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
Выстрел через континент Выстрел через континент

Испытательный полигон «Кура»: записки очевидца

Популярная механика
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
Рядом нужен человек? Рядом нужен человек?

Выясняем, зачем нам в 2020 году отношения

Glamour
«Я пытаюсь делать все максимально искренне» «Я пытаюсь делать все максимально искренне»

Дельфин – о прелести студийной аппаратуры 1970-х и оперной музыки

Правила жизни
10 предметов гардероба, с размером которых мы часто ошибаемся 10 предметов гардероба, с размером которых мы часто ошибаемся

Каждая девушка хотя бы раз в жизни ошибалась с размером обновки

Cosmopolitan
Крошка Ро Крошка Ро

Блогер Марьяна Ро выбралась в реальный мир без одежды

Maxim
Славы много, денег мало: почему авторы видео в TikTok переходят на другие платформы Славы много, денег мало: почему авторы видео в TikTok переходят на другие платформы

У TikTok нет системы монетизации, бренды не понимают, как на ней продвигаться

VC.RU
Тайны Воронцовского дворца Тайны Воронцовского дворца

История Воронцовского дворца от графской семьи до государственной дачи

Караван историй
Оскандалились! Родственники королевских особ, которые опозорили монархов Оскандалились! Родственники королевских особ, которые опозорили монархов

Даже в королевских семьях встречаются «черные овцы»

Cosmopolitan
Кто из звезд не общается с родственниками: Мадонна, Анджелина Джоли и другие Кто из звезд не общается с родственниками: Мадонна, Анджелина Джоли и другие

Семейные неурядицы не обходят стороной и знаменитостей

Cosmopolitan
8 обязательных фильмов о самураях 8 обязательных фильмов о самураях

Про самураев снято немало картин, а некоторые — шедевры мирового кинематографа

Maxim
Джонни Депп и Эмбер Херд судятся в Лондоне. В чем они обвиняют друг друга Джонни Депп и Эмбер Херд судятся в Лондоне. В чем они обвиняют друг друга

Почему от судебных слушаний Джонни Деппа и Эмбер Херд невозможно оторваться

РБК
В нищете и в обиде В нищете и в обиде

7 звезд, которые, несмотря на непростое детство, смогли стать знаменитыми

Лиза
«Это как кошек пасти». Ведущий телепередачи «Разрушители легенд» Джейми Хайнеман о работе с творческими людьми «Это как кошек пасти». Ведущий телепередачи «Разрушители легенд» Джейми Хайнеман о работе с творческими людьми

Как работать с творческими людьми и почему нужно изучать то, что не нравится

Forbes
Психологическое насилие: спасать отношения или себя? Психологическое насилие: спасать отношения или себя?

Абьюз: кто виноват и что делать

Psychologies
Удачное преображение: как изменился Александр Ревва после пластики Удачное преображение: как изменился Александр Ревва после пластики

Александр Ревва смог превратиться из комика в брутального мужчину

Cosmopolitan
Неупорядоченный нанослой обеспечил сплаву со сверхрешеточной структурой ковкость и термостойкость Неупорядоченный нанослой обеспечил сплаву со сверхрешеточной структурой ковкость и термостойкость

Китайские ученые создали сплав со сверхрешеточной структурой

N+1
Русский дух Русский дух

Блюда русской кухни никогда не были образцами высокого искусства

Bones
Европейские перелетные птицы скорректировали сроки миграции из-за погоды Европейские перелетные птицы скорректировали сроки миграции из-за погоды

Сроки миграции птиц зависят от погодных условий в местах их отдыха

N+1
Эволюция женщины в кино: домохозяйка, милашка, карьеристка, супергероиня Эволюция женщины в кино: домохозяйка, милашка, карьеристка, супергероиня

Чего только не натерпелись главные героини за историю кино

Cosmopolitan
Почему женщины лгут о своей сексуальной жизни Почему женщины лгут о своей сексуальной жизни

Кто из нас не врал нежелательному собеседнику о наличии партнера

Psychologies
Что происходит с твоим телом, когда ты используешь темный режим смартфона: мнение экспертов Что происходит с твоим телом, когда ты используешь темный режим смартфона: мнение экспертов

Правда ли темный режим смартфона полезнее стандартного мода?

Playboy
Смерть: может ли момент нашей кончины быть эйфорией? (The Conversation, Австралия) Смерть: может ли момент нашей кончины быть эйфорией? (The Conversation, Австралия)

Приближение смерти запускает выработку эндорфинов?

ИноСМИ
Чистим кондиционер своими руками: практические советы Чистим кондиционер своими руками: практические советы

Чистка кондиционера - обязательная и не такая уж сложная процедура

CHIP
Благостный активизм Благостный активизм

Ксения Рождественская о фильме «Мисс Плохое поведение»

Weekend
10 типов мужчин, которые отпугивают девушек на первом свидании 10 типов мужчин, которые отпугивают девушек на первом свидании

Многие мужчины слепы и в упор не видят свои недостатки

Maxim
Лекарства с морского дна: зачем внук Капитана Кусто строит «подводную МКС» за $135 млн Лекарства с морского дна: зачем внук Капитана Кусто строит «подводную МКС» за $135 млн

Внук знаменитого океанографа Жака-Ива Кусто решил продолжить семейное дело

Forbes
Суперземли породнили с субнептунами Суперземли породнили с субнептунами

Суперземли и субнептуны могут принадлежать к одному семейству планет

N+1
Проклятые фильмы: 6 кинокартин, где актеров постигли несчастья Проклятые фильмы: 6 кинокартин, где актеров постигли несчастья

Фильмы, вокруг которых всё еще витает злой рок

Cosmopolitan
Открыть в приложении