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
Юбки, украшения и собственный мерч: что носит Джейден Смит — сын Уилла Смита, музыкант и модник Юбки, украшения и собственный мерч: что носит Джейден Смит — сын Уилла Смита, музыкант и модник

Ключевые составляющие яркого стиля Джейдена Смита

Esquire
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
Как правдоподобно симулировать любые эмоции Как правдоподобно симулировать любые эмоции

Чтобы ложь не вызывала угрызений совести, притворись, что вранье — это искусство

Maxim
Кто починит ДНК — перевернет мир Кто починит ДНК — перевернет мир

Генетики уже несколько лет умеют редактировать поломки в ДНК

Наука
Если в детстве ваши чувства игнорировали: восстанавливаем контакт с собой Если в детстве ваши чувства игнорировали: восстанавливаем контакт с собой

Игнорирование детских переживаний приводит к серьезным психологическим травмам

Psychologies
100 самых сексуальных женщин страны: 52-1 100 самых сексуальных женщин страны: 52-1

Итоговый рейтинг «100 самых сексуальных женщин страны – 2019»

Maxim
Пример для подражания: Вера Полозкова Пример для подражания: Вера Полозкова

Вера Полозкова – о страхе перед публикой и писательском ремесле

Cosmopolitan
7 шагов от «ненавижу» к «люблю» 7 шагов от «ненавижу» к «люблю»

Часто любовь и ненависть — стороны одной медали

Psychologies
The New Republic (США): что мы называем депрессией? The New Republic (США): что мы называем депрессией?

Как получилось, что теперь все стали страдать депрессией?

ИноСМИ
«Я вышла из зоны комфорта и очень собой горжусь» «Я вышла из зоны комфорта и очень собой горжусь»

Анна Плетнёва о красоте, гармонии с собой и новом альбоме

OK!
5 укусов насекомых, которые нельзя игнорировать (могут возникнуть осложнения) 5 укусов насекомых, которые нельзя игнорировать (могут возникнуть осложнения)

Будь начеку с этими насекомыми!

Playboy
Знатный гений Гугений Знатный гений Гугений

Гюйгенс принадлежал к тем людям, которые успевают и в теории, и в практике

Наука и жизнь
Чем запить лекарство Чем запить лекарство

Ты привыкла запивать таблетки первым, что попадется под руку? Это ошибка

Лиза
Зачем миллиардеру Андрею Филатову конный Рузвельт и сидящий Баранов Зачем миллиардеру Андрею Филатову конный Рузвельт и сидящий Баранов

Зачем основателю фонда Art Russe Андрею Филатову памятники?

Forbes
Главное – сломать систему! Главное – сломать систему!

Интервью участников коллектива P22 Ивана Далматова и Ивана Привалова

Playboy
Растерянность истории Растерянность истории

Игорь Гулин о том, как смотреть на застой

Weekend
Сахарных сумчатых летяг разделили на три вида Сахарных сумчатых летяг разделили на три вида

Чем отличаются друг от друга эти маленькие зверьки из Австралии?

N+1
Оптомеханическая система уменьшила квантовый шум при комнатной температуре Оптомеханическая система уменьшила квантовый шум при комнатной температуре

Устройство, которое способно подавлять до 15 процентов квантового шума

N+1
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
«Оттепель: События. Март 1953 — август 1968 года» «Оттепель: События. Март 1953 — август 1968 года»

Отрывок из книги Сергея Чупринина, посвященный событиям октября 1962 года

N+1
«Кусачее» солнышко «Кусачее» солнышко

У маленьких аллергиков летом часто возникает фотодерматоз

Лиза
Джоконда для зумеров: мировые музеи жаждут молодой крови Джоконда для зумеров: мировые музеи жаждут молодой крови

Как заинтересовать искусством самых молодых?

Forbes
Возвращение «пилы Чурова»: о чем свидетельствуют нарушения при голосовании о поправках в Конституцию Возвращение «пилы Чурова»: о чем свидетельствуют нарушения при голосовании о поправках в Конституцию

Насколько честно проходила компания по изменению Конституции России

Forbes
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
Лучшие приключенческие фильмы всех времен Лучшие приключенческие фильмы всех времен

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

Esquire
25 коротких советов для всех закоулков квартиры 25 коротких советов для всех закоулков квартиры

Вся вековая мудрость в двух-трех предложениях

Maxim
Тимур Бекмамбетов: «Тарковский бы, наверное, ругался и топал ногами» Тимур Бекмамбетов: «Тарковский бы, наверное, ругался и топал ногами»

Родоначальник жанра скринлайф рассказал о новом сериале «Взаперти»

GQ
Как я делал Как я делал

Повар Рома Редман о том, как открывал свой канал на YouTube

Bones
Девушка, вы выходите? Девушка, вы выходите?

Как проходят онлайн-курсы «Как выйти замуж за иностранца»

Cosmopolitan
Открыть в приложении