Навигация
40 Т, К
Онесс взял ртуть чрезвычайно высокой степени частоты, сопротивление которой при температуре 4,2К было очень малым, а при дальнейшем понижении температуры таким, что его вообще нельзя было определить приборами, имевшимися в лаборатории. Но оказалось, что сопротивление ртути при температурах около 4,2К уменьшалось не плавно, а скачком падало до неизмеримо малой величины. Выяснилось, что такое же внезапное исчезновение сопротивления испытывают еще два металла: олово и свинец.
Исследование сверхпроводимости продолжалось. сопротивление проводника в узком интервале температур падает до неизмеримо малого значения. Но возник вопрос: не падает ли сопротивление до нуля? Если сопротивление остается конечным, можно предположить, что налицо просто некий особый случай обычного проводника с удивительно малым сопротивлением. Если же оно падает до нуля - при температуре хотя и очень низкой, но все же отличающейся от абсолютного нуля, - то электропроводность, равная обратной величине сопротивления, становится бесконечно большой: именно такой смысл вложил Онесс в понятие сверхпроводимости.
Ответ на этот вопрос Онесс получил в 1914 году. Сопротивление, равное нулю означает, что электрический ток, однажды созданный в замкнутом проводнике, будет в нем циркулировать вечно, даже если проводник отсоединить от источника напряжения. Источник будет не нужен: электроны при движении в проводнике уже не рассеивают свою энергию в тепло и нет необходимости восполнять ее потери.
Онесс изготовил
маленький
соленоид - катушку
из свинцового
провода - и соединил
его с электрической
батареей с
помощью двух
ключей - внешнего
и внутреннего.
Катушку он
погрузил в
криостат с
жидким гелием.
Идущий по ней
ток создавал
магнитное поле,
которое существовало
и в пространстве
вне криостата.
Чтобы обнаружить
это поле, Онесс
взял маленький
постоянный
магнит, игравший
ту же роль, что
и компасная
стрелка.
В начале опыта внешний ключ был замкнут, а внутренний - разомкнут, и по катушке шел ток. Затем внутренний ключ замыкался, а внешний размыкался, так что теперь катушка была замкнута сама на себя, отсоединена от батареи. Стрелка компаса в этот момент не изменила своего положения. Это означало, что по проводнику продолжает идти ток.
Теперь оставалось ждать. В обычных проводниках из-за сопротивления ток исчезает практически мгновенно после отключения источника напряжения. Через несколько часов весь жидкий гелий испарился, и опыт прекратился. Но в течение всего этого времени стрелка компаса не шелохнулась. Впоследствии этот опыт неоднократно повторялся другими исследователями. В одном из опытов наблюдение за циркулирующим током длилось в течение нескольких лет. И за все эти годы ток в сверхпроводящем кольце не изменился. Из этого следовал вывод, что электрическое сопротивление сверхпроводника точно равно нулю.
Появление новых сверхпроводников
В десятые годы в Лейденской лаборатории в дополнение к ртути, свинцу и олову были открыты сверхпроводящие свойства индия таллия и галлия. Все эти металлы сходны друг с другом в том, что имеют невысокие температуры плавления и довольно небольшую твердость. В двадцатые годы, когда в поиски новых сверхпроводников включились и другие лаборатории, немецкий физик Вальтер Мейснер обнаружил, что сверхпроводники встречаются и среди достаточно твердых и тугоплавких металлов: ими оказались титан, ниобий, тантал и торий.
Разработка новых методов сверхглубокого охлаждения в тридцатые годы позволила вторгнуться в область температур ниже 1К. Число вновь открытых проводников пополнилось алюминием, цинком и другими элементами. На сегодняшний день известно около 40 химических элементов, обнаруживающих сверхпроводимость.
Уже в первые годы изучения сверхпроводимости выяснилось, что среди металлов, обладающих при нормальных температурах высокой электропроводностью, сверхпроводники почти не встречаются. Так, например, золото, серебро, медь - не сверхпроводники. Для многих элементов возникновение сверхпроводимости и температура перехода в сверхпроводящее состояние не зависели от степени загрязненности их примесями, для других же металлов сверхпроводимость удалось обнаружить, лишь когда они были получены в очень чистом виде.
