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

Чернобыльское досье КГБ Чернобыльское досье КГБ

Украинская власть за последние годы рассекретила огромный массив документов КГБ

Дилетант
Едем на пикник Едем на пикник

Что делать, если нет дачи, уехать в отпуск невозможно, а отдохнуть хочется

Лиза
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
Рэпер, муж Ким, миллиардер: что мы знаем о Канье Уэсте и почему о нем говорят Рэпер, муж Ким, миллиардер: что мы знаем о Канье Уэсте и почему о нем говорят

Канье Уэст — неординарный человек, привыкший удивлять

Cosmopolitan
Станислав Лем о Чернобыле Станислав Лем о Чернобыле

О статье знаменитого писателя Станислава Лема «Урок катастрофы»

Дилетант
Издалека Издалека

Фантастическая повесть

Наука и жизнь
30 способов перезапустить свое тело 30 способов перезапустить свое тело

Полное руководство по тому, как выжать максимум из человеческого организма

kiozk originals
Брюс Дейсли: отключите внутреннего надсмотрщика, чтобы сделать работу менее ужасной Брюс Дейсли: отключите внутреннего надсмотрщика, чтобы сделать работу менее ужасной

Книга бывшего вице-президента Twitter о продуктивном спокойствии

Inc.
Уникальное свержение Уникальное свержение

Хрущёва предупреждали о заговоре, но он остался равнодушен к этим сигналам

Дилетант
Переходы состояний активности мозга связали с появлением новых мыслей Переходы состояний активности мозга связали с появлением новых мыслей

Нейробиологи посчитали, что в день у человека сменяется более шести тысяч мслей

N+1
Все, что ты должна знать о пилинге: 6 видов салонных процедур и в чем разница Все, что ты должна знать о пилинге: 6 видов салонных процедур и в чем разница

Что такое пилинги и с чем их едят

Cosmopolitan
Трагическая история Жанны Фриске: Трагическая история Жанны Фриске:

Какой была жизнь Жанны Фриске?

Cosmopolitan
Морским и пресноводным рыбам пообещали проблемы с размножением к концу века Морским и пресноводным рыбам пообещали проблемы с размножением к концу века

Около 60% рыб к 2100 году окажутся в неприемлемых для них температурных условиях

N+1
7 трюков в воспитании 7 трюков в воспитании

Эти простые способы помогут тебе стать идеальной мамой для своего ребенка

Лиза
Ученые проследили за бездействующими коровами Ученые проследили за бездействующими коровами

Бездействие — признак того, что животное скучает или находится в депрессии

N+1
Джонни Депп и Ванесса Паради: история любви Джонни Депп и Ванесса Паради: история любви

Отношения Джонни Деппа и Ванессы Паради — это красивая история любви

Cosmopolitan
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
Как ездить без штрафов: все об антирадарах, детекторах и приложениях Как ездить без штрафов: все об антирадарах, детекторах и приложениях

Можно ли обмануть радар и как оперативно узнавать о дорожных камерах?

РБК
Игры разума Игры разума

Как мирно существовать с родными под одной крышей?

AD
Там, где стены Там, где стены

Как соединить деревенский быт и традиции с гастрономическими экспериментами

Seasons of life
Брожение масс Брожение масс

Ферментация как серьезный химический процесс и научный эксперимент

Bones
Вызов времени: как искусственный интеллект помогает бороться с дискриминацией Вызов времени: как искусственный интеллект помогает бороться с дискриминацией

Что нужно сделать, чтобы ИИ дал женщинам новые карьерные перспективы

Forbes
Минус 80 за бортом: история антарктического вездехода «Харьковчанка» Минус 80 за бортом: история антарктического вездехода «Харьковчанка»

Задача антарктического вездехода — согреть любой ценой

Maxim
Парижский шик, кинообразы и идеальные джинсы: 5 вещей, за которые мода благодарна Шарлотте Генсбур Парижский шик, кинообразы и идеальные джинсы: 5 вещей, за которые мода благодарна Шарлотте Генсбур

Шарлотту Генсбур неспроста считают эталоном парижского стиля

Esquire
Звезды в открытых браках: Уилл Смит, Тильда Суинтон и другие полигамные актеры Звезды в открытых браках: Уилл Смит, Тильда Суинтон и другие полигамные актеры

Некоторые пары договариваются, что в их браке найдется место и другим партнерам

Cosmopolitan
#пронауку: что такое лукизм и как он влияет на оценку окружающих #пронауку: что такое лукизм и как он влияет на оценку окружающих

Почему некоторые автоматически судят о личности по физической красоте?

РБК
Пружинка слинки: игрушка, рожденная на войне Пружинка слинки: игрушка, рожденная на войне

Знаменитая игрушка пружинка слинки появилась в США в разгар Второй Мировой войны

Популярная механика
Любовь растений Любовь растений

Любовные отношения растений долгое время оставались для людей загадкой

Наука и жизнь
Найк Борзов — о карантине, новом альбоме и музыке как терапии Найк Борзов — о карантине, новом альбоме и музыке как терапии

Найк Борзов — о любви к Иерониму Босху и врачевании музыкой

РБК
«Внешне — эльф, внутри — несгибаемый воин»: как 18-летняя Алина Загитова заработала за год больше $1 млн «Внешне — эльф, внутри — несгибаемый воин»: как 18-летняя Алина Загитова заработала за год больше $1 млн

Как 18-летняя фигуристка Алина Загитова монетизирует свою популярность?

Forbes
Открыть в приложении