: чем оно больше, тем дальше распространяется поле. Магнитный поток не проходит сквозь обмотку, и формируются замкнутые силовые, они расходятся все дальше и дальше, создавая поле. Эта полоска отмечает порог в 100 Гаусс для краевого поля.
А что происходит с предметами, которые оказываются рядом с ним? Вытянутые предметы разворачиваются по направлению поля. Если, например, положим ножницы на стол вот так, они начнут поворачиваться сами по себе. А если положить их слишком близко к краю, они улетят со стола. А когда вы это заметите, будет уже поздно ловить, поэтому за этой линией не должно быть никаких ферромагнитных объектов.
Если у вас есть нечто подобное, например, металлические импланты, кардиостимулятор — есть у кого-то? У вас нет? Хорошо. Чтобы магнит разогнался и заработал в полную силу, придется подождать часа полтора. Дело в том, что сначала нужно накачать во внешнюю сверхпроводящую магнит 47 тысяч ампер тока. 47 тысяч ампер — просто с ума сойти!
Ну что, пора уже посмотреть на всю мощь магнитного поля. Очевидно, что при сильном поле к магниту начнут притягиваться предметы с магнитными свойствами. Мы разрезали игрушечный футбольный мяч, поместили внутрь несколько стальных шайб и тщательно заклеили, чтобы они не выскочили. Углубление над магнитом мы накрыли, чтобы мяч не втянуло внутрь. Вот это обычный мяч без металла. Естественно, очень легко понять, в каком мяче спрятаны шайбы.
Мне было интересно узнать, притянется ли мяч, если кидать его сбоку снаружи. Сначала я промахивался, а потом мяч поскакал между стенок и где-то застрял. Но вообще иногда получается вот так. Если вы вдруг раздобыли мощный магнит, попробуйте достать ферромагнитную жидкость. Такие жидкости состоят из смеси наночастиц магнетита — минерала, в котором содержится железо, и органического растворителя с добавлением поверхностно-активных веществ.
При воздействии магнитного поля частички самоорганизуются, как металлические опилки вокруг магнитного бруска. В нашем случае ферромагнитная жидкость начала жевать уже в нескольких метрах от магнита. Когда мы поднесли емкость ближе, на поверхности выступили хорошо различимые шипы — это частички магнетита выстраивались так под влиянием поля. Еще ближе — и жидкость поползла вверх по стенкам емкости. Мне очень сильно, но все же она как будто сопротивляется.
А теперь попробуйте наклонить в одну сторону. Большое на самом деле именно благодаря магнетиту люди когда-то и открыли явление магнетизма. Как минимум 3000 лет назад минерал с магнитными свойствами обнаружили в Греции, в области, известной под названием Магнесия. Есть версия, что отсюда и взялось название «магнит». В Греции их называли камнями из магнезии. Одно из английских названий означает «притягивающий камень». Было известно, что они притягивают друг к другу куски железа.
Уже к 11 веку в Китае сообразили, что из магнита можно сделать стрелки для компаса, и они всегда будут указывать в одном и том же направлении. В сторону, которая указывала на север, называли северным магнитным полюсом, а вторую — южным магнитным полюсом, хотя мы сейчас просто говорим «северные» или «южный полюс магнита».
Ну почему? Всего есть магнитные свойства. Электроны — это по сути очень маленькие магниты, но в большинстве атомов они разбиты по парам: один смотрит в одну сторону, второй — в другую, и поля компенсируются. Не бывает, чтобы на внешней орбитали не хватало электронов, чтобы все были по парам, и тогда у атомов получается свое магнитное поле.
Однако, если соседние атомы смотрят в разные стороны, то они компенсируют поля друг друга, и вещество в целом не проявляет магнитных свойств. Поля магнитных доменов — скопление атомов, которые смотрят в одну сторону, могут отменить поля соседних доменов, где атомы развернуты иначе. Поэтому необходимо одинаково расположить атомы во всех доменах.