В двадцатые годы, помимо новых сверхпроводников, были открыты и новые черты самого явления. Выяснилось, что в момент перехода металла из нормального состояния в сверхпроводящее никакого тепла не выделяется и не поглощается. Вместе с тем теплоемкость металла на таком переходе испытывала скачок. Ни внешний вид, кристаллическая структура металла при этом не изменялись.
Если тепло при переходе не выделяется и не поглощается, это означает, что переход между нормальным и сверхпроводящим состоянием не является обычным фазовым переходом.
Измерения критического магнитного поля показывали, что его величина не постоянна, а зависит от элемента, а для данного элемента- от температуры сверхпроводника, причем для всех изучавшихся сверхпроводников зависимость имела одинаковую и характерную форму. При температурах, близких к абсолютному нулю, критическое поле было наибольшим и медленно менялось с температурой. Однако при приближении к температуре сверхпроводящего перехода критическое поле уменьшалось все быстрее, пока в самой точке перехода не обращалось в нуль. Вблизи критической температуры для разрушения сверхпроводимости было достаточно совсем небольших магнитных полей.
Зависимость критического поля от температуры
Вк
Вк0
0
Тк Т
Сверхпроводник и магнитное поле
Постепенное накопление экспериментальных сведений о сверхпроводниках было прервано в 1933 году открытием, сделанным В. Мейснером и Р. Оксенфельдом. До этого проводились испытания с полыми проводниками, т.к. эти проводники имели маленькую массу, и их легче было охладить. Мейснер и Оксенфельд проводили испытания на сплошных образцах из олова и свинца, состояло в том, что когда охлаждался образец с введенным в него магнитным потоком, в момент наступления сверхпроводящего перехода этот поток мгновенно выталкивался из образца. Магнитная индукция сразу обращалась в нуль, и при нулевом конечном магнитном поле итог обеих операций был совершенно одинаковым. Сверхпроводники оказались идеальными диамагнетиками: они выталкивали из себя магнитное поле во всех случаях.
При намагничивании полого сверхпроводника сначала происходит то же самое, что и при намагничивании сплошного. На поверхности сверхпроводника появятся незатухающие замкнутые токи, которые создадут "противополе". Токи уничтожат магнитное поле в толще сверхпроводника и в полости.
Если же намагнитить образец при температуре выше критической, а затем, охладив, перевести его в сверхпроводящее состояние, то возникающее " противополе" уничтожит магнитное поле в толще сверхпроводника, но сохранит его в полости. Это поле, захваченное несверхпроводящей полостью, первые исследователи приняли за поле всего сверхпроводника, но это заблуждение было развеяно опытом Мейснера и Оксенфельда.
Диамагнетизм сверхпроводников хорошо демонстрируется опытом, который осуществил в 1945 году профессор московского университета В. К. Аркадьев. Он изготовил небольшую свинцовую чашу и погрузил ее в жидкий гелий, а затем на тросике начал медленно опускать в нее постоянный брусковый магнит. По мере приближения магнита к чаше натяжение тросика постепенно ослабевало, и наконец, магнит свободно повис над чашей. Объясняется этот эффект просто: под действием магнита в сверхпроводящей чаше возникают "противотоки", создающие "противополе". В результате выталкивания магнитного поля из чаши возникает отталкивание чаши и магнита, которое и проявляется в том, что магнит парит в воздухе над чашей.
А что происходит вне сверхпроводника, при помещении его в магнитное поле? Если сверхпроводник имеет форму узкого цилиндра или узкой пластины, располагающихся вдоль силовых линий приложенного поля, то внесение его в магнитное поле не искажает заметным образом картину силовых линий этого поля.
Если же проводник имеет иную форму, то в его присутствии распределение силовых линий поля существенно изменяется. Например, если образец имеет вид шара, то силовые линии расступаются перед шаром, сгущаются в окрестности его экватора и снова смыкаются позади шара.
Число силовых линий, пересекающих площадку постоянного сечения, есть мера напряженности поля. Сгущение силовых линий около экватора шара говорит о том, что магнитное поле здесь сильнее, чем вдали от шара.
Пока приложенное к сверхпроводнику магнитное поле невелико, неоднородность этого поля, вызванная образцом, для сверхпроводника несущественна. Но когда поле начинает приближаться к критическому, на проводнике возникают чередующиеся нормальные и сверхпроводящие области. Когда же достигается критическое значение, проводник целиком переходит в нормальное состояние.
