Борис Смагин – Мудрость эксперимента (страница 8)
Как просто то, что уже сделал другой!
Прежде всего скачки Баркгаузена предстали в лаборатории кафедры теоретической физики Калининского университета в своей прикладной ипостаси. С их помощью физики изучают кристаллы сегнетоэлектриков.
Калининцы разработали весьма совершенные методики, передали их в производство, но при этом, разумеется, никогда не забывали и о чисто научных задачах, изучая «общеизвестное» явление со всех сторон. Можно сказать вполне определенно, что ни в одной лаборатории мира не отдано столько сил и времени скачкам Баркгаузена в применении к сегнетоэлектрикам.
И появилось у физиков новое понятие — диэлектрическая вязкость, место рождения которого определяется однозначно — город Калинин, кафедра теоретической физики университета, в ту пору, когда он именовался еще педагогическим институтом.
В отличие от упомянутой мной фотопленки, проявление вязкости зрительно доступно любому человеку, равно как и понятна ее сущность, так как вязкость — общеизвестное сопротивление движению со стороны газообразной или жидкой среды.
Такова и диэлектрическая вязкость, хотя ее интерпретация не столь простой орешек. Зато наглядность самого процесса впечатляюще убедительна...
Я снова сажусь за установку. Снова передо мною светится экран осциллографа. Все как прежде, но с одним существенным различием. На экране фигурируют не привычные по другим наблюдениям пики скачков Баркгаузена, а нечто другое. Электронный луч вырисовывает классическую картинку учебника физики — петлю гистерезиса. Странно видеть этот намозоливший глаза график в живом пульсирующем виде.
Петля — типичная характеристика и ферромагнетика, и сегнетоэлектрика — показывает, как домены реагируют на внешние поля. Выстраиваются они по направлению поля постепенно, пока все не займут свои места. Тогда наступает насыщение. И дальнейшее увеличение внешнего поля уже ничего не может добавить.
Когда поле начинают уменьшать, домены постепенно разбредаются, вновь начинают хаотичное движение. Некоторые остаются верными снятому уже полю. Они и создают остаточное намагничивание у ферромагнетиков и остаточную поляризацию сегнетоэлектрических кристаллов. Чтобы ее убрать, надо приложить поле в обратном направлении. Тогда кривая повторяется в своеобразном зеркальном отображении, поскольку приложенное поле противоположно предыдущему. Опять домены выстраиваются по ранжиру, опять некоторые упрямо остаются на своих местах, хотя и прозвучал сигнал к прежнему беспорядку, и опять их надо убирать дополнительным полем. Так появляется петля гистерезиса — свидетель этих событий. Разумеется, сначала петля послужила калининским физикам одним из способов изучить сегнетики. Характер поляризации всегда говорит о некоторых особенностях доменной структуры, а внешний вид ожившего графика переполяризации легко соотнести с основными характеристиками сегнетика.
Но при тщательном изучении процессов, следствием которых является петля гистерезиса, проявилось то новое, что именуется теперь диэлектрической вязкостью...
Петля загорается на экране осциллографа, показывая, что кристалл ТГС окружен переменным электрическим полем. Поле переменное, значит, периодически происходит переполяризация сегнетика. Отсюда и петля. Затем я берусь за верньер и плавно увеличиваю частоту колебаний поля. Домены начинают лихорадочно метаться и явно не успевают попасть на свои места, Я отчетливо вижу, как «худеет» петля гистерезиса, будто попала она в тиски и что-то давит на нее с двух сторон.
Несколько лет назад в лаборатории Рудяка начали по аналогии с магнетизмом искать диэлектрическую вязкость. Прежде всего физики обнаружили, что скачки Баркгаузена продолжаются даже тогда, когда внешнее поле остановилось и все должно стать сугубо статичным. Домены обязаны успокоиться, но сегнетик еще продолжает нервничать, он сигнализирует о ненормальности ситуации поворотами доменных стенок.
Те явные изменения, что претерпевают в таких случаях петли гистерезиса, — тоже сведения о неблагополучии в мире доменов.
Но почему же эти сигналы появляются так поздно, когда все уже, собственно, произошло?
Долгие годы освоения физических явлений приучили ученых к тому, что различного рода процессы протекают чрезвычайно быстро. Постоянно слышишь о микросекундах, о долях микросекунды, о новых сверхбыстрых методах регистрации.
А для атомной физики и доли микросекунды — гигантская величина.
