Школьная энциклопедия. Школьная энциклопедия Сверхпроводимость график

Для этого, пожалуй, придется вспомнить несколько дат и начать с 1911 года, когда голландский физик Камерлинг-Онкес в Лейденской лаборатории открыл новое явление сверхпроводимости. Затем ему же первому удалось получить сверхнизкую температуру и при минус 269 градусах превратить гелий в жидкость. Наконец появилась возможность охлаждать вещества в жидком гелии и изучать их свойства в совершенно новой, ставшей теперь доступной области температур.

В то время многие считали (этого же мнения придерживался и Оннес), что с приближением к -273 градусам электрическое сопротивление любого должно падать до нуля. Как заманчиво было, наконец, проверить это! Но подтверждение не получалось. Может быть, виноваты примеси? Подходящим металлом, который можно было исследовать в очень чистом состоянии, Оннесу показалась ртуть. И действительно - как и предсказывала электронная теория металлов - с понижением температуры сопротивление ртути закономерно уменьшалось. Все шло нормально до четырех градусов, как вдруг сопротивление полностью исчезло. Исчезло внезапно, сразу - скачком.

Впрочем, Омнес отнесся к этому довольно спокойно. Он принял это за подтверждение своей теории электрического сопротивления и назвал найденное им новое состояние ртути «сверхпроводящим». Но скоро выяснилось, что парадоксальный скачок сопротивления до нуля невозможно объяснить ни одной теорией и что открыл-то Оннес совсем не то, на что рассчитывал.

Что могло измениться в металле, почему при некоторой температуре (Оннес назвал ее критической) электронам уже ничто не мешает двигаться, почему они перестают взаимодействовать с атомами кристаллической решетки, или, как говорят физики, перестают рассеиваться на колебаниях решетки?

А может быть, сопротивление у вещества все же остается, просто становится таким маленьким, что его не удастся даже измерить? И сам Оннес, и многие экспериментаторы пытались «поймать» это остаточное сопротивление. Они использовали самые чувствительные методы, чтобы по затуханию электрического тока в сверхпроводящем кольце оценить величину сопротивления. Опыты эти продолжались до самого последнего времени и завершились знаменитым экспериментом Коллинза, где сверхпроводящее свинцовое кольцо с электрическим током сохранялось в жидком гелии около трех лет.

Самые чувствительные методы не обнаружили уменьшения тока. Значит, не просто хорошая электропроводимость, а сверхпроводимость. Продолжать эксперимент не было надобности: он показал, что «сопротивление» сверхпроводника, по крайней мере, в биллион раз меньше, чем у самой чистой меди.

Прошло 22 года, прежде чем было сделано второе, не менее поразительное открытие. Оказалось: сверхпроводимость - это не только «идеальная проводимость», но и «идеальный диамагнетизм». Напомним, что диамагнетики - это вещества, находящиеся «не в ладах» с магнитным полем. Помещенные в магнитное поле, они стремятся вытеснить его из себя и занять в пространстве такое положение, где напряженность поля минимальна. Как идеальный диамагнетик сверхпроводник не терпит внутри себя ни малейшего магнитного поля. Так, еще в 1933 году стало ясно, что нулевое сопротивление и нулевое магнитное поле - это два свойства сверхпроводящего состояния.

Постепенно во всех крупнейших центрах Европы и Америки начали разворачиваться работы по сверхпроводимости. В крупнейших - потому что только самым мощным научным учреждениям было «по карману» содержать дорогостоящее холодильное хозяйство и установки ожижения гелия.

Но ни высокая стоимость, ни дефицит жидкого гелия не помешали физикам за эти годы накопить большой фактический материал - открыть сотни новых сверхпроводников и обнаружить целый ряд совершенно неожиданных эффектов. Мы уже знаем около тысячи сверхпроводящих веществ - элементов, соединений, сплавов. Среди них - свыше двадцати элементов периодической системы Менделеева, вплоть до технеция, металла, который не существует на Земле в естественных условиях (его получают искусственно в атомных реакторах). Выяснилось, что сверхпроводимостью обладают сплавы металлов и неорганические соединения, состоящие из сверхпроводящих элементов и - что самое удивительное - не содержащие их. Долгое время первенство по самой высокой критической температуре держал нитрид ниобия (-259 градусов), потом была обнаружена сверхпроводимость при -256 градусах у силицида ванадия, а в 1954 году была зафиксирована рекордно высокая критическая температура: -254,8 градуса у станнида ниобия (сплава ниобия с оловом).

