Полная потеря металлом электрического сопротивления

Явление полной потери металлом электрического сопротивления при понижении температуры до определенного критического значения получило название сверхпроводимости.

Характерная для сверхпроводников зависимость их сопротивления от температуры. В настоящее время известно свыше 20 сверхпроводящих металлов и сплавов. Чистые химические элементы, переходящие в сверхпроводящее состояние, указаны в помещаемой здесь периодической системе элементов. Температура перехода соответствующего элемента в сверхпроводящее состояние приведена в клетке таблицы, занимаемой названием этого элемента.

Не следует удивляться тому, что целый ряд значений температур перехода находится ниже точки кипения гелия при атмосферном давлении. Теперь такие температуры достигаются сравнительно легко, а температуру можно получить интенсивным испарением самого жидкого гелия.

Явление сверхпроводимости можно наблюдать еще более эффективным способом, основанным на использовании явления электромагнитной индукции, открытого еще в 1831 году М. Фарадеем.

Пусть мы имеем проволочное кольцо, в которое включен гальванометр. Если мы будем приближать к этому кольцу или удалять от него магнит, то в нем возникнет электрический ток. Мы узнаем об этом по показаниям стрелки гальванометра.

Однако стрелка гальванометра возвращается к своему нулевому положению, когда магнит останавливается. Дело в том, что вызванное электромагнитной индукцией движение электронов в проволочном кольце прекратится из-за сопротивления материала кольца. Энергия движущихся электронов перейдет в тепло, а электроны почти мгновенно остановятся, как только их движение перестанет поддерживаться электромагнитной индукцией движущегося магнита.

Спрашивается, что произойдет, если опыт с кольцом и магнитом произвести, погрузив кольцо в жидкий гелий и переводя металл кольца в сверхпроводящее состояние? (Мы помещаем замкнутое кольцо, без гальванометра, в гелий.) Магнит так же, разумеется, в жидкий гелий не погружается. Он действует на кольцо на расстоянии.

Опыт показывает, что электрический ток в сверхпроводящем кольце будет циркулировать сутками после прекращения движения магнита. Дело в том, что, осуществив переход кольца в сверхпроводящее состояние, мы избавились от неизбежного раньше выделения тепла электрическим током. Движущиеся в кольце электроны больше не расходуют энергию своего движения на преодоление сопротивления, и им для поддержания движения больше не нужно постоянного воздействия со стороны электромагнитной индукции движущегося магнита.

Таким образом, циркулирующий в сверхпроводящем кольце электрический ток «реализует тот замысел вечного движения», который пытались осуществить изобретатели, нагромождая разные механические приспособления. Но, конечно, описанный нами факт представляет собой совершенно особое явление природы, не имеющее никакого сходства с простыми механическими движениями.

Может возникнуть вопрос: как мы узнаем о том, что в кольце непрерывно циркулирует ток, если гальванометр больше не включен в цепь кольца?

Мы можем найти убедительное доказательство существования тока благодаря магнитному полю, образовавшемуся вокруг сверхпроводящего кольца, после того как магнит, возбудивший ток в кольце, давно удален от нашей установки.

В самом деле, при протекании электрического тока по проводу вокруг него всегда создается магнитное поле, которое можно обнаружить хотя бы с помощью стрелки компаса.

Поднося стрелку компаса к сверхпроводящей катушке через несколько дней после возбуждения в ней тока, мы можем обнаружить отклонение стрелки от ее обычного направления с севера на юг, причем оказывается, что в кольце течет ток такой силы, какая, например, бывает нужна для питания 40-ваттной электролампы. Но как только гелий вокруг кольца испарится и температура кольца превысит температуру перехода данного металла в сверхпроводящее состояние, ток в кольце прекратится и движение электронов в нем остановится.

Дальнейшие опыты по изучению сверхпроводимости показали, что металлы, находящиеся в сверхпроводящем состоянии, обладают совершенно особенными магнитными свойствами.

Во-первых, помещая сверхпроводник в магнитное поле, можно обнаружить, что под действием этого поля свойство сверхпроводимости исчезает так же, как при нагревании сверхпроводящего металла выше температуры его перехода в сверхпроводящее состояние.