А что будет со сверхпроводником, если к нему подключить электрический ток? По мере нарастания тока собственное его поле увеличивается и, наконец, наступает момент, когда оно достигает значения, равного критическому в случае приложения внешнего магнитного поля. Сверхпроводимость исчезает, т.к. сверхпроводнику все равно, какое поле на него действует - собственное поле тока или внешнее магнитное поле. Соответствующее значение тока тоже было названо критическим.
За четверть века, прошедшую с момента открытия сверхпроводимости, были выявлены основные ее черты. Прежде всего выяснилось, что это явление не уникально и присуще целому ряду металлических элементов, причем для всех них температура перехода в сверхпроводящее состояние оказалась очень низкой, порядка нескольких Кельвинов. Затем было установлено, что сверхпроводимость разрушается магнитным полем. В зависимости от формы образца и его ориентировки в магнитном поле это разрушение могло происходить либо скачком по достижении критического поля, либо постепенно по достижении такого поля сначала в отдельных участках образца. Был открыт важнейший эффект Мейснера - Оксенфельда: выталкивание магнитного поля из сверхпроводящих образцов вне зависимости от тех условий, в каких поле прикладывается к образцам. Далее, было обнаружено существование критических токов в сверхпроводниках. И наконец, появилась первая теория сверхпроводимости Лондонов, которая учитывает идеальную электропроводность и идеальный диамагнетизм сверхпроводников.
Новая теория сверхпроводимости
Основной класс веществ, в которых разыгрываются известные эффекты сверхпроводимости, являются металлические кристаллы. Микроскопической теории сверхпроводимости предстояло выяснить, какую роль в этих эффектах играют частицы, из которых состоят кристаллы, - электроны и ионы.
Теория Лондонов не могла объяснить промежуточного состояния. Нужна была новая теория. Волновая функция в сверхпроводящей области отличается от таковой в нормальной области, а на границе между ними достаточно быстро меняется. Кроме того, это не совсем обычная волновая функция: она описывает только коллектив сверхпроводящих электронов. В нормальной области таких электронов нет, и, естественно , волновая функция в ней должна обратиться в нуль. Это обращение в нуль на границе сверхпроводящей и нормальной областей должно произойти постепенно. Чтобы соответствовать тому, что получается на опыте, волновая функция должна постепенно уменьшаться по величине по мере повышения температуры сверхпроводника и обращаться в нуль при критической температуре, когда сверхпроводящие области вовсе исчезают. Для получения необходимых уравнений для волновой функции, нужно было учесть сам переход в сверхпроводящее состояние, т.е. тот факт, что при определенной температуре свободная энергия сверхпроводящей фазы должна стать меньше, чем у нормальной фазы. Следовало принять во внимание также и то, что на сверхпроводимость влияет магнитное поле, создавая чередование нормальных и сверхпроводящих областей и вовсе разрушая сверхпроводимость при достижении критической напряженности во всем образце.
Движение сверхпроводящих электронов более упорядочен, чем движение нормальных электронов. Сущность этого упорядочения пока была непонятна, но само возникновение сверхпроводимости можно было истолковать как фазовый переход от менее к более упорядоченному состоянию. В отсутствии магнитного поля такой переход не сопровождался выделением или поглощением тепла. В таких условиях фазовый переход относится ко второму порядку. Если же переходу характерно скачкообразное изменение среднего расстояния между атомами или молекулами в веществе (при изменении такого расстояния либо затрачивается, либо выделяется энергия), то это фазовый переход первого рода.
Но существуют и такие превращения, при которых средние расстояния между атомами меняются не скачком, а непрерывно, но даже наималейшее изменение расстояний равносильно скачкообразному изменению порядка их взаимного расположения. Порядок расположения атомов в кристалле характеризуется определенной симметрией, и в отличие от расстояния симметрия не непрерывная, а дискретная характеристика: данная симметрия может исчезать или появляться лишь скачком.
Симметрией можно характеризовать не только взаимное расположение атомов в кристалле. Ею можно описывать электрические и магнитные свойства кристаллов и даже движение частиц. Превращения вещества, в которых их состояния меняются непрерывно, а симметрия скачком, были названы фазовыми переходами второго рода.
Симметрия связана со степенью упорядоченности движения частиц. Отличие нового порядка от старого можно описывать, вводя специальную величину - параметр порядка. Понимают, что он равен нулю для старого порядка и возрастает, по мере того как различие нового и старого порядка становится все более значительным.
