Силу магнитного поля внутри соленоида можно увеличить, поместив в спираль железный брусок. Высокая проницаемость железа (см. гл. 9) будет способствовать концентрации и без того близко расположенных друг к другу магнитных линий. Первым, кто поставил этот опыт, стал англичанин Уильям Стёрджен (1783–1850), который в 1823 году 18 раз обернул неизолированную медную проволоку вокруг бруска U-образной формы и изобрел электромагнит.  Пустив электрический ток, Стёрджен убедился, что его электромагнит способен поднять вес в 20 раз больше собственного. В отсутствие тока это устройство теряло магнитные свойства и не могло ничего поднять.

Однако электромагнит стал таким, какой он сейчас, только благодаря американскому физику Джозефу Генри (1797–1878). В 1829 году он повторил эксперимент Стёрджена, но использовал изолированную проволоку. Теперь витки можно было располагать вплотную друг к другу, не опасаясь коротких замыканий. Следовательно, Генри мог сотни раз обернуть даже недлинную проволоку вокруг железного бруска, сильно увеличивая таким образом отношение N/L  (см. уравнение 12.1) и усиливая мощь магнитного поля при заданной силе тока. В 1831 году ученый изготовил небольшой электромагнит, который мог поднять более тонны железа.

Электромагнитные явления сделали возможным создание магнитных полей огромной силы. Игрушечный магнит-подкова мог создать магнитное поле с силой в несколько сотен гауссов, средний магнит-брусок — в 3000 гауссов, а мощный — в 10 000 гауссов. А с помощью электромагнитов вполне доступно создание магнитных полей силой 60 000 гауссов.

Еще большее увеличение магнитного поля теоретически не является проблемой, нужно лишь увеличить силу тока. Но, к сожалению, это приведет также к увеличению количества вырабатываемого тепла (выделение тепла увеличивается пропорционально квадрату силы тока), что влечет за собой проблему перегрева проволочных катушек и необходимость их охлаждения. Кроме того, магнитные силы провоцируют серьезную механическую деформацию. К XX веку изобретательность в проектировании, а также использование прочных материалов позволили с помощью коротких вспышек электрического тока создавать временные поля, сила которых измеряется сотнями тысяч гауссов. Создавались даже короткоживущие поля с силой в полтора миллиона гауссов, приводившие к взрывам проводников электрического тока.

Поддержка столь сильных магнитных полей требовала продолжительного использования сильнейших электрических токов и мощных охлаждающих установок, а это слишком дорого обходилось. В поисках возможности избежать таких расходов внимание ученых обратилось на явление сверхпроводимости. Если некоторые проводники охладить до температуры жидкого гелия, то их сопротивление падает до нуля, поэтому проходящий по ним ток не вырабатывает тепла независимо от своей силы. Более того, электрический ток, пущенный по замкнутой цепи при такой температуре, будет течь бесконечно; магнитное поле, созданное при тех же условиях, также поддерживается вечно (то есть в течение того времени, пока сохраняется достаточно низкая температура). Иначе говоря, существование магнитного поля в таких условиях поддерживается не за счет постоянной подачи тока.

Если сверхпроводник используется в обмотке вокруг железной сердцевины при температуре жидкого гелия, то, похоже, что чем больше электричества будет в него накачиваться, тем более сильные магнитные поля при этом будут достигаться без всяких ограничений. Когда нужная сила поля будет достигнута, ток можно отключить, а магнитное поле при этом останется.

К сожалению, сверхпроводники дают не совсем такую картину. Сверхпроводящий материал полностью диамагнитен, то есть ни одна магнитная силовая линия не проходит внутри его. Эти два свойства, сверхпроводимость и полная диамагнитность, взаимосвязаны. Если сверх меры нагнетать ток в сверхпроводящий электромагнит и тем самым усиливать магнитное поле, то магнитный поток возрастает. Силовые линии скапливаются все ближе и ближе друг к другу, и, когда сила поля достигает порогового значения (именуемого критической силой поля),  они прорываются внутрь сверхпроводника. Как только вещество теряет свои диамагнитные свойства, оно также лишается и сверхпроводимости, начинается выработка тепла и весь процесс срывается. Сверхпроводящий магнит не может быть сильнее критической силы поля того вещества, из которого изготовлены витки, и, к сожалению, эта сила не превышает нескольких сотен гауссов для большинства металлов. Свинец, к примеру, теряет свою сверхпроводимость при силе магнитного поля в 600 гауссов даже при самых низких температурах. Поэтому сверхпроводящие магниты из свинца не могут быть сильнее игрушечных.

К счастью, в 1950-х годах было обнаружено, что гораздо больших результатов можно достичь, сплавляя чистые металлы между собой. К примеру, сплав ниобия и олова сохраняет сверхпроводимость при температуре жидкого гелия, создавая постоянное и относительно дешевое магнитное поле с силой более 200 000 гауссов, а сплав ванадия и галлия выдерживает силу магнитного поля в несколько раз больше этой. Думается, что в эру сильнейших сверхпроводящих электромагнитов и этот рекорд будет побит.