Видели раньше такие магнитики? Вот это пока что просто кусочки металла. Все, что нам нужно, это поместить их в очень сильное магнитное поле. Пока тут ничего не магнитится, они не цепляются друг к другу. Но вот мы загружаем их в катушки Гельмгольца, и у нас получается постоянный магнит. Материалы, которые так себя ведут, называются ферромагнитными. Их название пошло от железа — самого известного вещества с магнитными свойствами, но также проявляет себя никель и кобальт.
Однако еще интереснее наблюдать, как ведут себя в поле самого мощного на свете магнита неферромагнитные материалы. Мы подготовили четыре пластины из таких материалов: тут два вида пластика, медь и алюминий. Пока они просто стоят рядом, никакой разницы в их поведении нет. Но если отпустить листы из материалов, которые проводят электричество, падают заметно медленнее.
Вот почему. Пока металлический лист падает в поле, число магнитных линий, которые сквозь него проходят, меняется. Из-за этого в металлическом листе появляются так называемые вихревые токи, а они, в свою очередь, создают собственное магнитное поле, которое сталкивается с полем от магнита.
В соответствии с правилом Ленца, когда лист падает в направлении северного магнитного полюса, индуцированные токи создают свой северный полюс, который отталкивает лист обратно, замедляя скорость падения. Итак, пока наш лист из металла падает, в нем образуются вихревые токи. Некоторое количество энергии выделяется в виде тепла.
Посмотрим, сумеем ли мы его засечь. Он сейчас замедляется, потому что поле становится сильнее. Большой разницы нет, но все-таки заметно, что по мере падения лист металла немного нагревается. Мне удалось побывать во Дворце открытий в Париже, и там я видел электромагнитный левитатор. В нем для того, чтобы поддерживать воздухе пластину, используется переменный ток. Однако возникающие вихревые токи так разогревают эту пластину, что вода на её поверхности вскипает.
Только посмотрите, как горячо, про себя я называю правило Ленца! Не потому, что вы ни делали, вам мешает сама природа. Луна падает — вихревые токи отталкивают его и замедляют падение. Если попробовать его поднять, природа такая. Нет, сейчас южный магнитный полюс образовался под металлическим листом, из-за чего тот притягивается к магниту.
И вот объясняя, потом что это не я такой хилая поднимать лист очень-очень тяжело! Ах, получилось! Боже, как тяжело! Силен, как бык! Как бы я ни старался, металлический лист ни в какую не хотел быстрее опускаться на пол. Даже если бы мне удалось это, ускорило бы изменения магнитного потока, усилило бы индуцированные токи и соответствующее магнитное поле. Это издевательство какое-то!
Очень странно. Мы испытали рядом с магнитом несколько предметов из проводящих, но не ферромагнитных материалов. Например, вот этот толстый алюминиевый диск бросаем его сверху прямо на магнит — а физика говорит: "Нет, катим его над магнитом!" И опять он ни в какую не идет.
Еще мы брали завернутую в фольгу волейбольный мяч и бросали его через магнит и просто на магнит сверху, но снова при изменении магнитного потока возникают вихревые токи с собственным полем, которое сталкивается с полем магнита. Мы захотели проверить тормозящую силу краевого поля от магнитов 45 Тесла. Для этого решили пострелять над ним из картофельной пушки специальными снарядами.
Готовы? Да, можно! Три, два, один — есть контакт! Так снаряд летел без магнитного поля, а вот так, когда оно появилось. Сравните запись! Видно, что попадая в магнитное поле, он разворачивается под воздействием вихревых токов, то есть снаряд всегда смотрит по направлению магнитных линий, за счет чего снижается влияние изменения магнитного потока, который он испытывает.
Три, два, один! В некоторые снаряды мы добавили медные катушки со светодиодами. Диоды мы подключили таким образом, что как бы не было направлено поле, один из них загорится. Если все получится, то когда эта штука будет пролетать над магнитом, мы увидим изменения поля по цвету диода.