По некоторым свойствам, главным образом магнитным, сверхпроводящие вещества стали разделять на сверхпроводники первого и второго рода. Все вещества с высокими критическими температурами оказались сверхпроводниками второго рода. У них обнаружились и другие важные свойства: высокие значения критического магнитного поля и критической плотности тока. Что это значит? Было известно: сверхпроводимость можно «разрушить», не только повышая температуру выше критической, но и действуя магнитным полем. Так вот, образцы этих соединений оставались сверхпроводящими, даже если через них в сверхсильном магнитном поле пропускали токи плотностью до миллиона ампер на квадратный сантиметр сечения.

В те же самые годы сверхпроводимость усиленно атаковали с другой стороны. Здесь не жаловались на нехватку гелия, на сложность и дороговизну оборудования. Перед теоретиками стояли другие трудности - математические. Кто только не брался за решение загадки сверхпроводимости. Только к 1957 году барьеры были, наконец, преодолены.

Открытие сверхпроводимости

Итак, общая теория сверхпроводимости появилась. Основная ее идея такова. Частицы одного знака должны - по закону Кулона - отталкиваться друг от друга. Этот закон, конечно, соблюдается и в сверхпроводниках. Но кроме такого взаимодействия, оказывается, в металле может быть и другое - слабое притяжение, возникающее между электронами через промежуточную среду. Эта среда - сама решетка металла, или, говоря точнее, ее колебания. И вот, если появляются условия, когда это притяжение становится больше сил отталкивания, наступает сверхпроводимость.

Сейчас уже никто не сомневается, что теория, в основном, правильно объясняет природу сверхпроводимости. Но значит ли это, что решены все проблемы? Спросите у теоретиков: «Почему у олова критическая температура равна 3,7 градуса, а у ниобия 9,2?». Увы перед такими важными вопросами теория пока пасует…

Обычный путь в физике: явление открыли - объяснили - научились использовать. Чаще всего развитие теории и разработка способов применения идут параллельно. Разумеется, в такой непривычной, далекой от повседневного быта области, как сверхпроводимость, слово «применение» надо понимать несколько иначе, чем обычно — это не тракторы и не стиральные машины. Применять - значит использовать уникальные эффекты, заставить их «работать». Пусть сначала только в лаборатории, пусть без шумных успехов и сенсаций.

А что, если попробовать изготовить сверхпроводящий магнит? - такой вопрос возник еще в двадцатые годы прошлого века. Известно ведь, наиболее сильные магнитные поля создают с помощью электромагнитов. Поля напряженностью до 20 тысяч эрстед удается получать таким методом довольно успешно, на сравнительно недорогих установках. А если нужны более сильные поля - сто и более тысяч эрстед? Мощность магнитов возрастает до миллионов ватт. Питать их нужно через специальные подстанции, а водяное охлаждение магнита требует расхода тысяч литров воды в минуту.

Магнитное поле - электрический ток - сопротивление связаны в единую цепочку. Как заманчиво было бы вместо этих громоздких, сложных и дорогих устройств изготовить миниатюрную катушку из сверхпроводящей проволоки, поместить в жидкий гелий и, питая ее от простого аккумулятора, получать сверхсильные магнитные поля. Реализовать эту идею удалось значительно позже - только тогда, когда были открыты новые материалы с высокими критическими полями и токами: сначала ниобий, потом сплав ниобия с цирконием, титайом. И, наконец, ниобий - олово. Во многих лабораториях мира уже «трудятся» портативные сверхпроводящие магниты, дающие поля около 100 тысяч эрстед. И несмотря на дороговизну жидкого гелия, такие магниты значительно выгоднее обычных.

