Когда мы включаем свет, в нашу лампу попадает электрический ток. Ток прекратится, когда станция перестанет подавать электрическую энергию или когда мы снова щелкнем выключателем и разомкнем электрическую цепь.
Батарея карманного фонаря питает маленькую лампочку. Если фонарь перестает работать, вы говорите: «Скисла батарея» и идете покупать новую. Электрический ток сразу же прекращается, если разрядится батарея, перестанет работать электростанция, произойдет разрыв в линии электропередач.
Почему же так получается?
В каждом проводнике имеются носители электричества — электроны. Это тоже атомные частицы. В атомах они обычно тесным роем окружают ядра, вращаются вокруг него. Но в проводниках часть электронов — свободная. Ведут они себя, как молекулы в газе. Их так часто и называют — «электронный газ». Это название точное. Ведь внутри проводника электроны свободно носятся во все стороны, не связанные ничем. Им не удается лишь выбраться наружу, выскочить из провода. Так же чувствуют себя и молекулы обычного газа, подлетая к стенкам сосуда, в котором расположился газ.
Когда мы включаем на электростанции рубильник или подсоединяем к лампочке карманного фонаря батарею, мы создаем электронам особые условия. В проводнике появляется электрическое поле. Вокруг Земли есть поле тяготения. Все предметы поэтому приближаются к Земле, падают вниз, если это можно. Электрическое поле действует на электрические частички — электроны, гонит их вперед. При токе переменном электроны бросаются то в одну сторону, то в другую. А при токе постоянном перемещаются с одного конца проводника к другому.
Но путешествовать электронам не так-то просто. На пути встречаются другие электроны и атомы металла, и электронам приходится преодолевать их сопротивление. Чем сопротивление меньше, тем меньше потери электрической энергии в проводах.
Когда издалека ведут линию передачи электроэнергии, провода делают очень толстыми, чтобы сопротивление уменьшить. Тогда в пути от электростанции к потребителям электрическая энергия не растратится зря.
У всякого проводника определенное сопротивление. Правда, оно зависит от температуры. Но не очень сильно. Заметим еще одно. Чем сопротивление меньше, тем больший ток потечет по проводнику.
Вот теперь перейдем к магнетизму.
Магнитную стрелку знает каждый. И электромагнит тоже каждый видел. Ничего таинственного в этих предметах нет. Компас указывает нам страны света. А почему? Почему магнитная стрелка упорно становится в одном направлении? Потому, что она попадает в магнитное поле Земли. Так отвечает вам учебник.
Земля — магнит. Это свойственно далеко не всякой планете. Вот, например, у Луны нет магнитных свойств.
Это установила наша лунная ракета. Нет сильного магнитного поля и у нашей соседки — Венеры, определил недавно американский космический корабль «Маринер-2».
Вокруг всякого магнита имеется магнитное поле. По этому полю и узнают, является ли планета магнитом. Видите, сколько разных полей может существовать в природе. Поля тяготения, электрическое, магнитное. Компас нам указывает, как на Земле расположено магнитное поле, где Северный полюс, а где — Южный. Вот на Луне путешественникам придется потруднее. Вынимаем компас. Но не тут-то было! Стрелка компаса «гуляет» в разные стороны, как хочет. Магнитного поля у Луны нет. Придется находить путь другими способами.
В магнитном поле некоторые металлы, например железо, сами становятся магнитами. Магнитная стрелка — тоже маленький магнит. Ее магнитное поле сталкивается с магнитным полем Земли. И стрелка становится в такое положение, чтобы эти поля друг другу не мешали. Кроме магнитов природных, существуют магниты искусственные. Например, электромагниты. В электромагните есть обмотка — провод, по которому течет электрический ток, и железный сердечник. Вокруг всякого проводника с током появляется магнитное поле, а железо его усиливает. Электричество и магнетизм вообще очень дружат. С помощью магнитного поля получают электрический ток. А там, где течет электричество, сразу же появляется магнетизм. Электромагниты используются буквально везде. Можно встретить громадные установки, с помощью которых перетаскивают тяжелые железные предметы. И малюсенькие электромагнитики, вроде тормоза детандера, машины для охлаждения газов.