Однако электромагнит пригоден не только для увеличения грубой силы. Рассмотрим электрическую цепь, в которую входит электромагнит. В цепи есть ключ, который при помощи пружинного действия «открывается» таким образом, что сохраняется зазор, поэтому ток по цепи не течет. Когда ключ «закрыт», цепь замыкается, по ней проходит ток, а электромагнит притягивает находящийся поблизости магнитный брусок.

Представим, что железный брусок тоже является частью цепи. Соответственно, когда его начинает притягивать электромагнит, он вырывается из соединения. Цепь разрывается, и течение тока прекращается. Поскольку ток больше не проходит по цепи, электромагнит теряет свою способность притягивать предметы, а железный брусок возвращается на свое место к прикрепленной пружине. Цепь снова замыкается, действие электромагнита возобновляется, и он опять притягивает к себе железный брусок.

Пока ключ остается в «закрытом» состоянии, продолжается чередование притяжения железного бруска к электромагниту и возвращения его в цепь. Это явление сопровождается короткими жужжащими звуками. Если к железному бруску присоединить молоточек, который будет ударять по металлической сфере, то мы получим электрический звонок.

Теперь предположим, что железный брусок не является частью цепи. В этом случае, когда ключ «закрыт», электромагнит усиливает притяжение, привлекает к себе брусок и удерживает его. Как только ключ размыкается (но не раньше этого момента), электромагнит теряет свою силу притяжения и брусок возвращается на место.

Железный брусок при этом перемещается туда-обратно, но не в неизменном ритме быстрых колебаний, а следуя произвольным действиям того, кто воздействует на ключ. Когда брусок ударяется об электромагнит, он издает щелчок, поэтому движения руки, которая «открывает» или «закрывает» ключ, производят некую последовательность щелчков.

Очевидно, что таким образом можно кодировать информацию. Закрепив за определенной последовательностью щелчков конкретные буквы алфавита, можно передавать сообщения из одного места в другое со скоростью, близкой к скорости света.

На практике возможность передавать информацию подобным образом ограничивается тем, что сила тока, пропускаемого через проволоку при заданной разности потенциалов, уменьшается, если проволока удлиняется и ее общее сопротивление увеличивается. При передаче тока на большие расстояния сила тока становится ничтожно малой, недостаточной для создания магнитного поля, способного передвинуть тяжелый железный брусок, и не падает до такой степени, что оказывается уже неспособной передвигать тяжелый для нее металлический брусок.

Эту проблему смог решить Генри. Он пустил ток по длинной проволоке по направлению к легкому по весу ключу, пока сила тока не стала очень малой, но еще способной привести в действие электромагнит. Этот легкий ключ, двигаясь по направлению к магниту, замыкал вторую цепь, подключенную к батарее, расположенной возле ключа, и запускал таким образом ток по второй, более короткой проволоке. Этот ток был сильнее, поскольку вторая проволока была короче первой и вследствие этого имела меньшее сопротивление. Второй, более сильный ток в точности дублировал первый, более слабый: когда ключ первой цепи «закрывался» вручную, находящийся на расстоянии ключ в этот же момент замыкался при помощи электромагнита, а когда «ручной» ключ размыкался, тут же размыкался и второй.

Устройство, которое передает образец тока от одной цепи к другой, — электрическое реле.  Вторая цепь, в свою очередь, может запускать третью, третья — четвертую и т. д. Использование реле и батарей на определенных расстояниях позволяет посылать заданную последовательность щелчков по всему миру. К 1831 году Генри посылал сигналы по проволоке на расстояние 1 мили.

Генри не запатентовал свое изобретение и не попытался превратить его в полезное устройство. С его помощью это сделал американский художник Сэмюэл Финли Бриз Морзе (1791–1872). К 1844 году были протянуты провода от Балтимора до Вашингтона, и по ним прошла определенная последовательность сигналов, записываемых как точки для коротких сигналов и тире — для длинных (азбука Морзе). Первое сообщение было цитатой из библейской Книги чисел: «Что создал Господь?» Так появился телеграф  (от греческого выражения, означающего «писать на расстоянии»), и широкой публике впервые довелось узнать, каким образом новая наука об электричестве может перевернуть жизнь человечества.

