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
Зеркало души: как понять все о человеке, посмотрев ему в глаза Зеркало души: как понять все о человеке, посмотрев ему в глаза

Форма, разрез и цвет глаз служат четким отражением характера своего обладателя

Cosmopolitan
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
Меланома: 11 важных вопросов Меланома: 11 важных вопросов

Меланома: что вам нужно знать о рисках и защите

Домашний Очаг
Спорт против улицы Спорт против улицы

Как «подсадить» ребенка на спорт

Русский репортер
«Добрый» диктатор «Добрый» диктатор

Хрущёв искренне пытался улучшить жизнь народа. Но получилось... как всегда?

Дилетант
Великая пустота Великая пустота

Самые большие объекты во вселенной заполнены ничем

Популярная механика
«Я была живым трупом»: Елена Бережная о насилии партнера и романе с Сихарулидзе «Я была живым трупом»: Елена Бережная о насилии партнера и романе с Сихарулидзе

Елена Бережная едва не лишилась жизни по вине партнера Олега Шляхова

Cosmopolitan
Кто такой социопат, и есть ли признаки социопатии у тебя? Кто такой социопат, и есть ли признаки социопатии у тебя?

В последнее время называть себя социопатом стало модно

Cosmopolitan
Что делать, если потерял смысл жизни: главные способы преодолеть апатию Что делать, если потерял смысл жизни: главные способы преодолеть апатию

Как вырваться из омута отчаяния

Playboy
Домашняя магия Домашняя магия

7 способов сделать из маленькой квартиры большую

Лиза
Плюсы и минусы поддержки IT отрасли Плюсы и минусы поддержки IT отрасли

Правительство РФ утвердило беспрецедентные меры для поддержки IT-сферы

СНОБ
6 простых способов улучшить твой финиш (так будет гораздо приятнее) 6 простых способов улучшить твой финиш (так будет гораздо приятнее)

Выведи ощущения на новый уровень.

Playboy
Настоящая «Лолита» — совратитель притворялся ее отцом и жил с ней 2 года Настоящая «Лолита» — совратитель притворялся ее отцом и жил с ней 2 года

Что же делал пятидесятилетний Ласалле с одиннадцатилетней Салли?

Cosmopolitan
Русские писатели на сцене домашних театров Русские писатели на сцене домашних театров

Вспоминаем, кто из русских классиков блистал на подмостках домашних театров

Культура.РФ
Правда ли, что ругань уменьшает боль: неожиданная польза мата Правда ли, что ругань уменьшает боль: неожиданная польза мата

Почему крепкое словцо иногда может быть лучше таблетки ибупрофена

Популярная механика
В России впервые вырастили монокристаллический слиток оксида галлия В России впервые вырастили монокристаллический слиток оксида галлия

Ученые получили полупроводник, который можно использовать в силовой электронике

Популярная механика
Народные автомобили: машины, пересадившие на колеса целые страны Народные автомобили: машины, пересадившие на колеса целые страны

Кэйдзидося, чинквеченто, дешво и ни одного фольксвагена!

Maxim
Особенные: 10 необычных аномалий человеческого тела Особенные: 10 необычных аномалий человеческого тела

Генетика — штука строгая, но иногда позволяет себе расслабиться

Популярная механика
Основатель WordPress объяснил, почему нельзя платить удаленщикам меньше в зависимости от места проживания Основатель WordPress объяснил, почему нельзя платить удаленщикам меньше в зависимости от места проживания

Основателя компании Automattic иногда называют «евангелистом удалённой работы»

Inc.
Редкие птицы Великобритании не захотели жить рядом с дорогами Редкие птицы Великобритании не захотели жить рядом с дорогами

Редкие, мелкие и мигрирующие виды предпочли избегать шумных трасс

N+1
Злые снаружи, добрые внутри: сериальные плохиши, в которых мы влюблялись по уши Злые снаружи, добрые внутри: сериальные плохиши, в которых мы влюблялись по уши

Главные сериальные плохиши, в которых в свое время вкрашивались все девчонки

Cosmopolitan
Лучшие документальные сериалы о спорте Лучшие документальные сериалы о спорте

Если вы хотите погрузиться в реальные спортивные истории, советуем эти сериалы

GQ
Чего я не знал, начиная бизнес: Марк Саневич, BestDoctor Чего я не знал, начиная бизнес: Марк Саневич, BestDoctor

Марк Саневич должен был лечить людей, а стал предпринимателем

Inc.
Личная жизнь участниц Comedy Woman: с кем встречаются Варнава, Сысоева и другие Личная жизнь участниц Comedy Woman: с кем встречаются Варнава, Сысоева и другие

Что происходит в личной жизни у звезд юмористического шоу Comedy Woman?

Cosmopolitan
Арабская экспансия в космос: зачем ОАЭ отправляют зонд к Марсу Арабская экспансия в космос: зачем ОАЭ отправляют зонд к Марсу

В ночь на 15 июля стартует первый марсианский зонд, созданный ОАЭ

Forbes
10 уроков стиля от Одри Хепберн: каким правилам следовала икона стиля XX века 10 уроков стиля от Одри Хепберн: каким правилам следовала икона стиля XX века

О красоте прекрасной Одри Хепберн можно говорить часами

Cosmopolitan
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
Освещение мегаполисов почти лишило голубей сна Освещение мегаполисов почти лишило голубей сна

Искусственное освещение в городах значительно нарушило структуру сна у голубей

Популярная механика
Мал, да удал: 7 малоизвестных фактов о Ватикане Мал, да удал: 7 малоизвестных фактов о Ватикане

Семь занятных фактов о карликовом государстве Ватикан

Популярная механика
Открыть в приложении