Инженеры давно мечтали, как бы сделать сопротивление обмотки электромагнита поменьше. Тогда можно было бы изготовить особенно мощные электромагниты. Ток течет, а сопротивление ничтожно мало. Значит, ток будет очень большим. Раз ток большой, то и магнитное поле велико. А по размерам такой мощнейший магнит — фитюлька!
Вообще говоря, можно и сейчас сделать сопротивление обмоток электромагнитов маленьким. Но для этого придется сооружать их очень толстыми. Провода толстые, значит, велики размеры магнита. А инженеры хотят собрать все магнитное поле на очень маленьком участке. Чуть ли не в точке.
Вот это будет магнит! Но как его сделать?
И вдруг неожиданно у них появились надежды, что соорудить такой магнит можно. Пятьдесят лет назад голландский ученый Камерлинг-Оннес заметил, что вблизи абсолютного нуля при температуре жидкого гелия вдруг полностью пропало электрическое сопротивление ртути, с которой он экспериментировал. Пропало начисто, как будто его и не было. Заинтересованный ученый немного повысил температуру в своем криостате. Так же мгновенно появилось сопротивление.
Так была открыта сверхпроводимость — чудесный физический процесс. С ним теперь связано много разных технических проектов, еще недавно казавшихся чистой фантастикой.
Ученые начали исследовать различные проводники, искать у них это замечательное свойство.
Оказалось, что сверхпроводимость наступает у многих металлов. Только при разных температурах. Редкому металлу рутению подавай 0,46° К, то есть почти абсолютный нуль. А другие более податливы. Ученые создали специальные сплавы, для которых температуры перехода в сверхпроводимость сравнительно большие. Одно сложное соединение сурьмы с ниобием становится сверхпроводящим уже при 18° К. Это немного ниже точки кипения водорода. Даже гелия получать не надо. Достаточно чуть охладить жидкий водород — и вот тебе сверхпроводимость! Что же это такое — сверхпроводимость? Электрический ток в таком проводнике может идти сколько угодно, ведь никаких затрат энергии не происходит, сопротивления нет. Все равно что дать возможность автомобилю ехать по дороге без трения. Подтолкнуть его разок, а дальше можно и не беспокоиться. Сам поедет, трения нет, ничто его не остановит, только на гору не лезь!
Ученые взяли и проделали подобный опыт. Только не с автомобилем, конечно, а со сверхпроводимостью. Сделали из сверхпроводника маленькое колечко. Затем его надежно укрыли в криостате при температуре, когда должна наступить сверхпроводимость. В колечко пустили электрический ток. Подсоединили на минутку к батарейке, а потом ее отключили. В обычных условиях ток тотчас же исчезнет. А тут он шел несколько месяцев как ни в чем не бывало. И не пропадал, пока хватило терпения ученых. Вот когда настала пора радоваться инженерам, сооружившим электромагниты. Прямо в руки им шло открытие, которого они ждали. Теперь можно соорудить электромагнит со сверхпроводящими обмотками — мощнейший электромагнит. Так подумали инженеры. Ничего, что придется создавать теплоизоляцию, оберегать обмотки от внешнего тепла. Все окупится! «Вечный» ток, вечный электромагнит без всяких затрат энергии!
Но природу обмануть не так-то легко.
Создали инженеры первую модель электромагнита со сверхпроводящими обмотками. Сначала все шло хорошо. А потом вдруг сверхпроводимость пропала. Уменьшили ток, она появилась снова. Увеличили — и нет сверхпроводимости! Собственное магнитное поле, поле электрического тока — если оно сильное — ликвидирует сверхпроводимость!