Роль параметра порядка в своей теории Гинзбург и Ландау уготовили квадрату волновой функции сверхпроводящих электронов. При критической температуре она обращается в нуль. При понижении температуры она возрастает: все большая доля электронов принимает участие в сверхпроводимости, а квадрат волновой функции как раз дает вероятность обнаружить такой электрон. Эта вероятность пропорциональна общему числу электронов.
Построим рисунок, изображающий магнитное поле и квадрат волновой функции (концентрацию) сверхпроводящих электронов на границе сверхпроводящей и нормальной областей. Ход магнитного поля характеризуется экспоненциальной зависимостью от расстояния до границы, и мерой быстроты спада магнитного поля является глубина проникновения l. Аналогично изменяется - но в противоположную сторону - квадрат волновой функции; мера быстроты ее изменения получила название длины когерентности: обычно ее обозначают x.
Гинзбург и Ландау выяснили, что поверхностная энергия будет положительной, если отношение l/x меньше, чем 1/Ц2»0,7.
Мы имеем дело с таким сверхпроводником, у которого на границе с нормальными областями концентрация сверхпроводящих электронов снижается до нуля постепенно. Быстрота этого снижения определяется длиной когерентности, и надо рассмотреть две возможности, соответствующие тому, что длина когерентности меньше или больше глубины проникновения.
В первом случае магнитное поле, проникая в сверхпроводник, встречает почти во всей зоне проникновения "полноценный" сверхпроводник с полной концентрацией сверхпроводящих электронов. Поверхностная энергия в этом случае должна быть отрицательной.
Во втором случае почти во всей пограничной области между сверхпроводником и нормальным металлом магнитное поле равно нулю. Приграничная область напоминает сверхпроводник вдали от границы, но концентрация сверхпроводящих электронов в ней все же понижена по сравнению с удаленной от границы областью. Энергия в единице объема приграничной области выше, чем энергия в единице объема области, удаленной от границы, и ближе к энергии в единице объема нормального металла. Тогда энергия, отнесенная к единице площади границы, - это и есть поверхностная энергия, - должна быть положительной.
Промежуточное состояние соответствует ситуации, когда длина когерентности больше глубины проникновения. Этот случай реализуется у веществ, которые можно назвать сверхпроводниками I рода. Вещества, у которых длина когерентности меньше глубины проникновения, называются сверхпроводниками II рода (металлические сплавы).
Применение сверхпроводников
В 1930 году два молодых голландца Де Хаас и Воогд сделали важное открытие. Работая со сплавами свинца и висмута, они обнаружили, что сплавы сохраняют сверхпроводимость вплоть до магнитных полей порядка 2Т. Это величина более чем в 30 раз превышала критическое поле для чистого свинца.
Онесс, мечтал изготовлять экономичные сверхпроводящие магниты с напряженностями поля в десятки тесла, но был вынужден отказаться от этой идеи, обнаружив, что сверхпроводимость разрушается при полях, в тысячи раз более слабых. Теперь как будто появилась надежда изготовить магнит пусть и не на десятки, но на единицы тесла. Такие магниты можно было бы использовать, например, в небольших электрических машинах.
Для использования в электротехнике сверхпроводники должны иметь высокие критические параметры. Прежде всего необходимо, чтобы достаточно высокой была критическая температура. Если она окажется больше примерно 22К, то для охлаждения станет возможным использовать вместо гелия более дешевый жидкий водород. Далее, необходимо, чтобы этот проводник выдерживал достаточно сильные магнитные поля. Если из сверхпроводника изготовляются провода для линий передачи электрического тока, то для него важно иметь высокие значения критического тока в отсутствие сколько-нибудь существенного магнитного поля. Но если сверхпроводник предназначается для работы в обмотках магнита, то он должен выдерживать объединенный "натиск" большого тока и сильного магнитного поля. Сверхпроводники должны обладать достаточно высокой пластичностью.
Для того, чтобы быть сверхпроводником, чистый металлический элемент или сплав должен иметь от 2 до 8 валентных электронов на атом, тогда критическая температура особенно высока. Сверхпроводимость при этом могут обнаруживать и такие сплавы, в которых оба компонента не являются сверхпроводниками, - лишь бы среднее число электронов в расчете на один атом попадало в указанные пределы. Наивысшую температуру среди чистых элементов имеет ниобий - 9,2 К.
