Постоянные магниты и незатухающие токи

Взаимное влияние электронов
Газ, состоящий из атомов углерода, представляет собой хаотическую систему. Атомы движутся во всех направлениях, а внешние электроны кружат вокруг ядер своих атомов. Когда газ углерод затвердевает, превращаясь в алмаз, полный хаос заменяется идеальным порядком. Атомы теперь колеблются относительно средних положений почти с такой же скоростью, как в газе, а четыре внешних электрона каждого атома ведут себя в целом по-другому. Вместо того чтобы вращаться вокруг одного ядра атома, как в газе, они теперь кружат вокруг всех ядер атомов по множеству идеально согласованных орбит.

Синхронизация движения электронов по своим орбитам наступает, как только температура оказывается достаточно низкой, чтобы колебания атомов этому не препятствовали. Повышение температуры увеличивает кинетическую энергию колебаний, и при достаточно высокой температуре она может расстроить согласованные орбиты электронов и удалить атом с поверхности. Этот процесс известен как испарение, или возгонка, атомов кристалла.

Плавление и кипение вещества — два самых известных примера того, как интенсивное движение колеблющихся атомов расстраивает согласование орбит электронов.

Два менее распространенных примера согласования орбит электронов — это
1) возможность постоянного намагничивания железа и некоторых других металлов и
2) явление, называемое сверхпроводимостью — способность некоторых металлов при достаточном охлаждении проводить электрический ток, не оказывая ему сопротивления.

Электрон, кроме того, что он несет электрический заряд, обладает еще магнитными свойствами. Каждый электрон ведет себя, подобно маленькому стержневому магниту, имеющему северный и южный полюса. Такой магнитик стремится установиться вдоль силовых линий любого магнитного поля. Заполненная оболочка из восьми электронов состоит из четырех пар электронов; в каждой паре магнитные поля электронов взаимно уничтожаются.

Если же число электронов в оболочке нечетное, то не все маленькие магнитики уравновешивают действия друг друга, и атом обнаруживает магнитные свойства.

Атомы железа ведут себя примерно так же, хотя у них и четное число электронов. У атома железа в кристаллах металлического железа электронная оболочка оказывается незаполненной. В ней есть несколько непарных электронов, которые в своем беспрерывном вращении по орбитам влияют на электроны соседних атомов. Во-первых, в области, где электронные орбиты двух атомов перекрываются, электроны отталкивают друг друга, будучи одноименно заряженными. Во-вторых, они слегка отталкивают или притягивают друг друга в зависимости от того, параллельны их магнитики или антипараллельны. В третьих (и это всегда является очень важным фактором влияния электронов друг на друга), поведение электронов должно быть различным. Принцип Паули утверждает, что электроны должны избегать находиться одновременно в одном и том же месте (ничем не отличаясь друг от друга). В области между атомами, где орбиты перекрываются, электроны, по одному от каждого атома, могут даже поменяться орбитами и начать вращаться вокруг другого атома. Эта способность меняться орбитами и требование отличаться друг от друга заставляют электроны одного атома согласовывать свои характеристики с электронами соседних атомов. В железе в результате такого согласования микроскопические магнитики непарных электронов устанавливаются параллельно друг другу. Это явление называется ферромагнетизмом. Взаимное влияние электронов соседних атомов позволяет железу становиться постоянным магнитом.

В других кристаллах электроны могут найти более легкий способ (с затратой меньшей энергии) влиять друг на друга. Например, в окиси железа FeO атомы железа, чередуясь, ориентируются через один в одном направлении, а промежуточные атомы — в противоположном. В этом случае говорят об антиферромагнетизме. Окись железа в действительности обладает магнитными свойствами, хотя никакого внешнего магнитного поля обнаружить не удается. Весь магнетизм компенсируется в пределах кристалла.

Если железо или окись железа (или другое вещество, являющееся постоянным магнитом в силу взаимного влияния электронов) нагревать, то колебания атомов усиливаются. Когда они становятся достаточно интенсивными, перекрытие электронных орбит меняется при каждом колебании. Согласование электронных орбит соседних атомов становится менее эффективным, пока в конце концов при достаточно высокой температуре не нарушается вовсе и магнетизм не исчезает. Электронные магнитики соседних атомов не ориентируются больше в одном направлении, а оказываются беспорядочно разбросанными. В железе это происходит при температуре 770° К. Согласование электронных орбит нарушается в результате очень сильных колебательных движений атомов. В FeO согласование орбит электронов не может иметь места при температуре выше 198° К (-75° С). Температура, при которой прекращается согласованное движение электронов, является мерой устойчивости этого вида коллективной «деятельности» электронов.

Среди всевозможных случаев движения электронов в металле особенно важное место занимает явление сверхпроводимости металлов при низких температурах.

Познакомимся с основными экспериментальными фактами, относящимися к этому кругу явлений, и коснемся полувековой истории исследований сверхпроводимости, ознаменовавшейся в последние годы особенно крупными успехами. Весьма примечательно, что явление сверхпроводимости, относившееся еще недавно к разряду трудно исследуемых и считавшееся под силу лишь нескольким богатейшим по своему научному оборудованию институтам, теперь нашло практическое применение в различных областях физики.

Электрические свойства всех проводников характеризуются значением их сопротивления R. Закон Ома гласит, что сила тока / в металлическом проводнике подчиняется соотношению I = U/R, где U — падение напряжения на концах проводника.

