Электромагнит можно перегружать, если увеличить ток, обтекающий обмотку. Форсаж это последний резерв на пути достижения сверхсильных полей, поэтому магнитные рекорды обычно принадлежат создателям импульсных систем.
Это направление берет начало от Вольта, который, заинтересовавшись электрическими рыбами, попробовал построить что-то подобное живой природе. Нильский сомик оказался слабым, гораздо лучше рыба Торпедо гигантский электрический скат. Создавая разряд напряжением 50...60 В, он может убить зашедшего в воду теленка, электрический угорь Амазонки создает импульс напряжением до 500 В.
До Вольта уже были известны такие способы создания электричества, как натирание стекла шерстью, лейденская банка, нагрев турмалина. Сам Вольта научился электризовать жидкости кипячением и химическими реакциями, потом он построил вольтов столб, опустив два разнородных металла в едкую жидкость, однако этот источник не имел с Торпедо ничего общего, хотя изобретатель придал своей конструкции форму рыбы.
Потом природой электрического удара угря занялся Фарадей. 6 декабря 1838 г. он доложил результаты опытов перед Королевским обществом. Фарадей использовал два металлических электрода, один конец которых касался рыбы, а к другому были присоединены медные проводнички. Они, в свою очередь, крепились к небольшому соленоиду проволочной спирали, внутри которой помещалась железная проволока. Во время разряда угря соленоид создавал относительно сильное магнитное поле, которое намагничивало проволочку. По расположению магнитных полюсов проволочки Фарадей определял полярность напряжения рыбы. Этот эксперимент долго оставался экзотическим эпизодом в истории физики. И лишь много лет спустя всерьез начал заниматься изучением импульсных магнитных полей замечательный советский физик академик П. Л. Капица.
Петр Леонидович Капица родился в 1894 г. в Кронштадте. Он окончил Петроградский политехнический институт и в 1921 г. был послан в Лондон в составе первой советской научно-промышленной делегации. Петр Леонидович и не предполагал тогда, что долго проживет в Англии, создаст там собственную школу и превратится из скромного доцента в ученого с мировым именем. Большую роль во всем этом сыграл другой член делегации, известный физик А. Ф. Иоффе. Это он послал Капицу в Кембридж просить место в лаборатории знаменитого физика Э.Резерфорда. Однако Резерфорд заколебался: в его сургучно-веревочной, хотя и блестящей ядерной лаборатории уже работало 30 стажеров. Говорят, что Капица тогда заметил: 30 и 31 различаются примерно на 3%; поскольку Вы всегда предостерегаете против рабской точности измерений, такая трехпроцентная разница вовсе не будет Вами замечена. Правильна ли эта версия, сказать трудно, но так или иначе Капица остался у Резерфорда (с условием не вести красную пропаганду), и вскоре скромный стажер, плохо знающий английский язык, стал близким к Резерфорду человеком, имеющим свою лабораторию. Вслед за Фарадеем Капица обратился к импульсным магнитным полям, задумав довести их до небывалой силы.
Вот история восхождения молодого советского физика в Кембридже, в Кавендишской лаборатории Резерфорда, описанная им самим в письмах к матери О. И. Капице.
12 августа 21-го года.
...Вчера в первый раз имел разговор на научную тему с профессором Резерфордом. Он был очень любезен: повел к себе в комнату, показывал приборы. В этом человеке, безусловно, есть что-то обаятельное, хотя порою он и груб.
1 ноября 21-го года.
...Результаты, которые я получил, уже дают надежду на благополучный исход моих опытов. Резерфорд доволен, как передавал мне его ассистент. Это сказывается на его отношении ко мне. Когда он меня встречает, всегда говорит приветственные слова. Пригласил в это воскресенье пить чаи к себе, и я наблюдал его дома. Он очень мил и прост... Но... когда он недоволен, только держись, так обложит, что мое почтение.
Для изучения свойств альфа - частиц П. Л. Капица предложил помещать камеру Вильсона в магнитное поле. В нем траектория заряженной частицы искривляется, причем радиус искривления зависит от импульса частицы.
29 ноября 1922-го года.
Для меня сегодняшний день до известной степени исторический... Вот лежит фотография на ней только три искривленные линии полет альфа - частицы в магнитном поле страшной силы. Эти три линии стоили профессору Резерфорду 150 фунтов стерлингов, а мне и Эмилю Яновичу трех с половиной месяцев усиленной работы. Но вот они тут, и в университете о них все знают и говорят. Странно: всего три искривленные линии! Крокодил очень доволен этими тремя искривленными линиями. Правда, это только начало работы, но уже из этого первого снимка можно вывести целый ряд заключений, о которых прежде или совсем не подозревали, или же догадывались по косвенным фактам. Ко мне в комнату в лабораторию приходило много народу смотреть три искривленные линии, люди восхищались ими...
4 декабря 1922-го года.