Применение сверхпроводимости

Сильные магнитные поля - это всего лишь одна из множества областей возможных и отчасти осуществленных использования сверхпроводимости. Точнейшие приборы физического эксперимента - сверхпроводящие гальванометры и детекторы излучений, резонаторы со сверхпроводящим покрытием для микроволновой техники и для линейных ускорителей тяжелых частиц, магнитные линзы для электронных , электродвигатели на сверхпроводящих подшипниках без трения, трансформаторы и линии передач без потерь, магнитные экраны, аккумуляторы энергии, наконец, миниатюрные и быстродействующие «ячейки памяти» вычислительных машин - вот сильно сокращенный перечень проблем сегодняшней прикладной сверхпроводимости.

Уже говорят о том, что всю классическую электротехнику можно «изобрести» заново, если строить ее не на обычных проводниках электрического тока, а на сверхпроводящих материалах.

Ну, а если немножко помечтать? Ведь в космосе идеальные условия для работы сверхпроводящих устройств, идеальные условия сверхпроводимости. В вакууме космического пространства тело может нагреваться извне только за счет излучения (Солнца, например). Раз так, то достаточно любого непрозрачного экрана, и любой предмет в космосе полностью теплоизолирован. И раз сами элементы нашей воображаемой машины сверхпроводящие и ток течет по ним без сопротивления, тепло в них не выделяется. Жидкий гелий почти не будет, а значит, устройство сможет работать неограниченно долго. Вспомните опыт Коллинза, чья свинцовая баранка сохраняла ток почти три года.

Представляете, где-нибудь на орбите вокруг Луны вращается эдакая криогенная вычислительная машина, одна обслуживающая целые отрасли земного хозяйства, науки и транспорта? А сверхпроводящие магниты,- может быть, именно они будут удерживать плазму в термоядерных реакторах будущего? Или охлажденные электрические кабели, по которым абсолютно без всяких потерь можно передавать электрическую энергию за десятки тысяч километров?

Фантазия ли это? Все, о чем здесь говорилось, принципиально возможно. Значит, будет сделано. Но когда?

Это прекрасная область, как для фантазии, так и для глубокой теоретической и экспериментальной работы.

А пока сплав ниобий-олово остается единственным веществом с максимальной критической температурой минус 254,8 градуса, причем никто не может понять, за какие достоинства выделила его природа из тысяч других неорганических веществ. Никакие добавки других элементов, никакие изменения внутренней структуры этого сплава не смогли повысить его критической температуры. Поиски других, аналогичных, двойных и тройных сплавов тоже оказались безуспешными - ни разу никому не удалось подняться выше этого заколдованного числа - минус 254,8 градуса. Стали поговаривать о том, что, видимо, эта температура не случайна, вероятно, это предел, который не удастся перейти. Остается лишь найти этому факту теоретическое обоснование, разыскать причину, почему в металлических системах не может быть сверхпроводимости при более высоких температурах.

Сопротивление проводника зависит от температуры. При нагревании металлов, сопротивление увеличивается, при охлаждении сопротивление уменьшается. При стремлении температуры проводника к нулю, может появиться явление, которое называется сверхпроводимость.

История открытия

Открытие сверхпроводимости принадлежит голландскому физику Х.Камерлингу-Оннесу. Он охлаждал ртуть в жидком гелии. Сначала сопротивление плавно уменьшалось, а потом, по достижении какой-то определенной температуры, сопротивление резко упало до нуля. Это явление было названо сверхпроводимостью.

Однако, объяснить суть явления сверхпроводимости смогли лишь в 1957 г. Оно дается на основе квантовой теории. С огромным упрощением, сверхпроводимость можно объяснить следующим образом: электроны объединяются в шеренги и двигаются, не сталкиваясь с кристаллической решеткой. Это движение совсем не похоже на обычное хаотичное тепловое движение.

В 1986 г. помимо низкотемпературной сверхпроводимости, была открыта высокотемпературная сверхпроводимость. Создали сложные соединения, которые переходят в состояние сверхпроводимости при температуре 100 К.