Но тут, в лаборатории, где изучают свойства сегнетоэлектриков, нас окружает старая классическая физика. И временные интервалы подчас совсем другие. Диэлектрическая вязкость накладывает на все процессы суровые ограничения. Долгими часами тянется переполяризация сегнетика. Медленно, не торопясь, подтягиваются отставшие от основных рядов домены, безо всякой спешки образуются новые. И хотя внешнее поле давно установилось, в сегнетике еще долго продолжается эта муравьиная работа. Слабые, но упорно не исчезающие скачки Баркгаузена и уменьшение петли гистерезиса — свидетели тому.
Но научные объяснения его пока еще в тумане. Почему все-таки процессы идут так нестерпимо медленно, даже с точки зрения классической физики? Что же происходит с доменами, как узнать досконально об их поведении за все это время?
Физики работают, ищут ответы на эти вопросы.
Так снова завязывается очередной виток спирали, ведущей к познанию. Новое понятие, новая физическая теория, новые эксперименты, новый вклад в бездонную кладовую технических новинок и исследовательских методик, снова очередная загадка природы, ответ на которую несомненно вызовет к жизни иные, еще более интересные загадки.
Ведь не зря говорят, что самое интересное в науке всегда впереди.
Эффект Баркгаузена не единственный пример, когда физики вспоминают о, казалось бы, давно изученном явлении, и обретает оно новую жизнь. Ничто не остается заброшенным. Современная техника многогранна, в ней находят себе место физические явления, сколь бы редкими они ни выглядели.
Эффект Баркгаузена забронировали исследователи структур и динамики поведения ферромагнетиков и сегнетоэлектриков. А не менее оригинальным и не более удачливым поначалу эффектом — сверхпластичностью занялись технологи. Но не сразу...
На первом этаже одного из корпусов Института металлургии АН СССР имени Байкова расположен своего рода опытный завод. Тут есть все для обработки металлов. Штамповка, тяжелые прессы и даже «миниатюрный» прокатный стан. Миниатюрный, конечно, с точки зрения больших заводов. Здесь он выглядит вполне солидно.
Заготовка — плотная полоса белесоватого силумина (так называют литейщики сплав алюминия с кремнием) — не торопясь начинает «путешествие» между валками пресса. Один раз, другой, третий... Металл худеет прямо на глазах, несмотря на всю свою табличную хрупкость. Вот он уже стал лентой, вот уже лента, окончательно похудев, превратилась в тонкую фольгу.
— Двадцать микрон! — торжествующе говорит Александр Сергеевич Тихонов — металловед, впервые осуществивший эту операцию. — Двадцать микрон, — повторяет он, выключая мотор.
Я рассматриваю пленку с гордостью человека, на глазах которого совершилось маленькое чудо.
Но окончательно поражает зрителя обыкновенный чугун. Восемьдесят процентов удлинения металла, хрупкого, что известно любому школьнику, — это уже действительно близко к чуду.
Ученые любят демонстрировать опыты, вступающие в конфликт со здравым смыслом, опрокидывающие привычные понятия. Зрелище всегда интересное и поучительное, так как показывает, как разнообразна и нешаблонна природа, сколько неожиданностей таит она в себе.
И чугунная фольга — сочетание слов, немыслимое по существу, — лишь наглядное проявление почти фантастического поведения твердых тел, имя которому сверхпластичность.
Да, сотни сплавов и чистых металлов могут быть при известных условиях сверхпластичными. При этих условиях, обычно при высоких температурах и особых методах обработки, сплав или металл вдруг забывает, что он — образец стойкости и хрупкости, и готов удлиняться, словно резина, в сотни и тысячи раз.
Открытие произошло чисто случайно. В 1934 году наткнулся на эффект сверхпластичности английский ученый Клод Пирсон. Он наблюдал странное удлинение образцов некоторых сплавов, но не придал этому значения.
Серьезные научные исследования начались лишь через одиннадцать лет, когда советские металловеды А. А. Бочвар (ныне академик) и 3. А. Свидерская обнаружили, что сверхпластичность — термин предложили они — не экзотическое явление, не удел редких, судьбою выбранных сплавов, как посчитал вначале Пирсон, а нечто большее, присущее и другим материалам металлургии. Они высказали и первые предположения о сущности и физических основах эффекта.
Но долгое время технологи начисто игнорировали сверхпластичность, считая ее лишь предметом теоретических «изысков» ученых-металловедов, не более того.
Между тем круг сверхпластичных материалов энергично расширялся. В список попали и чистые металлы, и сверхпрочные титановые сплавы, сплавы железохромистые, сплавы никеля с хромом, никеля с молибденом — практически все важнейшие материалы современной металлургии.
Наблюдения продолжались, а теория лишь кое-как объясняла результаты отдельных экспериментов. Но объясняла постфактум, после опыта, не пытаясь предсказать и рассчитать эффект заранее.