Сверхпроводимость

Способность металлов проводить электричество обусловлена свободными электронами, которые перемещаются между атомами кристаллической решетки. Под действием электрического поля электроны перемещаются в определенном направлении, и в проводнике возникает ток. Но между свободными электронами и кристаллической решеткой существует трение. Это и есть электрическое сопротивление металла.

Сопротивление во многом зависит от состояния кристаллической решетки. При высокой температуре геометрическая правильность решетки существенно нарушена тепловым движением атомов. С понижением температуры эта правильность решетки восстанавливается и способствует уменьшению сопротивления. При очень низких температурах сопротивление достигает остаточного значения, которое почти не зависит от температуры и обусловлено наличием примесей и дефектами кристаллической решетки.

В 1911 г. голландский физик Г. Камерлинг-Оннес открыл удивительное явление: при температуре 4,12 К у ртути внезапно исчезает электрическое сопротивление (рис. 3). Вначале предполагали, что какое-то сопротивление в ртути все же остается и его просто не могут измерить. Но и самые чувствительные приборы не обнаружили сопротивления. Это физическое явление назвали сверхпроводимостью. Сверхпроводимость прекрасно иллюстрируется таким опытом. Кольцо из какого-либо сверхпроводящего металла охлаждают жидким гелием. В кольце наводится одним импульсом магнитного поля электрический ток, и этот ток не исчезает до тех пор, пока поддерживается в металле низкая температура.

Рис. 3. Электрическое сопротивление ртути при низких температурах. При температуре 4,12 К сопротивление резко падает до нуля.

Существование незатухающих токов подтверждают и другие поразительные эксперименты. Опишем один из них. На кольцо, в котором течет незатухающий ток, опускается сверхпроводящий шарик. Магнитное поле кольца индуцирует ток того же направления на поверхности шарика. Так как сопротивление у шарика также равно нулю, индуцированный ток в нем не затухает. Магнитные поля токов кольца и шарика взаимно отталкивают их друг от друга. И вот шарик плавает над кольцом: отталкивающая сила преодолевает действующую на него силу тяжести (рис. 4).

Рис. 4. Плавающий сверхпроводящий шарик над сверхпроводящим кольцом с незатухающим током.

Таким образом, при так называемой критической температуре некоторые металлы скачкообразно переходят в состояние сверхпроводимости, при котором полностью отсутствует электрическое сопротивление. В дальнейшем было открыто, что сверхпроводимостью обладает не только ртуть, но и некоторые другие металлы, например олово, свинец, цинк, алюминий. К 1972 г. сверхпроводимость обнаружена у 26 элементов.

В последние годы ученые обнаружили, что сверхпроводимость возникает и в некоторых сплавах, составные части которых сами по себе не обладают таким свойством. Таковы сплавы висмута с натрием, с калием. В настоящее время сверхпроводимость обнаружена более чем у 500 сплавов и соединений. Критические температуры перехода в сверхпроводящее состояние образуют интервал почти в два десятка Кельвинов: 18 К-для химического соединения Nb₃Sn и 0,14 К - для иридия. Сверхпроводящие металлы при температуре ниже критической становятся идеальными диамагнетика-ми, т. е. полностью выталкивают магнитное поле.

Если сверхпроводник поместить в достаточно сильное магнитное поле, сверхпроводимость нарушается. Чем ниже температура, окружающая сверхпроводник, тем большая напряженность магнитного поля нужна, чтобы разрушить сверхпроводимость. На рисунке 5 дана зависимость критической температуры олова от напряженности магнитного поля.

Рис. 5. Диаграмма сверхпроводящего перехода олова (1 Э=79,5775 А/м).

В последнее время сверхпроводимость начали применять в технике. После того как были найдены сверхпроводники с высокой температурой перехода в магнитном поле, стало возможно изготовлять Сверхпроводящие соленоиды. Такой соленоид устроен, как и обычный, только обмотка его изготовлена из сверхпроводящей проволоки, например из сплава ниобий - цирконий. Вся обмотка помещается в сосуд с жидким гелием. В этих условиях электрическое сопротивление обмотки равно нулю, и, таким образом, поддерживается магнитное поле без затраты энергии, которая при других способах нужна, чтобы преодолеть электрическое сопротивление обмотки. Хотя получение жидкого гелия, для такого соленоида и требует затраты энергии, эта затрата во много раз меньше, чем потребность в энергии обычного соленоида, создающего такое же магнитное поле. Теперь построены Сверхпроводящие соленоиды, создающие поля свыше 8 МА/м (8 * 10⁶ А/м). Сверхпроводящие соленоиды и вообще электротехнические Сверхпроводящие устройства (например, электродвигатели и генераторы) имеют огромное будущее. Так, используя сверхпроводимость в мощных электрических генераторах, можно будет снизить размеры машин в три-четыре раза и свести на нет потери энергии. Возможно, будут созданы и Сверхпроводящие линии электропередач - без потерь энергии на нагревание проводов. Однако надо всегда помнить, что современные Сверхпроводящие материалы требуют охлаждения жидким гелием до очень низких температур. Чтобы создать и поддерживать эти низкие температуры, необходимы специальные холодильные установки и затраты энергии. Поэтому одна из интереснейших и важных задач современной науки - поиск высокотемпературных сверхпроводников, материалов, у которых сверхпроводимость наступает при существенно более высоких температурах, хотя бы при температуре жидкого азота - ведь охлаждение жидким азотом гораздо дешевле и проще, чем жидким гелием.

перейти к началу страницы