Во-вторых, опыт показывает, что магнитные свойства сверхпроводника (сверхпроводимость которого еще не разрушена магнитным полем) также совершенно исключительны. Оказывается, что внешнее магнитное поле не проникает внутрь объема сверхпроводящего металла.

Это особое свойство сверхпроводников по сравнению с другими веществами, на которой изображена картина силовых линий магнитного поля в воздухе, железе, меди и сверхпроводнике.

Внутри сверхпроводника силовых линий магнитного поля нет.

Очень тщательно проведенные опыты показали, что магнитное поле существует лишь в очень тонком поверхностном слое сверхпроводника, толщиной только в 5 раз более тонком, чем длина световой волны.

Отсутствие магнитного поля внутри сверхпроводника находит себе объяснение именно в его сверхпроводящих свойствах. Дело в том, что в поверхностном слое всякого сверхпроводника под действием внешнего магнитного поля возникают те самые индукционные токи, которые мы описывали в случае специально сделанного проволочного кольца. Легкость возникновения этих токов обусловлена и на этот раз сверхпроводимостью металла. Эти токи создают свое магнитное поле, но направленное противоположно действию внешнего магнитного поля. Внутри сверхпроводника результирующая напряженность обоих магнитных полей равна нулю.

Подобные индукционные токи возникают при помещении всякого проводника в магнитное поле, и они также будут компенсировать внешнее поле, но в результате того, что обычные металлы обладают сопротивлением, индукционные токи затухают в тысячные доли секунды. В поверхностном же слое сверхпроводника они будут продолжать все время циркулировать, «защищая» его объем от проникновения внешнего магнитного поля.

В заключение описания магнитных свойств сверхпроводящего металла рассмотрим один очень красивый и наглядный опыт, выполненный по предложению профессора Московского университета В. К. Аркадьева в 1945 году.

Представим себе сосуд для хранения жидкого гелия, на дно которого положена слабовогнутая свинцовая чаша. Пусть в сосуд налит жидкий гелий. Тогда свинец чаши перейдет в сверхпроводящее состояние.

Пусть теперь в жидкий гелий опущен сверху небольшой стальной магнитик. Так как гелий обладает очень малым удельным весом (0,12 г/см3), а стальной магнит имеет удельный вес 8 г/см3, он пролетит через гелий и ударится о поверхность свинцовой чаши.

Бели бы опыт производился при комнатной температуре, то магнитик, подпрыгнув несколько раз над чашей (после первого удара об нее), упал бы и остался в ней.

Но в жидком гелии все происходит совсем иначе. Стальной магнит в этом случае устойчиво «плавает» в легкой жидкости гелия над поверхностью чаши.

Магнит можно толкать, поворачивать, но он не будет тонуть и станет совершенно свободно, без трения вертеться на месте, если его закрутить.

Это явление объясняется тем, что приближающийся к поверхности сверхпроводящей чаши падающий стальной магнит возбуждает в ней сверхпроводящие токи. Магнитное поле этих токов оказывается направленным в сторону, противоположную магнитному полю магнита, и удерживает его от падения.

Сверхпроводимость свинца обеспечивает возникновение и длительное существование нужных для поддержания магнита сверхпроводящих токов.

Если бы чаша не была сверхпроводящей, то в ней также возникли бы индукционные токи нужного направления, но ни их сила, ни длительность их существования не обеспечили бы плавание стального магнита и преодоление силы веса, тянущей магнит вниз.

Поверхности сверхпроводника придается форма чаши для того, чтобы плавающий магнит автоматически центрировался внутри сосуда. Если положить на дно сосуда плоский свинцовый диск, то магнит также будет плавать в гелии, но при показе его вращений и перемещений легко приблизить его к стенке сосуда, в которую он упрется, и дальнейшие интересные опыты с «плавающим магнитом» прекратятся.

