11 класс
§ 3. Сверхпроводимость
Явление сверхпроводимости.
При температурах, близких к абсолютному нулю, наблюдается явление сверхпроводимости — способность вещества пропускать ток, не оказывая ему сопротивления. Открытие этого явления (1911) принадлежит выдающемуся нидерландскому учёному Хейке Камерлинг-Оннесу (1853—1926). Он первым получил жидкий гелий (1908), что позволило ему работать при «гелиевых» температурах (4,2 К) и обнаружить сверхпроводимость.
Результаты экспериментов Камерлинг-Оннеса с ртутью оказались неожиданными. C понижением температуры удельное сопротивление ртути сначала плавно уменьшалось, а при температуре 4,12 К (что несколько ниже температуры кипения жидкого гелия, равной 4,2 К) резко падало и становилось неизмеримо малым. Примерная зависимость удельного сопротивления от температуры для ртути показана на рисунке 1.13.
Явление сверхпроводимости состоит в исчезновении сопротивления материала при определённой температуре 1, которая называется критической температурой и обозначается Tс
1 Отсутствие сопротивления является фундаментальным, но не единственным характерным признаком сверхпроводников. У них наблюдаются также аномалии магнитных, тепловых и других свойств. Поэтому правильнее было бы говорить не только о сверхпроводимости, но и об особом, наблюдаемом при низких температурах состоянии вещества.
Сверхпроводники.
Проводники, сопротивление которых равно нулю, называют сверхпроводниками. Экспериментальным путём было показано, что сверхпроводимость можно разрушить сравнительно слабым магнитным полем. Такое поле называют критическим. Кроме того, разрушается сверхпроводимость и током, протекающим через сверхпроводник, если он превышает критическую величину Iс
Вскоре вслед за ртутью были открыты и другие сверхпроводники, например олово (Tс = 3,69 К), свинец (Tс = 7,26 К).
На рисунке 1.14 показана хронология открытия некоторых сверхпроводников, начиная с 1911 г. К настоящему времени известно несколько сотен чистых элементов, соединений, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние при определённых условиях.
В 1960—1970-х гг. в научном сообществе шло активное обсуждение вопроса о возможности синтеза высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) — веществ, критическая температура которых выше температуры кипения азота (77 К) при нормальном атмосферном давлении. И вот в 1986 г. Йоханнес Беднорц (р. 1960) и Карл Мюллер (р. 1927) обнаружили способность керамики на основе оксидов меди, лантана и бария переходить в сверхпроводящее состояние при температуре, равной 30 К. За это открытие они были удостоены Нобелевской премии по физике в 1987 г.
В настоящее время рекордсменом по величине Tс является соединение (металлокерамика), имеющее критическую температуру 135 К. При давлении, равном 35 ГПа, его критическая температура возрастает до 164 К, что лишь на 19 К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли в Антарктиде. Однако разработать теоретическую модель, адекватно описывающую наблюдаемые свойства ВТСП, пока не удалось.
Области применения сверхпроводимости.
Необычные свойства сверхпроводников используют для получения сильных магнитных полей, в транспортных устройствах на магнитной подвеске, в сверхпроводниковой электронике, в ускорителях заряженных частиц, в установках управляемого термоядерного синтеза и др.
Отсутствие потерь на нагревание при прохождении постоянного тока через сверхпроводник делает привлекательным применение сверхпроводящих кабелей для передачи электроэнергии. Высокотемпературные сверхпроводники, изготовленные на основе медных оксидов, проводят электрический ток без всякого сопротивления при температурах выше 77 К. В Нью-Йорке был проложен первый силовой кабель на основе ВТСП, подающий электроэнергию к району, находящемуся на острове. Охлаждаемый жидким азотом кабель позволяет проводить ток силой в несколько килоампер при напряжении в сотни киловольт.
Сверхпроводящие магниты нашли применение в поездах на магнитной подвеске (рис. 1.15).
Например, в Японии действует экспериментальная семикилометровая линия, на которой поезд на магнитной подушке развивает скорость около 500 км/ч.
В рамках классической физики не удалось объяснить механизм сверхпроводимости. Для этого потребовалось использовать представления квантовой физики, с элементами которой вы познакомитесь в конце курса физики старшей школы. Объяснение низкотемпературной сверхпроводимости было дано в середине 1950-х гг. американскими физиками Джоном Бардиным (1908—1991), Леоном Купером (р. 1930) и Джоном Шриффером (р. 1931), а также независимо от них российским учёным Николаем Николаевичем Боголюбовым (1909—1992).
Одной из важнейших задач современной физики является получение сверхпроводников с температурой перехода, близкой к комнатной. Если её удастся решить, то это позволит уменьшить потери энергии в линиях электропередачи, а также увеличить быстродействие компьютеров.
Вопросы:
1. В чём заключается явление сверхпроводимости?
2. Какие вещества называют сверхпроводниками?
3. В чём состоит физический смысл критической температуры?
4. В каких областях техники используют свойства сверхпроводников? Приведите примеры.