Свойства сверхпроводников

• Критической температурой называют температуру, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние. Явление сверхпроводимости возникает в металлах и их сплавах при очень низких температурах (примерно 25 К и ниже). Существуют справочные таблицы, в которых указываются критические температуры некоторых веществ.
• Так как сопротивление в сверхпроводимости отсутствует, следовательно, не происходит выделения тепла при прохождении через проводник электрического тока. Это свойство сверхпроводников широко используется.
• Для каждого сверхпроводника существует критическое значение силы тока, которое можно достигнуть в проводнике, не нарушая его сверхпроводимости. Это происходит потому, что при прохождении силы тока, вокруг проводника создается магнитное поле. А магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Поэтому сверхпроводники невозможно использовать для получения сколь угодно сильного магнитного поля.
• При прохождении энергии через сверхпроводник не происходит её потерь. Одним из направлений исследований современных физиков, является создание сверхпроводящих материалов при комнатных температурах. Если эту задачу удастся решить, то будет решена одна из важнейших технических проблем - передача энергии по проводам без потерь.

Перспективы

Высокотемпературная сверхпроводимость - это очень перспективная область исследований, которая впоследствии может привести к новой технической революции в электронике, электротехнике и радиотехнике. Согласно последним данным в этой области, максимальная критическая температура сверхпроводимости, которую удалось достигнуть, равняется 166К.

Мы постепенно приближаемся к открытию материалов, которые будут являться сверхпроводящими при комнатных температурах. Это станет прорывом в мире техники. Электроэнергию можно будет передавать на любые расстояния без потерь.

Сверхпроводимость, как явление, возникает в результате образования куперовских пар электронов, ведущих себя подобно единой частице.

Сверхпроводимость — вещь странная и, в некоторой мере, даже противоречащая здравому смыслу. Когда электрический ток течет по обычному проводу, то, в результате наличия у провода электрического сопротивления, ток совершает некую работу, направленную на преодоление этого сопротивления со стороны атомов, в результате чего выделяется тепло. При этом каждое соударение электрона — носителя тока — с атомом тормозит электрон, а сам атом-тормоз при этом разогревается — вот почему спираль электрической плитки становится такой красной и горячей. Всё дело в том, что спираль обладает электрическим сопротивлением , и, вследствие этого, при протекании по ней электрического тока, выделяет тепловую энергию (см. Закон Ома).

В 1911 году нидерландский физик-экспериментатор Хейке Камерлинг Оннес (Heike Kammerlingh Onnes, 1853-1926) сделал удивительное открытие. Погрузив провод в жидкий гелий, температура которого составляла не более 4° выше абсолютного нуля (который, напомним, составляет -273°С по шкале Цельсия или -460°F по шкале Фаренгейта), он выяснил, что при сверхнизких температурах электрическое сопротивление падает практически до нуля. Почему такое происходит, он, собственно, не мог даже и догадываться, но факт оказался налицо. При сверхнизких температурах электроны практически не испытывали сопротивления со стороны атомов кристаллической решетки металла и обеспечивали сверхпроводимость.

Но почему всё так происходит? Это оставалось тайной вплоть до 1957 года, когда еще три физика-экспериментатора — Джон Бардин (John Bardeen, 1908-1991), Леон Купер (Leon Cooper, р. 1930) и Джон Роберт Шриффер (John Robert Schrieffer, р. 1931) придумали объяснение этому эффекту. Теория сверхпроводимости теперь так и называется в их честь «теорией БКШ» — по первым буквам фамилий этих физиков.

