Сверхпроводимость — явление всколыхнувшее научное сообщество XX века и принёсшее в разное время учёным семь Нобелевских премий. Благодаря этим исследованиям у нас появились сверхбыстрые поезда, томографы, суперкомпьютеры и даже адронный коллайдер. Кроме того, в 2008 году в Нью-Йорке была запущена первая в мире сверхпроводящая линия электропередачи. Её пропускная способность в 10 раз больше по сравнению с обычными медными проводниками. Так в чем же особен — ность этого явления и что рождает сверхпроводимость?
Неожиданное открытие
Всё началось более века назад — в 1911 году, когда нидерландский учёный Хейке Камерлинг-Оннес в ходе обычного эксперимента обратил внимание на странное поведение паров ртути. Учёный хотел выяснить, как меняется электрическое сопротивление вещества при низких температурах. В то время считалось, что сопротивление металлов снижается пропорционально с понижением температуры, то есть имеет линейную зависимость. Сопротивление при достижении нуля Кельвин будет иметь хоть и малое, но ненулевое значение. Но тут природа подготовила сюрприз и к удивлению Камерлинг-Оннеса, а после и всего мирового научного сообщества, было выяснено, что уже при температуре 4,15 Кельвин (–269°C) электрическое сопротивление ртути достигает… нуля! Да, сопротивление исчезло полностью, то есть ток двигался беспрепятственно! Почему?
Сверхпроводник левитирует над источником магнитного поля, вследствие эффекта Мейснера-Оксенфельда. Подробности читай через две страницы.
Абсолютный ноль — минимально возможное значение температуры вещества, при котором исчезает какое-либо движение (тепловое, колебательное) его частиц. Равно –273,15 градусов Цельсия или нулю Кельвин.
Ток — это упорядоченное движение отрицательно заряженных частиц, в основном в металлах. Их высокая проводимость связана с тем, что в них очень много свободных электронов, которые собираются в облако, называемое электронным газом. Оно беспорядочно «плавает» по металлической решётке. Но беспорядок продолжается лишь до тех пор, пока мы не подадим электрическое поле. Тут же электроны, которые хаотично двигались, становятся в строй и идут в направлении, которое укажем ему мы, создав разность потенциалов на концах проводника. Слово «упорядоченное» в определении тока имеет далеко условный характер. Да, направление у электронного газа одно, но движутся они к нему беспорядочно. Представьте вечерний час пик в вашем городе. У горожан закончился рабочий день, и они едут на своих автомобилях домой. Направление одно — дом, но кто-то кого-то подрежет, кто-то зазевается на перекрёстке, сломался светофор — и вот тебе километровый затор. Точно так же и свободно движущиеся электроны встречают на своём пути массу преград, например, другие электроны или атомы, или дефекты в проводнике. Одним словом, тормозных элементов достаточно.
В чём же проблема? Ударяясь, электроны теряют скорость и тем самым энергию, которая выделяется в виде тепла. Именно эта потеря энергии (в виде тепла) является самой большой головной болью электротехников. Ведь при передаче электрической энергии по проводам от станции до домов более 10% полезной энергии попросту «теряется». Эта проблема повсеместна. В масштабах всей планеты речь идёт об огромных цифрах впустую потраченных денег. Плачевная картина, не правда ли? Сверхпроводимость же обещает нулевые потери. При одном условии — надо «всего лишь» снизить температуру проводника до температуры жидкого гелия. Но почему именно это условие? С 1911 года, когда была открыта сверхпроводимость, был собран огромный экспериментальный багаж, открыты десятки «чистых» сверхпроводников и их сплавов, появлялись даже идеи промышленного использования данного явления, но… стройной теории, объясняющей природу сверхпроводимости, всё не было. Такой беспорядок продолжался до 1957 года, когда американские физики Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шрифф предложили теорию, названную впоследствии теорией БКШ (отгадайте почему?).
Хейке Камерлинг-Оннес (1853–1926) — нидерландский учёный, директор первой в мире криогенной лаборатории в Лейдене (Нидерланды), пионер в области криофизики, имевший среди современников прозвище «Господин Абсолютного Нуля». Известен своими работами по получению жидких форм веществ, в особенности гелия, кислорода и водорода при сверхнизких температурах.
Движение электронов в проводнике
Поведение электронов при сверхнизкой температуре
Теория БКШ Для того, чтобы понять суть теории, снова вернёмся в микромир. Сверхпроводник изнутри — это куча положительно заряженных атомов, выстроенных по порядку и электронный газ, перемещающийся по этим атомам. Для объяснения нам понадобится самый главный принцип электростатики: разноимённые заряды притягиваются («+» «–»), одноимённые («+» «+»; «–» «–») — отталкиваются. В нашем проводнике ион — положительный, а электрон — отрицательный.
