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
Перерождение Венеры Перерождение Венеры

Как оставаться молодой и здоровой до ста лет можно узнать по ДНК-тесту

Vogue
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
The Beatles сыграли важную роль The Beatles сыграли важную роль

За последние два десятилетия Дэнни Бойл вошел в историю кинематографа

Playboy
Другое измерение Другое измерение

Чем Пабло Пикассо оскорбил друзей и коллег на картине «Авиньонские девицы»

Вокруг света
В Ленобласти найдены шведские редуты времен Северной войны В Ленобласти найдены шведские редуты времен Северной войны

Результаты раскопок на месте, где произошло одно из сражений Северной войны

Популярная механика
Сколько можно спать? Сколько можно спать?

Еще несколько сотен лет назад европейцы спали дважды за сутки

Популярная механика
Смокер, швенкер и парилья Смокер, швенкер и парилья

Культура барбекю в России набирает обороты

Bones
В тени «гонконгского Супермена»: подруга миллиардера Ли Кашина инвестирует в ИТ от его имени и зарабатывает миллиарды В тени «гонконгского Супермена»: подруга миллиардера Ли Кашина инвестирует в ИТ от его имени и зарабатывает миллиарды

Благодаря Солине Чау на ранних стадиях инвестиции получили Facebook, Zoom, Slack

VC.RU
Вкус странствий Вкус странствий

О таинстве превращения кабачка в кугель

Огонёк
Создатели MSQRD рассказали об уходе из Facebook и новом проекте Loóna, в который уже инвестировала Наталья Водянова Создатели MSQRD рассказали об уходе из Facebook и новом проекте Loóna, в который уже инвестировала Наталья Водянова

Интервью с создателями приложения, которое помогает уснуть

VC.RU
Азбука Бейонсе: от R'n'B и песен о модных марках до матриарха музыки XXI века Азбука Бейонсе: от R'n'B и песен о модных марках до матриарха музыки XXI века

Один из главных культурных феноменов двадцать первого века

Esquire
Масштаб, брутализм и Faradenza: за что и сегодня ценят архитектуру российских курортов Масштаб, брутализм и Faradenza: за что и сегодня ценят архитектуру российских курортов

Чем примечательна архитектура пяти старых российских здравниц

Forbes
13 странных вещей, которые любят женщины 13 странных вещей, которые любят женщины

Этот материал поможет тебе немного лучше понять женщин

Maxim
Американские старики напиваются и прощаются с любимым баром в фильме Bloody Nose, Empty Pockets Американские старики напиваются и прощаются с любимым баром в фильме Bloody Nose, Empty Pockets

Документалка, которая могла стать хорошей метафорой нашей жизни

GQ
Объяснение на пальцах: что означают самые известные жесты в разных странах мира Объяснение на пальцах: что означают самые известные жесты в разных странах мира

Как один и тот же жест в разных странах мира может совершенно разное

Esquire
«Говорят, я копирую Стива Джобса во всём»: история создателя китайских смартфонов Smartisan Ло Юнхао «Говорят, я копирую Стива Джобса во всём»: история создателя китайских смартфонов Smartisan Ло Юнхао

Ло Юнхао не раз сравнивал свою компанию с Apple

VC.RU
Пройти по головам Пройти по головам

Британский шляпник Стивен Джонс предрекает нам ренессанс модных головных уборов

Vogue
В Казань на выходные В Казань на выходные

Прогулочно-гастрономический маршрут по столице Татарстана и окрестностям

СНОБ
Почему мужчины теряют к нам интерес: 5 признаний Почему мужчины теряют к нам интерес: 5 признаний

Он стал холоден, реже пишет и не звонит?

Psychologies
Игры нашего двора Игры нашего двора

Не знаешь, чем занять ребенка летом?

Лиза
«Точку невозврата мы пройдем в ближайшие три года» «Точку невозврата мы пройдем в ближайшие три года»

Электроавтомобили сформируют будущее мобильности

Эксперт

Насколько мезотерапия дома безопасна? И можно ли делать ботокс дома?

Cosmopolitan
Не вся изолента одинакова: разбираемся в тонкостях Не вся изолента одинакова: разбираемся в тонкостях

Вы знали, что есть несколько разновидностей изоленты?

CHIP
Как работает эффект иллюзии правды Как работает эффект иллюзии правды

Отрывок из книги «Анатомия заблуждений, или Большая книга критического мышления»

СНОБ
О чем говорят стены, куда приведет разметка: как будут выглядеть общественные пространства после пандемии О чем говорят стены, куда приведет разметка: как будут выглядеть общественные пространства после пандемии

Как будут выглядеть общественные пространства, когда пандемия закончится?

Forbes
Не просто парень с косичкой: кто такой Niletto и почему о нем все говорят Не просто парень с косичкой: кто такой Niletto и почему о нем все говорят

Как Niletto достиг таких высот? Где научился петь? Да и кто он вообще такой?

Cosmopolitan
Правила жизни Робина Уильямса Правила жизни Робина Уильямса

Правила жизни американского актера и стендап-комика Робина Уильямса

Esquire
Душное лето 1936 года Душное лето 1936 года

Как советская система перемалывала своих создателей

Огонёк
Последняя из «Унесенных ветром». Вспоминаем Оливию де Хэвилленд Последняя из «Унесенных ветром». Вспоминаем Оливию де Хэвилленд

За что Оливию де Хэвилленд чтили в Голливуде и почему называли легендой

РБК
Открыть в приложении