В конце концов телеграфные линии пересекли континенты, и в 1866 году был проложен кабель через Атлантический океан. По этому кабелю при помощи азбуки Морзе почти мгновенно могли передаваться сообщения из Великобритании в США и обратно. Прокладка кабеля была крайне сложным мероприятием, которое было произведено исключительно благодаря нечеловеческой настойчивости американского финансиста Сайруса Вест Филда (1819–1892). Проведение кабеля было связано с огромными проблемами еще и потому, что реле не могли работать под водой так же, как на суше. Многие трудности были разрешены благодаря таким людям, как британский физик Уильям Томсон, лорд Кельвин (1824–1907), и все равно межконтинентальное сообщение оставалось несовершенным вплоть до изобретения радио (об этом будет идти речь в III части этой книги). Тем не менее к 1900 году на Земле не оставалось цивилизованных мест, не охваченных телеграфной связью, и наконец-то первый раз на протяжении тысяч лет существования цивилизации человечество получило возможность сформировать единое (пусть не всегда дружное или терпимое) сообщество.

Другой, более непосредственный способ сообщения также в большой мере зависит от электромагнита. Речь идет о телефоне  («говорить на расстоянии»), который изобрел в 1876 году шотландский, а затем американский учитель Александер Грейам Белл (1847–1922), а вскоре усовершенствовал Эдисон.

Если описывать как можно проще, то телефонный передатчик-микрофон (в который вы говорите) содержит углеродные гранулы в коробочке, которая спереди и сзади ограничена токопроводящими стенками. Передняя стенка представляет собой достаточно тонкую и гибкую мембрану. Через эту коробочку проходит электрический ток. Сопротивление углеродных гранул зависит от того, насколько хорошо они контактируют друг с другом. Чем лучше контакт, тем ниже общее сопротивление (разность потенциалов остается постоянной) и тем больше сила проходящего сквозь гранулы тока.

Когда говорят в микрофон, создается сложная последовательность областей сжатого и разреженного воздуха (см. ч. I). Если мембрана попадает в область сжатого воздуха, то она прогибается внутрь; попав в область разреженного воздуха, она выгибается наружу. Мембрана действует в точности так, как барабанная перепонка человеческого уха, которая реагирует на различные изменения звуковых воли.

Когда мембрана прогибается внутрь, углеродным гранулам становится легче контактировать, и сила тока увеличивается настолько, насколько сильно мембрана прогнулась. В свою очередь, сила тока уменьшается, когда мембрана выгибается наружу, гранулы реже соприкасаются, и контакт ухудшается. Итак, электрический ток пущен таким образом, что сила тока меняется, точно воспроизводя последовательность сжатий-разрежений звуковой волны.

На другом конце цепи, который может находиться за тысячи миль, благодаря реле и прочим усовершенствованиям электрический ток приводит в действие электромагнит в приемном устройстве телефона. Сила магнитного поля изменяется в зависимости от силы тока, поэтому сила этого поля представляет собой точную модель звуковой волны, которую посылает удаленный микрофон. Около электромагнита расположена тонкая железная мембрана, которая прогибается внутрь под воздействием магнитной силы. Мембрана в приемнике шевелится по образцу звуковой волны, принятой от передатчика, который расположен за много миль и, в свою очередь, создает точно такие же колебания звуковой волны в воздухе. В результате человек, находящийся у приемника, слышит именно то, что говорит собеседник в микрофон.

Новейшие применения электромагнитов требуют сверхпроводимости (см. гл. 9). Сверхпроводящую пластину располагают над магнитом, производящим сверхпроводимость. Магнитные силовые линии не могут проникнуть внутрь диамагнитной пластины, по этой причине невозможен физический контакт пластины и магнита. Между двумя сверхпроводниками должно быть некоторое пространство, которое и заполнят магнитные линии. Следовательно, пластина отталкивается магнитом и «плавает» над ним. Даже если на пластину положить некоторый вес, он не будет (до определенного предела) придавливать пластину к магниту. В лабораторных условиях пластина удерживала до 300 г веса на квадратный сантиметр. Не имея физического контакта с магнитом, пластина способна вращаться, практически не создавая трения, и, таким образом, может служить свободной опорой.

Примером практического применения свойств электромагнитов в условиях сверхпроводимости можно назвать создание переключателей очень маленького размера. Первое подобное устройство (сделано в 1935 году) состояло из тонкой проволоки из ниобия, которая находилась возле более толстой проволоки из тантала. Обе проволоки являются сверхпроводниками, но им можно придать различные критические силы магнитных полей. По танталу может быть пущен небольшой по силе ток, и при низкой температуре он будет идти по этой проволоке в течение неограниченного времени. Однако если при этом пустить ток по виткам из ниобия, пусть даже меньший по силе, то получившееся магнитное поле будет достаточным, чтобы разрушить сверхпроводимость тантала (на ниобии это не отразится). По танталу ток течь перестанет. Так один ток способен «выключать» другой.

Подобное устройство носит название криотрон  (от греческого слова, означающего «замораживать», в связи с чрезвычайно низкими температурами, которые необходимы для сверхпроводимости). Совокупность комбинаций криотронов используется в многофункциональных переключающих устройствах в компьютерах. Преимущество криотроновых выключателей в том, что они очень маленькие, работают очень быстро и потребляют совсем немного энергии. Главный их недостаток, конечно, заключается в том, что действуют они только при температурах жидкого гелия.