Возможен и другой вариант опыта В. К- Аркадьева, в котором используется магнитное взаимодействие двух сверхпроводящих токов. Если возбудить индукционным методом (путем движения магнита) сверхпроводящий ток в проволочном кольце и затем приблизить к нему сверхпроводящий свинцовый шар, в котором также циркулирует этот ток (вызванный магнитным полем тока в кольце), то шар «повиснет» в плоскости кольца. Этот вариант опыта В. К. Аркадьева, приведенный Стюартом, изображен на контртитуле книги. В этом случае хорошо виден весь сосуд с жидким гелием. Эта фотография служит удачной иллюстрацией возможности вечного движения электронов.

В заключение скажем несколько слов о практическом применении сверхпроводимости.

Отметим, что эффектный опыт В. К. Аркадьева уже нашел себе практическое применение. Плавающий в жидком гелии магнит представляет собой идеальную систему подвеса, или плавающего подшипника.

Но не в этом самое главное применение сверхпроводимости.
Прежде всего, тонкие сверхпроводящие проволочки, температура которых очень близка к необходимой для перехода в сверхпроводящее состояние, оказываются очень чувствительными к падающей на них энергии теплового излучения. Именно в этих условиях электрическое сопротивление проволочек оказывается очень резко зависящим от их нагрева, обусловленного падающей на них энергией излучения. Это обстоятельство позволяет при помощи сверхпроводящих проволочек измерять ничтожные потоки энергии, не-доступные измерениям другим способом. Низкая температура таких измерителей также оказывается весьма выгодной. Дело в том, что при низкой температуре помехи, вызванные тепловым движением электронов в пленке металла (так называемые шумы), становятся минимальными.

Но самое интересное и практически важное применение сверхпроводников — это сверхпроводящие катушки для получения сильных магнитных полей.

Магнитные поля, необходимые для исследования различных свойств вещества, получают, как уже было сказано, двумя способами: используя магнитные свойства железа (стали) или используя магнитные поля электрических токов.

Опыт показывает, что очень сильных магнитных полей путем использования железа и стали получить нельзя. Поэтому для получения сильных магнитных полей уже давно применяют электрические токи.
Но для получения сильных полей нужны сильные электрические токи. Последнее обстоятельство очень осложняет решение этой задачи. Сильные токи требуют для своего получения высоких напряжений и больших мощностей, так как при протекании сильных токов в проводниках выделяется много тепла и проводник может даже расплавиться.

Для того чтобы пропустить сильный ток в сверхпроводнике, не нужно ни высоких напряжений, ни больших мощностей, так как сопротивление сверхпроводника равно нулю. Однажды возбужденный в сверхпроводнике ток может поддерживаться в нем неограниченно долго и поддерживать магнитное поле внутри катушки.

Поэтому, казалось бы, с самого момента открытия явления сверхпроводимости сверхпроводники должны были бы стать самым лучшим материалом для катушек, предназначенных для получения сильных магнитных полей.

Но здесь мы должны вспомнить одну из особенностей магнитных свойств сверхпроводников: в сильных магнитных полях сверхпроводимость разрушается.

Много лет это обстоятельство было препятствием на пути к использованию сверхпроводников для получения сильных магнитных полей. Но в последние годы удалось создать металлические сплавы, сверхпроводимость которых не разрушается даже в очень сильных магнитных полях. Эти сплавы теперь практически с успехом используются во многих лабораториях в качестве сверхпроводящего материала для магнитных катушек, однако при этом требуется наличие жидкого гелия. Правда, сейчас удалось создать сверхпроводники с температурой превращения, уже близкой к температуре жидкого водорода (20,4°К). Если этот температурный рубеж будет преодолен, то сверхпроводники найдут себе еще более широкое применение, так как чем выше температура превращения, тем доступнее достижение сверхпроводящего состояния.

Наконец, совсем недавно появились идеи о том, что сверхпроводимость может быть не только исключительным свойством металлов и не обязательно должна быть приурочена к области низких температур.

В заключение укажем еще, что в последние годы сверхпроводящие пленки начали применяться в качестве элементов памяти в счетно-решающих устройствах.


Комментарии запрещены.





Статистика

Рейтинг@Mail.ru