Сверхпроводимость
Тогда, наверное, Камерлинг-Оннес впервые произнёс слово «сверхпроводимость». Итак, хронология событий такова. В 1908 году Оннес получил жидкий гелий, в 1911 – открыл новое состояние вещества, а в 1913 – ему была присуждена Нобелевская премия. Далее последовали активные поиски новых сверхпроводников, исследование их свойств и способов их применения в физике и промышленности. Об этом и будет рассказано ниже.
2. Свойства сверхпроводников.
После открытия сверхпроводимости у ртути, первым возник вопрос: это свойство одной лишь ртути или оно присуще всем металлам? Оказалось, что многие другие металлы, такие как олово, свинец, ниобий, могут переходить в сверхпроводящее состояние. С другой стороны, такие хорошие проводники тока как медь, серебро, золото, вплоть до самых доступных температур (порядка 10-6 К) не обнаруживают нулевого сопротивления.
Другой естественный вопрос: действительно ли сопротивление падает до нуля? Может быть, оно настолько мало, что не доступно измерительной технике. Чтобы ответить на этот вопрос, проводился следующий опыт. Сверхпроводник помещался в жидкий гелий, в нем возбуждался ток, а затем наблюдали за изменением силы тока. Подобные опыты длились иногда несколько лет, но никаких признаков затухания тока не было обнаружено. Из этого следовало, что удельное сопротивление сверхпроводника меньше, чем 10-25 Ом×м. В то время как удельное сопротивление меди при комнатной температуре 1,55×10-8 Ом×м. Разница столь огромна, что можно считать сопротивление сверхпроводника равным нулю.
Этот ноль заинтересовал очень многих физиков не только как странное и не понятное явление, но и в практическом плане. Ведь по закону Джоуля-Ленца расходуемая мощность прямо пропорциональна сопротивлению: P=I2×R
И как ни мало сопротивление металлов, оно все же ограничивает технические возможности устройств. Так, в частности, происходит и с электромагнитами. Получение сильных магнитных полей требует больших токов, что приводит к выделению колоссального количества тепла в обмотках. Поэтому казалось перспективным использование сверхпроводников. Уже в 1913 году Камерлинг-Оннес публикует статью, в которой предлагает построить мощный электромагнит с обмотками из сверхпроводящего материала. Такой магнит, по его мнению, не потреблял бы энергии, но все оказалось гораздо сложнее. Дело в том, что, как только по сверхпроводнику пытались пропускать значительный ток, сверхпроводимость исчезала. Более того, вскоре выяснилось, и слабое магнитное поле также уничтожает сверхпроводимость.
Сверхпроводник в магнитном поле
Итак, экспериментом было установлено, что если какой-либо металл лишился сопротивления при охлаждении, то он снова может вернуться в нормальное состояние, попав во внешнее магнитное поле. При этом у металла восстанавливается примерно тоже сопротивление, которое у него было при температуре T > Тк. Причем само критическое поле с магнитной индукцией Вк зависит от температуры: Вк = 0 при Т = Тк и возрастает при температуре, стремящейся к нулю. Конечно же, все металлы имеют разные зависимости Вк (Т), но для многих из них эта зависимость подобна, как это изображено на рисунке. Данный график можно рассматривать и как диаграмму, где линия зависимости В(Т) для каждого металла разграничивает области существования разных фаз. Область ниже этой линии соответствует сверхпроводящему состоянию, а выше – нормальному.[4]
Теперь рассмотрим поведение сверхпроводника в магнитном поле. Как известно, металлы, за исключением ферромагнетиков, в отсутствии внешнего магнитного поля обладают магнитной индукцией. Помещенные во внешнее магнитное поле, они намагничиваются, т.е. внутри "наводится" магнитное поле. Суммарное магнитное поле вещества, внесенного во внешнее магнитное поле, характеризуется магнитной индукцией В, равной векторной сумме индукции В0 внешнего и индукции В1 внутреннего магнитных полей, т.е. 
. При этом суммарное магнитное поле может быть как больше, так и меньше магнитного поля.
Для того чтобы определить степень участия вещества в создании магнитного поля индукцией В, находят отношение значений индукции 
=µ. Коэффициент µ называют магнитной проницаемостью вещества. Вещества, в которых при наложении внешнего магнитного поля возникающее внутреннее поле добавляется к внешнему (µ > 1), называются парамагнетиками.
В диамагнетиках (µ < 1) наблюдается ослабление приложенного поля, внутреннее поле направлено против внешнего, и индукция В < В0. В сверх проводниках В=0, что соответствует нулевой магнитной проницаемости. Имеет место, как говорят, эффект идеального диамагнетизма.
Если сверхпроводящий проводник поместить во внешнее магнитное поле, то в поверхностном слое металла возникнут экранирующие токи, которые создадут внутри проводника магнитное поле, равное и противоположное внешнему.[5] Магнитное поле, ранее однородно пронизывающее нормальный металл, при температуре Т < Тк, оказывается вытолкнутым из металла, концентрируясь на его периферии. Это явление идеального диамагнетизма называется эффектом Мейснера. Но если первое свойство сверхпроводников – отсутствие сопротивление – было открыто в 1911 году, то второе – нулевая магнитная проницаемость – лишь в 1933, то есть спустя 22 года.
Здесь мы встречаемся с любопытным фактом. Хорошо известно, что в замкнутом контуре ток появляется только в том случае, когда электромагнитное поле меняется во времени. В случае эффекта Мейснера это поле постоянно во времени. В соответствии с известными физическими представлениями, казалось бы, нет никаких причин для появления токов, создающих собственное магнитное поле, направленное против приложенного.
Итак, для магнитного поля сверхпроводник – непреодолимая преграда, плоскость, от которой, как от зеркала, отражается это поле. Малейшее движение магнита вызывает изменение магнитного - поля сверхпроводящих токов – поле как бы следит за магнитом. С увеличением магнитного поля сверхпроводящие экранизирующие токи тоже возрастают, чтобы сохранить идеальный диамагнетизм. Когда приложенное поле становится достаточно большим, поверхностные токи достигают своего критического значения и металл теряет сверхпроводящие свойства. При этом экранирующие токи исчезают, и магнитное поле проникает в металл.
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8