Вместо сопротивления R для характеристики проводника иногда удобно ввести его проводимость р = 1/7. Проводимость и сопротивление — величины обратно пропорциональные друг другу: большому сопротивлению соответствует малая проводимость и малому сопротивлению — большая проводимость. Таким образом, термин сверхпроводимость эквивалентен утверждению, что сопротивление проводника стремится к нулю. Пользуясь вместо сопротивления проводимостью, мы можем записать закон Ома таким образом: I=pU.

Рассмотрим теперь, как измерить проводимость или сопротивление проволочной катушки Ки Для этого проще всего воспользоваться электрической схемой. Измерив вольтметром V величину падения напряжения U на нашей катушке Ki и измерив амперметром А силу тока в электрической цепи, мы можем с помощью закона Ома найти проводимость р катушки Kt. Включенная в схему катушка Кг служит лишь для общей регулировки силы тока в электрической цепи и в измерениях не участвует.

К концу XIX и началу XX века сопротивления различных металлов были довольно точно измерены и была изучена их зависимость от различных факто-ров, в частности от температуры.

Для изучения зависимости сопротивления катушки Ку от температуры эту катушку поочередно помещали в термостаты, имеющие различные температуры, или изменяли температуру прибора, в котором находится катушка

Результаты этих опытов показали, что сопротивление металлов возрастает при повышении температуры и уменьшается при ее понижении. Схематично зависимость сопротивления от температуры можно представить графиком.

Однако к указанному выше моменту времени изучение зависимости электрического сопротивления металлов от температуры еще не продвинулось в область температур, близких к абсолютному нулю, или, другими словами, к температуре 0° по шкале Кельвина . Дело в том, что получение низких температур представляет само по себе очень трудную физическую и техническую задачу. Основной метод получения низких температур — это сжижение газов и использование низкой температуры их кипения. Кипящий жидкий газ быстро испаряется, но его температура не повышается даже при наличии мощного и неизбежного притока тепла из окружающего воздуха. Дело обстоит точно так же, как и при кипении воды. Температура кипящей воды не может повыситься, как бы ни был велик поток подводимого к ней тепла.

В 1898 году удалось впервые получить жидкий водород, кипящий (при атмосферном давлении) при температуре 20,4° К. Изучение температурной зависимости электрических сопротивлений вплоть до этого значения температуры ничего нового не принесло: сопротивления металлов продолжали равномерно убывать по мере их охлаждения. Но в некоторых случаях сопротивление металлов оставалось неизменным, достигнув некоторого постоянного остаточного значения при различных критических температурах охлаждения.

Очень крупный шаг в направлении получения низких температур был сделан в 1908 г. голландским физиком Каммерлинг-Оннесом. 15 июля 1908 года Кам-мерлинг-Оннесу удалось впервые получить в жидком виде гелий. Оказалось, что температура кипения гелия (при атмосферном давлении) составляет всего только 4,2° К. Эта температура почти в 5 раз ниже температуры кипения водорода и почти в 75 раз ниже комнатной.

Каммерлинг-Оннес стал применять полученный им жидкий гелий для изучения различных свойств вещества при вновь достигнутых низких температурах.

Одной из первых поставленных им задач было продолжение исследования зависимости от температуры сопротивления металлов. В 1911 году работы Каммерлинг-Оннеса ознаменовались крупнейшим научным открытием-обнаружением явления сверхпроводимости. Опыты, приведшие к этому открытию, можно схематически представить себе таким образом. Катушка Кі опускается в сосуд, в который предварительно наливается жидкий гелий. Стеклянные сосуды для хранения жидких газов имеют особое устройство. Для лучшей теплоизоляции жидкого газа от потока тепла из комнаты воздух из пространства между двойными стенками сосуда откачен, а сами стенки сосуда посеребрены. Последнее сделано для того, чтобы не допускать потока тепла в виде теплового излучения из внешнего пространства внутрь жидкого газа, налитого в сосуд.

Жидкий воздух и даже жидкий водород могут непосредственно сохраняться в таких сосудах. Но жидкий гелий требует, кроме того, чтобы снаружи сосуда был внешний защитный слой жидкого воздуха или водорода. Для упрощения дана без второго защитного сосуда с жидким воздухом.

Провода от катушки Kt были присоединены к электрической схеме.
Опыты показали, что при постепенном приближении сверху катушки к поверхности жидкого гелия, т.е. при постепенном ее охлаждении, сопротивление катушки уменьшалось.

Однако результаты опытов можно было четко разделить на две группы. У целого ряда металлов (Аu, Pt и т. д.) по мере их охлаждения сопротивление сначала постепенно понижается, а затем стремится к постоянному остаточному значению, как об этом уже было сказано выше. Но зато для целого ряда метал-лов (первым из которых была ртуть) оказалось, что при некотором характерном для каждого металла значении температуры сопротивление катушки падало до нуля и, следовательно, ее проводимость неограниченно возрастала.

Об этом можно было заключить из того факта, что электрическая схема продолжала находиться под током, а падение напряжения на исследуемой катушке Ki обращалось в нуль. Это могло означать только то, что, проходя по проводу катушки Сі, электрический ток не встречал никакого сопротивления.


Оставить комментарий





Статистика

Рейтинг@Mail.ru