А суть ее заключается в том, что при сверхнизких температурах тяжелые атомы металлов практически не колеблются в силу их низкого теплового движения, и их можно считать фактически стационарными. Поскольку любой металл только потому и обладает присущими металлу электропроводящими свойствами, что отпускает электроны внешнего слоя в «свободное плавание» (см. Химические связи), мы имеем, что имеем: ионизированные, положительно заряженные ядра кристаллической решетки и отрицательно заряженные электроны, свободно «плавающие» между ними. И вот проводник попадает под действие разности электрических потенциалов. Электроны — волей или неволей — движутся, будучи свободными, между положительно заряженными ядрами. Всякий раз, однако, они вяло взаимодействуют с ядрами (и между собой), но тут же «убегают». Однако, в то самое время, пока электроны «проскакивают» между двумя положительно заряженными ядрами, они как бы «отвлекают» их на себя. В результате, после того как между двумя ядрами «проскочил» электрон, они на недолгое время сближаются. Затем два ядра, конечно же, плавно расходятся, но дело сделано — возник положительный потенциал, и к нему притягиваются всё новые отрицательно заряженные электроны. Тут самое важное — понять: благодаря тому, что один электрон «проскакивает» между атомами, он, тем самым, создает благоприятные энергетические условия для продвижения еще одного электрона. В результате электроны перемещаются внутри атомно-кристаллической структуры парами — по-другому они просто не могут, поскольку это им энергетически не выгодно. Чтобы лучше понять этот эффект можно привлечь аналогию из мира спорта. Велосипедисты на треке нередко используют тактику «драфтинга» (а именно, «висят на хвосте» у соперника) и, тем самым, снижают сопротивление воздуха. То же самое делают и электроны, образуя куперовские пары .

Тут важно понять, что при сверхнизких температурах все электроны образуют куперовские пары. Теперь представьте себе, что каждая такая пара представляет собой связку наподобие вермишели, на каждом конце которой находится заряд-электрон. Теперь представьте себе, что перед вами целая миска подобной «вермишели»: она вся состоит из переплетенных между собой куперовских пар. Иными словами, электроны в сверхпроводящем металле попарно взаимодействуют между собой, и на это уходит вся их энергия. Соответственно, у электронов просто не остается энергии на взаимодействие с ядрами атомов кристаллической решетки. В итоге доходит до того, что электроны замедляются настолько, что им больше нечего терять (энергетически), а окружающие их ядра «остывают» настолько, что они более не способны «тормозить» свободные электроны. В результате электроны начинают перемещаться между атомами металла, практически не теряя энергии в результате соударения с атомами, и электрическое сопротивление сверхпроводника устремляется к нулю. За открытие и объяснение эффекта сверхпроводимости Бардин, Купер и Шриффер в 1972 году получили Нобелевскую премию.

С тех пор прошло немало лет, и сверхпроводимость из разряда явлений уникальных и лабораторно-курьезных превратилась в общепризнанный факт и источник многомиллиардных доходов предприятий электронной индустрии. А дело всё в том, что любой электрический ток возбуждает вокруг себя магнитное поле (см. Закон электромагнитной индукции Фарадея). Поскольку сверхпроводники долгое время проводят ток практически без потерь, если поддерживать их при сверхнизких температурах, они представляют собой идеальный материал для изготовления электромагнитов. И, если вы когда-нибудь подвергались медико-диагностической процедуре, которая называется электронная томография и проводится на сканере, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), то вы, сами того, возможно, не подозревая, находились в считанных сантиметрах от сверхпроводящих электромагнитов. Именно они создают поле, позволяющее врачам получать высокоточные образы тканей человеческого тела в разрезе без необходимости прибегать к скальпелю.

Современные сверхпроводники сохраняют свои уникальные свойства при нагревании вплоть до температур порядка 20K (двадцать градусов выше абсолютного нуля). Долгое время это считалось температурным пределом сверхпроводимости. Однако в 1986 году сотрудники швейцарской лаборатории компьютерной фирмы IBM Георг Беднорц (Georg Bednorz, р. 1950) и Александр Мюллер (Alexander Müller, р. 1927) открыли сплав, сверхпроводящие свойства которого сохраняются и при 30K. Сегодня же науке известны материалы, остающиеся сверхпроводниками даже при 160К (то есть чуть ниже -100°C). При этом общепринятой теории, которая объясняла бы этот класс высокотемпературной сверхпроводимости , до сих пор не создано, но совершенно ясно, что в рамках теории БКШ ее объяснить невозможно. Практического применения высокотемпературные сверхпроводники на сегодняшний день не находят по причине их крайней дороговизны и хрупкости, однако разработки в этом направлении продолжаются.

