Многие слышали термин "сверхпроводимость", но не могут объяснить, что это такое

Популярная механикаНаука

Без всякого сопротивления: что такое сверхпроводимость

Многие слышали термин "сверхпроводимость", но немногие могут объяснить, что это такое. Рассказываем!

Алексей Левин

Физиков конца XIX века очень интересовало, как ведет себя электропроводность металлов при сверхнизких температурах. На этот счет существовали разные теории, но применимость их вблизи абсолютного нуля выглядела сомнительной. В декабре 1910 года Камерлинг-Оннес вместе с Корнелисом Дорсманом и Гиллесом Холстом приступили к экспериментам. Первым делом они измерили температурную зависимость сопротивления платиновой проволоки, охлажденной жидким гелием. Оказалось, что оно понижается вместе с температурой, но ниже 4,25 К становится постоянным. Камерлинг-Оннес считал, что химически чистый металл вблизи абсолютного нуля обязан свободно пропускать ток, и объяснял остаточное сопротивление влиянием примесей. В дальнейшем он решил воспользоваться ртутью, которую можно очистить многократной перегонкой в вакууме. Жидкую ртуть при комнатной температуре заливали в тонкие капилляры и охлаждали их в гелиевом криостате, после чего измеряли ее сопротивление. В знаменательный день 8 апреля 1911 года Камерлинг-Оннес всего лишь убедился, что при охлаждении от 4,3 до 3 К сопротивление ртути падает практически до нуля. В повторном эксперименте 11 мая он обнаружил, что ртуть теряет сопротивление при охлаждении до 4,2 К (на самом деле его температурная шкала была не совсем корректна, в действительности чистая ртуть становится сверхпроводником при 4,15 К).

ac1b11c95baacf81dd696824ccc9394b.jpg
Проводник. Так ведет себя нормальный проводник (N) при включении магнитного поля.

Камерлинг-Оннес понял, что скачкообразное исчезновение электрического сопротивления ртути (или, как минимум, его падение до не поддающихся измерению значений) не имеет теоретического объяснения. Он пришел к выводу, что ртуть перешла в новое состояние, которое он назвал сверхпроводящим (температуру такого перехода сейчас называют критической, Tc).

Позднее под руководством Камерлинг-Оннеса в Лейдене были обнаружены еще четыре сверхпроводника - олово и свинец (1912), таллий (1919) и индий (1923). Но самые интересные открытия его лаборатории состояли не в этом. Еще осенью 1911 года было замечено, что сверхпроводимость ртути разрушается при увеличении плотности тока выше определенного предела, который растет по мере снижения температуры. Дальнейшие эксперименты показали, что при сворачивании сверхпроводящего провода в спираль этот порог снижается в несколько раз. Катушки из оловянной и свинцовой проволоки, сделанные для этих опытов, стали первыми в мире сверхпроводящими магнитами.

c8e60bd04f358d8073432ab621bb9a25.jpg
Идеальный проводник должен взаимодействовать с магнитным полем по‑разному, в зависимости от способа перевода из нормального в «идеальное» (IC) состояние.

Эти результаты позволяли предположить, что сверхпроводимость разрушается магнитным полем (которое при одинаковой силе тока внутри соленоида куда сильнее, нежели в линейном проводнике). Как ни странно, Камерлинг-Оннес не подумал об этой возможности, объясняя исчезновение сверхпроводимости плохим охлаждением катушек. Однако его весьма интересовало влияние внешнего магнитного поля на поведение сверхпроводника. Начав эти исследования в 1914 году, он вскоре убедился, что поле напряженностью всего в несколько сотен эрстед приводит к таким же последствиям, как и нагревание, то есть ликвидирует сверхпроводимость. Хотя Камерлинг-Оннес однозначно сформулировал этот вывод и показал, что пороговое значение магнитного поля (в современной терминологии критическое поле Hc) возрастает с уменьшением температуры подобно пороговому значению плотности тока, он не усмотрел связи между этими явлениями. И только в 1916 году американский физик Фрэнсис Бригг Сильсби высказал гипотезу, что в обоих случаях сверхпроводимость разрушается магнитным полем независимо от его источника.

В 1914 году Камерлинг-Оннес по-новому продемонстрировал возникновение сверхпроводящего тока. При комнатной температуре катушку из свинцовой проволоки охладили в магнитном поле приблизительно до 2 К, после чего отключили поле, создаваемое электромагнитом. В катушке возник индукционный ток, который удерживал своим магнитным полем подвешенную над катушкой намагниченную иглу. Согласно наблюдениям, за те полтора часа, в течение которых катушку держали в криостате, сила тока практически не уменьшилась. Не будь она сверхпроводящей, ток, разумеется, затух бы за ничтожные доли секунды.

1ea6f5db4d86eb357ff8f162a3ff0350.jpg
Сверхпроводник полностью выталкивает магнитный поток независимо от последовательности перевода в сверхпроводящее состояние (S).

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018» Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
«Мы не хотим конкурировать с “Роскосмосом”» «Мы не хотим конкурировать с “Роскосмосом”»

В SpaceNet делают новые шаги для становления частной космонавтики в России

Эксперт
Развод и девичья фамилия! Развод и девичья фамилия!

Чем каталонцам не угодила Испания?