Теория БКШ утверждает, что электроны в сверхпроводнике двигаются парами (Куперовская пара) — просто потому что так выгодно. Выгода состоит в следующем. Первый электрон, пролетая между положительными ионами, притягивает их и, как следствие, ионы подходят слишком близко друг к другу, поэтому в зоне между ними образуется область избыточного положительного заряда. Естественно, второй электрон, который идёт по пятам за первым, притянется к этой области, а затем и к первому электрону, с такой мощной силой, что никакие преграды ему нипочём. Проведём мысленно эксперимент. Представьте, что у вас имеются два бильярдных шара, соединённых прочной пружиной. Удерживая первый шар на одном месте рукой, оттянем второй на максимальное расстояние. Потом, крепко удерживая оба шара, отпустим первый. Что случится? Первый шар просто улетит с большой скоростью ко второму, а затем унесёт его с собой. Такое движение происходит постоянно, один тянет другого за счёт натяжения пружины. Тот же принцип и в теории БКШ.
Натяжение пружины в случае проводника — это кулоновская сила притяжения между положительно заряженной зоной ионов и электронной парой. Не забывайте, что мы наблюдаем металл при сверхнизкой температуре. В таких условиях почти полностью отсутствуют какие-либо колебательные движения ионов (которые типичны при нормальной температуре) и хаотичное тепловое движение частиц. При температуре в паре Кельвин энергия — дефицит, а потому никто из участников проводимости не будет его тратить на такие «мелочи» как столкновение. Себе дороже. А значит преград никаких нет и электронные пары, также имеющие минимум энергии, двигаются за счёт «электростатической» пружинки.
В чём польза? Пора перейти из абстракций теоретиков к прагматичным практикам. В чём польза сверхпроводимости? Охлаждать провода жидким гелием на сегодняшний день всё равно что использовать спорткар для перевозки дров — абсурдно и дорого. Должно быть ещё что-то полезное в данном эффекте… Три слова: эффект МейснераОксенфельда. В 1933 году немецкие учёные Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники при низких температурах левитируют над магнитами. Всё дело в том, что обычные вещества при попадании в магнитное поле не сопротивляются и «пропускают» его сквозь себя.
Сверхпроводники же создают собственное «ответное» магнитное поле, которое компенсирует также и силу тяжести образца. Результат — материал парит в воздухе. Сверхпроводящие магниты (или сверхмагниты) впоследствии оказались крайне полезны для создания стабильного сильного магнитного поля, так как при создании такого поля обычными электромагнитами, устройство либо выходит из строя от нагрузок, либо полем невозможно управлять. Сверхпроводимость — далеко не полностью изученный природный феномен, обещающий огромные технологические перспективы. И хотя эффект открыт больше ста лет назад, новые исследования по поиску высокотемпературных сверхпроводников продолжаются до сих пор, а значит сверхпроводимость была и остаётся одной из самых перспективных тем для учёных.
Вальтер Мейснер (1882— 1974) — немецкий учёный, основатель первой в Германии и третьей в мире криолаборатории. Основные работы посвящены физике низких температур. Открыл сверхпроводимость многих сплавов. В 1933 году наблюдал вытеснение магнитного поля из сверхпроводников.
Роберт Оксенфельд (1901— 1993) — немецкий учёный, совместно с Вальтером Мейснером является основоположником немецкой криофизики.
Эффект Мейснера- Оксенфельда
При наложении магнитного поля на обычный проводник появляется сопротивление, которое быстро затухает, и магнитное поле пронизывает проводник. Однако при охлаждении до критической температуры проводник становится сверхпроводником, и магнитное поле выталкивается.
За счёт выталкивания магнитного поля сверхпроводником, последний обладает способностью левитировать над источником поля
СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ НА ПРАКТИКЕ
Почти во всех крупных ускорителях типа ТОКАМАК, адронном коллайдере и циклотронах уже больше полувека используются сверхмагниты.
- Большой адронный коллайдер (БАК) — самый большой в мире ускоритель тяжёлых ионов, основной инструмент современной физики элементарный частиц.
- ТОКАМАК — бубликоподоная система из сверхмагнитов, используемая для работы со сверхгорячей плазмой (газ из ионов и электронов). Плазма, к слову, является составной частью большинства звёзд во Вселенной. Главный инструмент управления термоядерным синтезом.
- Циклотрон — ускоритель частиц, использующий сильное электромагнитное поле. В отличие от коллайдера, циклотроны не сталкивают частицы, а исследуют поведение частиц в сильных полях.
В медицинской диагностике используются ЯМР-томографы (ЯМР — ядерно-магнитный резонанс). Прибор позволяет «послойно» изучить и осмотреть весь организм человека. Для этого требуется мощное магнитное поле, создать которое под силу только сверхпроводящим магнитам.
Проекты МАГЛЕВ, поезда на магнитной подушке, которые находятся на стадии тестирования в Германии (Transrapid) и Японии (JR-maglev), достигают скорости до 500 км/ч, это рекорд для наземного рельсового транспорта.