Как и следовало ожидать, лампочки в снарядах загорались по очереди, показывая изменения тока в катушке. [музыка] До этого мы рассматривали те случаи, когда энергия индуцированного тока рассеивалась в виде света или тепла, но что случится, если взять материал, который так не делает, например, сверхпроводник ниже критической температуры?
А высокотемпературным сверхпроводнике, который мы взяли, важно знать две вещи. Во-первых, если температура опускается ниже значения критического для материала, его сопротивление падает почти до нуля. А значит, когда при приближении магнита в нем возникнет ток, компенсирующий изменение магнитного потока благодаря сверхпроводимости материала, этот ток никуда не денется и продолжит взаимодействовать с магнитным полем.
Во-вторых, в материале есть вкрапления, которые не являются сверхпроводниками. В сверхпроводниках всегда есть дефекты — такая вторая фаза, которая схватывает линии магнитного поля, не даёт им сдвигаться. Предмет больше не может ни подниматься, ни опускаться, потому что мы в каком-то смысле зафиксировали конфигурацию магнитного поля.
Это левитатор для человека. Он сконструирован из магнита весом 40 кг, который парит над кольцом сверхпроводников. То есть я встаю на магнит, а под ним это кольцо сверхпроводников. Да, так и есть, когда я собираюсь на магнит, его прижимает к сверхпроводникам. Но возросшие магнитные потоки сталкиваются с сопротивлением токов от сверхпроводников, которые создают магнитное поле, сопротивляющееся магнитному полю магнита, на котором я стою.
А сохранение углового момента — вот да! И вот я парю над сверхпроводниками. У меня еще есть ветроду. Если хочешь покататься — серьезно! Ну, если хочешь! [музыка] Есть и другой способ левитировать в магнитном поле, для которого не нужно индуцировать никакие вихревые токи. Дело в том, что, в действительности, магнитные свойства есть у всех без исключения материалов.
Но их сложно обнаружить вне сильного магнитного поля. Некоторые вещества всегда притягиваются к магнитным полям — это называется парамагнетизм. Возьмем, например, кислород: здесь с кончика капает жидкий кислород, и он притягивается к магниту. Неважно, какой у нас магнитный полюс — северный или южный.
Внешнее поле в совокупности с магнитным полем материала порождает более сильное поле, отсюда и притяжение. Другие вещества, которых большинство, при достаточно сильном магнитном поле отталкиваются, как от южного, так и от северного магнитного полюса. Это явление известно как демагнетизм. Наглядный пример — вода. При наличии внешнего поля молекулы воды превращаются в перевернутый магнит и, собственно, отталкиваются.
Как видите, когда мы подносим магнит в воде, появляется небольшое углубление. При достаточно сильном магнитном поле эти свойства можно использовать, чтобы поднимать объекты, которые мы никогда не назвали бы магнитами. Сейчас мы попробуем поле послабее — всего 31 Тесла. Это позволит нам установить перископ и заглянуть в трубу. Тогда камера сможет, если направить камеру сюда, то через зеркало как раз будет видно замечательно.
Обычная клубника станет магнитной при достаточном магнитном поле. Магнитными свойствами просто недостаточно сильного поля, чтобы это увидеть. Да, верно, в клубнике много воды, а вода сама по себе. О, здорово, просто чудесно! Чудесно! Также ведет себя малина и маленький кусочек пиццы. В живых организмах достаточно воды, чтобы левитировать по такому же принципу.
В этой лаборатории устроить демонстрацию не получится, но вообще исследователям удалось заставить парить лягушек [музыка] и кузнечиков, даже мышей. Всё для того, чтобы учёные могли изучить эффекты невесомости без полета в космос. Можно ли сказать, что такие магнитные поля безопасны для живых существ? Долгосрочных последствий для животных мы не наблюдали, но выяснили, что поляризуются кристаллы во внутренней мухе, а у грызунов это выражается в том, что они начинают крутиться.