John Bardeen, 1908-91

Американский физик, один из немногих дважды лауреатов Нобелевской премии. Родился в Мэдисоне, штат Висконсин в семье профессора-патологоанатома. Образование получил в Мэдисонском и Принстонском университетах. В перерыве между учебой в первом и втором несколько лет проработал в нефтяной компании Gulf Oil в качестве сейсмолога-разведчика нефтяных залежей. В годы второй мировой войны служил в навигационной лаборатории ВМФ США в Вашингтоне, по окончании войны работал в радиолаборатории телефонной компании Bell, где стал соавтором изобретения транзистора, за что в 1956 году был удостоен своей первой Нобелевской премии по физике. После этого Бардин стал профессором Университета штата Иллинойс, где занялся разработкой теории БКШ, за которую, вместе с соавторами, в 1972 году получил Нобелевскую премию во второй раз.

Сверхпроводимость - явление, состоящее в том, что у некоторых металлов и сплавов происходит резкое падение до нуля удельного сопротивления вблизи определенной температуры. Эти металлы и сплавы называются сверхпроводниками.

2. Какую температуру называют критической?

Критическая температура - температура, при которой проводники переходят в сверхпроводящее состояние.

3. Какой эффект называют изотопическим? Почему изотопический эффект является ключом к объяснению сверхпроводимости?

Изотопический эффект заключается в том, что квадрат температуры обратно пропорционален массе ионов в кристаллической решетке. Это значит, что при критической температуре структура кристаллической решетки сверхпроводника оказывает большое влияние на движение электронов - возникающие силы притяжения между электронами превышают кулоновские силы отталкивания.

4. Чем отличается характер движения электронов в сверхпроводнике от их движения в проводнике? Как механически можно промоделировать движение куперовских пар в сверхпроводнике?

В проводнике электроны движутся независимо друг от друга, а в сверхпроводнике (при критической температуре) их движения взаимосвязаны. Если движение электронов в проводнике мы сравнивали с потоком шариков, скатывающимся по наклонной плоскости и натыкающимся на штыри, то движение электронов в сверхпроводнике можно представить как движение наклонной плоскости, но шариков попарно связанных пружинами.

5. Почему сверхпроводимость исчезает при температуре выше критической? Чем объясняется перспективность разработок высокотемпературных сверхпроводников?

При температурах больше критической электроны снова начинают двигаться хаотично, куперовские пары разрушаются. Перспективность разработок высокотемпературных сверхпроводников позволит уменьшить потери энергии при передаче на большие расстояния, увеличить быстродействие компьютеров.

Сверхпроводники - это материалы, электрическое сопротивление которых понижается до нуля при достижении определенной минусовой температуры (чаще всего - в несколько градусов выше абсолютного нуля). При этом материал переходит в сверхпроводящее состояние, приобретая определенные интересные свойства: например, могут «парить» в буквальном смысле, удерживаемые магнитным полем. Особенный интерес для физиков представляют сверхпроводники, способные работать при комнатных температурах. Их появление и производство произвело бы революцию в области материалов.

Можно назвать одними из самых интересных и удивительных материалов в природе. Не поддающиеся логическому обсуждению квантово-механические эффекты приводят к тому, что у сверхпроводников ниже критической температуры совершенно исчезает электрическое сопротивление. Одного этого свойства достаточно, чтобы зажечь воображение. Ток, который может течь постоянно, не теряя никакой энергии, означает передачу энергии практически без потери в кабелях. Когда возобновляемые источники энергии начнут доминировать в сети и высоковольтные передачи через континенты станут непрерывными, кабели без потерь приведут к значительной экономии.

В конце июня компания Lexus о разрабатываемом ею ховерборде Slide — летающей доске из популярного фантастического фильма «Назад в будущее 2». Журналистам удалось выяснить, что для работы летающей доске от Lexus требуются специальные условия. Для этих целей в Барселоне был построен специальный скейт-парк, под поверхностью которого находятся металлическая подложка, благодаря которой магниты, встроенные в ховерборд, могут удерживать его на весу.