Сверхпроводимость

СверхпроводимостьКак было выяснено, сопротивление металличе­ских проводников уменьшается при понижении температуры. Однако до конца XIX в. нельзя было прове­рить, как зависит сопротивление про­водников от температуры в области очень низких температур. Только в начале XX в. голландскому учено­му Г.Камерлинг-Оннесу удалось пре­вратить в жидкое состояние наибо­лее трудно конденсируемый газ - гелий. Температура кипения жидкого гелия равна 4,2 К. Это и дало воз­можность измерить сопротивление некоторых чистых металлов при их охлаждении до очень низкой темпе­ратуры.

В 1911 г. работа Камерлинг-Оннеса завершилась крупнейшим откры­тием. Исследуя сопротивление рту­ти при ее постоянном охлаждении, он обнаружил, что при температуре 4,12 К сопротивление ртути скачком падало до нуля. В дальнейшем ему удалось это же явление наблюдать и у ряда других метал­лов при их охлаждении до темпе­ратур, близких к абсолютному нулю. Оказалось, что при некоторой харак­терной для каждого из них темпе­ратуре сопротивление падало до нуля.

Явление полной потери металлом электрического сопротивления при определенной температуре получило название сверхпроводимости.

Удивительное свойство сверхпро­водимости особенно наглядно было продемонстрировано на заре откры­тия этого явления в опытах со свинцовым кольцом, находящимся при температуре, близкой к абсо­лютному нулю. Если создать в цепи ток, а затем источник отключить, то в обычных проводниках ток очень быстро (практически мгновен­но) затухает. Ток же, возникающий в сверхпроводнике, может сохранять­ся неограниченно долго благодаря отсутствию сопротивления. Один из таких опытов был произведен в 1959 г. Через 2,5 года после нача­ла опыта никакого уменьшения силы тока в кольце отмечено не было.

Не все материалы могут стать сверхпроводниками, но их число до­статочно велико. Однако у многих из них было обнаружено свойство, которое значительно препятствовало их применению в дополнение к труд­ностям, связанным с необходимостью охлаждения до сверхнизких темпера­тур. Выяснилось, что у большинства чистых металлов сверхпроводимость исчезает, когда они находятся в сильном магнитном поле. Но ведь при протекании тока в проводнике в нем и вокруг него всегда создается магнит­ное поле. Поэтому, когда по сверх­проводнику течет значительный ток, сверхпроводимость в нем исчезает. Все же это препятствие оказалось преодолимым: было выяснено, что не­которые сплавы, например ниобия и циркония, ниобия и титана и др., обладают свойством сохранять свою сверхпроводимость при больших значениях силы тока. Это позволило более широко использовать сверх­проводимость.

Интерес к явлению сверхпроводи­мости в современной науке возрастал по мере обнаружения материалов, у которых сверхпроводимость насту­пала при более высоких температу­рах. До 1987 г. были известны сверхпроводники, обладающие этим свойством только при очень низких температурах - примерно 30 К. Та­кие температуры называют «гелие­выми», так как их можно получить только при сжижении гелия. Однако гелия в природе очень мало, техника его сжижения очень сложна. Но вот в марте 1987 г. стало известно, что обнаружены материалы, обла­дающие сверхпроводимостью при значительно более высокой темпера­туре – около 100 К. Это известие вызвало подлинный энтузиазм у фи­зиков. Казалось бы, что же здесь особенного, температура сверхпроводимости все равно очень низкая (—170 0С). Но все дело в том, что -170°С — это температура жидко­го азота, А азота в природе очень много (воздух на 80% состоит из азота), технология получения жидкого хорошо разработана, и стоит он недорого. Последние сообщения об исследованиях в области сверхпроводимости сулят еще лучшие пер­спективы: в научных исследованиях получены еще более высокотемпера­турные сверхпроводящие материа­лы. Исследования в этой области ве­дутся очень интенсивно. Теорети­чески предсказана даже возмож­ность получения сверхпроводящих материалов при комнатной темпера­туре. Интересно и то, что такими сверхпроводящими материалами являются не какие-нибудь сложно по­лучаемые материалы, а простая керамика. Из этого хрупкого мате­риала в настоящее время научились получать сверхпроводящие пластины и проволоку, пригодные для техно­логического использования.

Технические применения высоко­температурных сверхпроводников. Получение высокотемпературных сверхпроводящих материалов от­крывает широкие возможности их технического применения.

В энергетике сверхпроводящие материалы могут произвести полный переворот. Сверхпроводящие кабели способны передавать огромную энер­гию на большие расстояния совер­шенно без потерь. Отсутствие потерь энергии при передаче в таких ли­ниях позволит отказаться от строи­тельства ряда новых электростанций. Сверхпроводящие материалы могут служить также «накопителями» энергии: создав ток в сверхпроводя­щем кольце, можно сколь угодно долго сохранять энергию, расходуя ее по мере необходимости.

Сверхпроводящие обмотки элект­ромагнитов дают возможность по­лучить сверхмощные магнитные поля, используя при этом небольшие, сравнительно с обычными, установки. В таких обмотках можно воз­буждать гораздо более сильные токи, чем в обычных, и создавать таким образом очень сильное магнитное по­ле с индукцией порядка 10—20 Тл. Столь мощные поля в природе почти не встречаются. Они существуют только вблизи таких астрофизиче­ских объектов, как «белые карлики» и нейтронные звезды. Магнитное поле Солнца в десятки тысяч раз слабее.

Отметим еще одно удивительное применение высокотемпературной сверхпроводимости, связанное с дав­но занимающей умы инженеров идеей создания скоростных поездов, движущихся не на колесах, а на «магнитной подушке». Чтобы понять эту идею, придется обратиться к одному явлению, открытому в 1933 г. немецким физиком Мейснером (эф­фект Мейснера). Оказалось, что в толще сверхпроводника магнитное поле не может существовать — оно из него выталкивается. Сверхпро­водник — идеальный диамагнетик. Если взять сверхпроводник при тем­пературе более высокой, чем та, при которой проявляются сверхпроводя­щие свойства, и поместить в магнит­ное поле, то поле проникнет и внутрь вещества. Но при понижении темпе­ратуры, в момент перехода материа­ла в сверхпроводящее состояние, магнитное поле выталкивается из вещества.

Это явление в 1945 г. продемонст­рировал профессор Московского уни­верситета В. К. Аркадьев с по­мощью эффектного опыта. Он взял небольшой постоянный магнит и на­чал опускать его на веревочке в свин­цовую чашу, охлажденную жидким гелием. При столь низкой температу­ре свинец становится сверхпровод­ником. При опускании магнита в ча­шу натяжение веревочки ослабело и довольно тяжелый магнит повис в воздухе без всякой видимой под­держки. Сверхпроводящая чаша ока­залась невосприимчивой к магнит­ному полю — она вытолкнула его из себя, что и проявилось в том, что магнит начал парить над чашей, под­держиваемый действующим на него магнитным полем. Такое «паре­ние» магнита над сверхпроводником (либо наоборот – сверхпроводника над магнитом) называется левитаци­ей. На явлении магнит­ной левитации и основана идея уст­ройства поездов, которые, «паря» в воздухе над магнитным полем, разви­вали бы огромную скорость движе­ния – несколько сот километров в час.