Они бегают по кругу. Да, начинают бегать по кругу. Это довольно быстро проходит. Вопрос: как же все-таки создать самый мощный магнит в мире? К моему удивлению, одних сверхпроводящих магнитов [музыка] после которого решить эту проблему можно, расположив сверхпроводящий электромагнит вокруг обычного резистивного электромагнита.
Области, помеченные синим, зеленым и розовым — это сверхпроводящие внешние обмотки, они дают 11,5 Тесла; внутри размещается резистивный магнит, который добавляет еще 33,5 Тесла. По уравнению Максвелла поля складываются, и мы получаем 45 Тесла. Но сделать подходящий для таких мощных полей магнит из обычной проволоки — сложная задача. Если взять магнит с проволочной обмоткой, то есть самый обычный электромагнит, то он даст поле не сильнее двух Тесла.
Это из-за того, что не получится отвести тепло от внутренней части обмотки. В 1950-х Франсис Биттер и Зайти вдруг поняли, что сама по себе форма проводника неважна. Можно взять обычную обмотку и расплющить её, получится вот такая пластинка. Если совместить такие пластинки, обеспечив изоляцию, то у нас получится по сути та же спираль.
Теперь через эту спираль из проводников мы можем гонять воду, тогда ближе к середине температура расти не будет, потому что мы отводим тепло. А значит, по катушкам можно пустить электрический ток куда больше, вплоть до 57 тысяч ампер. Это намного больше, чем позволяют обычные электромагниты с обмоткой, и благодаря этому получается еще 34 Тесла — 33,5 Тесла.
Но видите, они идут стопкой, насаживаем все на штыри, сжимаем под давлением в 20 тонн и фиксируем. Благодаря этому пластинки не рассыпаются, между ними есть электрическая связь. Для охлаждения всего этого мы пропускаем 1000 литров ионизированной воды в минуту, чтобы аппарат не нагревался, потому что если катушка расплавится, то всё. Иногда материал подводит, бывает, какая-нибудь пластина переходит предел пластичности, искривляется и задевает соседние витки или даже может вызвать замыкание на корпус.
Вот реальный пример того, как это выглядит: как раз превысили предел пластичности, металлу не хватило упругости, в исходную форму он вернуться уже не смог и необратимо деформировался. Из-за этого пластина заделала соседний виток, изоляцию прожгло. Вот тут металл испарился изнутри. Лучше видно — это катушка, конец, но она была посередине. Получается, что прогорев с одной стороны, она убила внутреннюю обмотку, а прогорев с другой — наружную. В общем, дорого нам это обошлось.
Да, рекорд называется: это самая мощная постоянная магнитное поле в этом суть. Китай недавно запустил свое устройство на 45 Тесла, по концепции очень похожая на наше. Можно считать, что в мире теперь два рекордсмена. Естественно, на работу самого мощного электромагнита уходит много электроэнергии. Заметный процент электропотребления Таллахасси приходится на эту лабораторию. Если включим все, то на полных оборотах можем потреблять около восьми процентов производимой энергии.
А сколько платите за электричество? В итоге примерно 250-300 тысяч долларов в месяц! Ничего себе, очень много! Мы получаем энергию из специального резерва, который должны создавать все станции. Этим резервом можно запитать сеть, если вдруг что случится. Так вот, у нас договоренность с городом, что мы им платим за энергию, которую они обязаны производить, но никак не используют.
Но если вдруг возникнет необходимость в этом резерве, нам придётся сбавлять обороты быстрее, чем они запустят генераторы. А зачем вообще нужно поле в 45 Тесла? Во-первых, при создании новых материалов есть два этапа: сначала надо его собственно создать, а после испытать в экстремальных условиях — это, в том числе, высокое давление, низкие температуры и так далее. Это делает материал лучше и позволяет нам видеть какие-то вещи, которые раньше были недоступны. Мы лишь слегка коснулись того, что возможно. Через 25 лет мы оглянемся и поймем, что это был поворотный момент.