Я эти дни был что-то вроде именинника, 2-го в субботу был прием у проф. Дж. Томсона по случаю приезда голландского физика Зеемана. Конечно, надо было напялить смокинг. Я говорил с Зееманом, и меня представляли примерно таким образом, что это, дескать, такой физик, который решает такие проблемы, которые считаются невозможными (для решения). И эти генералы меня трепали около 20 минут, пока я не ушмыгнул в угол... Сегодня Зееман и лорд Релей (сын) были у меня в лаборатории и смотрели мою работу...
15 июня 1923-го года.
Вчера был посвящен в доктора философии... Мне так дорого стоил этот миг, что я почти без штанов. Благо Крокодил дал взаймы, и я смогу поехать отдохнуть...
Проведя серию экспериментов в магнитных полях до 43 тыс. Э (4,3 Тл), Капица решил распространить измерения на более сильные поля. Для этого необходимо было создать соленоиды, поле которых превышало бы прежнее примерно в 10 раз.
Основные трудности при создании сильных полей заключаются в том, что для этого необходим источник тока огромной мощности, кроме того, существует опасность разрушения соленоида при нагревании. Для решения этих проблем Капица предложил создавать сильные магнитные поля на очень короткое время в течение которого можно еще провести необходимые измерения и в то же время избежать разрушения соленоида.
Известно, что любая обмотка обладает тепловой инерцией: она не может мгновенно нагреться до температуры плавления даже под влиянием очень большого тока. В системах, работающих кратковременно, упрощается проблема источника сильного тока. Поэтому в качестве такого источника можно использовать устройства, способные дать мгновенный мощный разряд, следующий за относительно продолжительным периодом зарядки. Таких устройств довольно много. Можно, например, использовать электрическую энергию, накопленную в конденсаторной батарее, работающей при разрядке практически в режиме короткого замыкания. Можно воспользоваться магнитной энергией, накопленной в магнитном поле трансформатора. По расчетам Капицы, для получения магнитного поля 50 Тл понадобится трансформатор с малым числом витков на вторичной обмотке, с сердечником длиной 2...3 м и диаметром 30...40 см.
Модельный эксперимент с использованием магнитного поля трансформатора был без промедления проведен П. Л. Капицей вместе с известным английским физиком П. М. С. Блэкеттом. Эксперимент оказался неудачным. Выяснилось, что быстро механически разорвать первичную цепь трансформатора почти невозможно: при разрыве появляется дуга, и энергия намагниченного железа, вместо того чтобы обрушиться лавиной во вторичную цепь, возвращается в первичную и выделяется в дуге.
Конденсаторы также оказались непригодными, поскольку в то время они были весьма несовершенны и громоздки.
П. Л. Капица обратился к аккумуляторным батареям. Их тоже пришлось специально конструировать, поскольку необходимо было, чтобы их собственная емкость и активное сопротивление были бы минимальными. С помощью новых аккумуляторных батарей при их коротком замыкании удалось мгновенно получить ток 7 тыс. А и мощность 1000 кВт. Разряжая батарею на один из соленоидов с внутренним диаметром 1 мм, П.Л. Капица получил на 0,003 с (пока соленоид не разрушился) магнитное поле 50 Тл. С помощью этой батареи было испытано множество соленоидов самых разнообразных конструкций. В одном из соленоидов, навитом медной лентой, можно было проводить измерения в поле до 13 Тл. Когда же этот соленоид поместили на время опыта в жидкий азот, оказалось возможным проводить регулярные измерения в магнитном поле с индукцией 25 Тл. Это было тем максимумом, которого удалось в то время добиться с помощью аккумуляторов. Для получения больших полей необходимо было искать другой, более мощный источник электроэнергии, который должен был давать мощность порядка 50 тыс. кВт в течение времени, пока обмотка не нагреется до 150 С (тепловой предел электроизоляции), т.е. в течение 0,01 С.
В январе 1923 г. в Лондоне П. Л. Капица познакомился с молодым советским инженером М. П. Костенко, в то время работавшим в Англии. Костенко, как и Капица, был инженером-электромехаником по образованию и окончил тот же Политехнический институт. Вскоре они подружились. Петр Леонидович предложил своим новым друзьям супругам Костенко вместе съездить в отпуск во Францию. Он помог им получить французские визы, и они вместе отпраздновали в Париже День взятия Бастилии.
Интересно, что в то время Костенко как раз занимался теми вещами, которые могли заинтересовать Капицу, он разрабатывал, в частности, электромагнитный молот и электромагнитную пушку специализированные электромеханические системы, важным элементом которых была электрическая машина, работающая в режиме короткого замыкания.
Для опытов Капицы нужны были большие токи на весьма небольшие моменты времени. И он подумывал о токах короткого замыкания. Костенко, уже работавший с генераторами, действующими в условиях коротких замыканий (электромагнитный молот), предложил использовать для этой цели большие всплески тока, возникающие при внезапном коротком замыкании синхронных генераторов. В качестве нового источника большой мгновенной мощности можно было взять быстроходный синхронный генератор, чтобы использовать в течение небольшого промежутка времени запасенную ранее электромагнитную и кинетическую энергию ротора.