Вокруг света
Любовные сигналы: что язык тела расскажет об отношениях? Любовные сигналы: что язык тела расскажет об отношениях?

О чем нам сообщают телесные послания

Psychologies
Чернобыльское досье КГБ Чернобыльское досье КГБ

Украинская власть за последние годы рассекретила огромный массив документов КГБ

Дилетант
Вред от сокращения площади австралийских морских лугов приравняли к выбросам пяти миллионов автомобилей Вред от сокращения площади австралийских морских лугов приравняли к выбросам пяти миллионов автомобилей

Исчезновение морских лугов в Австралии привело к выбросам углекислого газа

N+1
5 выдающихся романов о виртуальной реальности 5 выдающихся романов о виртуальной реальности

Пять выдающихся романов о виртуальной реальности, которые стоит почитать

Популярная механика
Никто не знает, что в коробке: как игрушки по $8 помогли 33-летнему китайцу стать миллиардером Никто не знает, что в коробке: как игрушки по $8 помогли 33-летнему китайцу стать миллиардером

Основатель Pop Mart Ван Нин собирается покорять зарубежные рынки

Forbes
Самострой: 7 фантастических архитекторов животного мира Самострой: 7 фантастических архитекторов животного мира

Животные хоть и не заканчивают вузов, но от природы удивительные инженеры

Популярная механика
Играют все! Играют все!

Время устроить семейный турнир по настольным играм. Выбирай на свой вкус

Лиза
Робот-лаборант поможет ученым выращивать нейроны Робот-лаборант поможет ученым выращивать нейроны

Робот, который позволит контролировать рост нейронов из стволовых клеток

Популярная механика
Монофелиты: сколько у Христа воль Монофелиты: сколько у Христа воль

Что такое монофелитство?

Weekend
Жители Ненецкого округа добились своего, проголосовав против Конституции Жители Ненецкого округа добились своего, проголосовав против Конституции

Почему Ненецкий автономный округ проголосовал против изменения Конституции

Forbes
Риз Уизерспун. Блондинка вне закона Риз Уизерспун. Блондинка вне закона

Возможно, в сутках Риз Уизерспун не менее тридцати шести часов

Караван историй
Звуковой ретрит. Как тишина становится роскошью Звуковой ретрит. Как тишина становится роскошью

Две минуты тишины расслабляют лучше, чем успокаивающая музыка

Reminder
Кисти для макияжа: какие нужны, виды, уход и как правильно выбрать? Кисти для макияжа: какие нужны, виды, уход и как правильно выбрать?

Всё о кистях для макияжа

Cosmopolitan
В чем секрет сверхвыносливости верблюдов В чем секрет сверхвыносливости верблюдов

Что есть у верблюдов, чего не хватает людям и многим другим животным?

СНОБ
Кто сказал, что у мужчин нет домашних обязанностей? Кто сказал, что у мужчин нет домашних обязанностей?

Как справедливо разделить домашние обязанности?

GQ
Лучшие приключенческие фильмы всех времен Лучшие приключенческие фильмы всех времен

15 способов оказаться в затерянном храме, фантазийном Средиземье или где-то еще

Esquire
Холодная сварка: действительно ли это работает? Холодная сварка: действительно ли это работает?

Говорят, что холодная сварка соединяет любой материал. Действительно ли это так?

CHIP
Крокодил и Клеопатра: карикатура на бронзовой монете Крокодил и Клеопатра: карикатура на бронзовой монете

Монеты с изображением первого императора и крокодила

National Geographic
Тауэр Тауэр

Тюрьма для высокородных дам и господ, включая и особ королевской крови

Дилетант
«Все они нам говорят: «Никогда снова» «Все они нам говорят: «Никогда снова»

Полина Барскова многие годы занимается литературой блокадного Ленинграда

Полка
Российские разработчики испытали беспилотный циклолет Российские разработчики испытали беспилотный циклолет

Проведены испытания беспилотного летательного аппарата

N+1
Какими будут антибиотики будущего: новое исследование Какими будут антибиотики будущего: новое исследование

Ученые исследовали взаимодействие природного антибиотика с его мишенью

Популярная механика
Огненное меню Огненное меню

Мексиканская кухня имеет древние корни и взрывной характер

Лиза
Посмотрите фильм «Грейхаунд» с Томом Хэнксом в главной роли (он же написал сценарий к картине) Посмотрите фильм «Грейхаунд» с Томом Хэнксом в главной роли (он же написал сценарий к картине)

Это не гениальный шедевр мирового кинематографа, но весьма хорошее кино

GQ
Кто стоит за Джессикой Рэббит: судьбы женщин, которые создали культовый образ Кто стоит за Джессикой Рэббит: судьбы женщин, которые создали культовый образ

Джессика — единственный вымышленный персонаж, появившийся на обложке Playboy

Cosmopolitan
Правила жизни Сильвестра Сталлоне Правила жизни Сильвестра Сталлоне

Правила жизни кумира молодежи 90-х Сильвестра Сталлоне

Esquire
Переселение и прививки защитят кустарниковую сойку от лихорадки Западного Нила Переселение и прививки защитят кустарниковую сойку от лихорадки Западного Нила

Резервная популяция островной кустарниковой сойки снизит риск ее вымирания

N+1
Открыть в приложении