Наиболее очевидное применение сверхпроводимости в линиях электропередачи. В стоимости электроэнергии, которую оплачивает потребитель, на долю ее производства приходится лишь около трети. Остальные две трети - это передача и распределение энергии. Потоки электроэнергии год от года растут, линии передачи удлиняются, во избежание больших потерь в них приходится повышать напряжение. Сегодня строятся ЛЭП напряжением 1 МВ и даже выше. Коэффициент полезного действия таких линий составляет около 95%.
Наиболее дешевые ЛЭП - воздушные. Стоимость их строительства намного дешевле сооружения подземного кабеля такой же пропускной способности. Но ЛЭП более удобны в необжитых и малообжитых районах. Опасность высоких напряжений заставляет отводить под ЛЭП большую территорию, такие напряжения вызывают высокий уровень помех при приеме радио- и телевизионных передач. Высоковольтные ЛЭП составляют опасность для самолетов. Применение сверхпроводящих кабелей позволит повысить КПД подземных ЛЭП до 99,5%.
Применение сверхпроводимости коснулось и машин для выработки электроэнергии. Современные электрогенераторы - крупные сооружения, в которых создаются большие магнитные поля, а роторы вращаются со скоростью 3000 об/мин. Сверхпроводимость обещает многое: уменьшить габариты генераторов почти в 2 раза, соответственно массу их - до 3 раз, а массу ротора - в 4-5 раз. Применение сверхпроводников снижает тепловые потери тока, так, что КПД генераторов сможет достичь 99,5-99,8%.
Сверхпроводимость можно также использовать в сверхпроводящих магнитах. Увеличение напряженности магнитного поля с их помощью позволило бы существенно уменьшить размеры ускорителей.
Сверхпроводники можно использовать и для сооружения накопителей энергии. Накапливать энергию можно с помощью топливных элементов, вращающихся маховиков и даже просто поднимая насосами воду в специальные водохранилища, которая, когда нужно, приведет в движение турбины гидростанций. КПД всех этих накопителей весьма различен - от 30% для газовых турбин, 65% для поднятой воды до почти 100% для маховиков. Но КПД накопителей из сверхпроводников, в которых ток может циркулировать неограниченное время, будет практически равен 100%.
В заключение рассмотрим применение сверхпроводимости в транспорте на магнитной подвеске. Сегодня существуют электропоезда, способные развивать скорость около 300 км/ч. Такая скорость, однако, является почти предельной для колесных поездов: сила тяги становится недостаточной для преодоления сопротивления воздуха даже для поездов обтекаемой формы. Магнитная подвеска обещала очень быстрое, достаточно безопасное и удобное путешествие.
В первом проекте сверхпроводникового поезда рельсы состояли из двух рядов дискретных путевых шин, в которых движение поезда наводит ток. Горизонтальные шины создают подъемную силу в те моменты, когда над ними проходит поезд. Поскольку подъемная сила увеличивается по мере опускания поезда, его движение устойчиво в вертикальном направлении. Вертикально же стоящие шины обеспечивают некоторую устойчивость поезда в горизонтальном направлении: при смещении поезда с пути в них возникает ток, который возвращает поезд в положение равновесия. Однако при небольших скоростях этот ток слишком мал.
Через несколько лет была предложена более удачная конструкция пути. Путевые шины в этой конструкции представляют собой непрерывную металлическую полосу, имеющую профиль уголка. Как и в описанном выше проекте, горизонтальная часть полосы создает подъемную силу, а вертикальная обеспечивает боковую устойчивость поезда. Между шинами-полосами проложен третий рельс - линейный электродвигатель.
Такое устройство намного проще, чем в первом проекте, но вместе с тем обладает серьезным недостатком. В авиации существует такое понятие "коэффициент качества": он равен отношению подъемной силы и сопротивления движению. К сопротивлению, в данном случае сверхпроводникового поезда, надо отнести и тепловые потери тока в путевой несверхпроводящей шине. Например, в алюминиевом рельсе ток равен току в магните поезда; этот ток, нужный для создания сильного магнитного поля велик, соответственно велики и тепловые потери, и это сильно уменьшает коэффициент качества магнитного подвеса. Другая причина его снижения состоит в том, что ток магнита наводит ответные токи и в вертикальных участках путевой шины, которые дополнительно тормозят движение поезда.
Наконец, в конце шестидесятых годов был предложен, пожалуй наилучший из известных проектов сверхпроводникового поезда. В нем контуры токов, проходящих через магниты поезда и через путь, расположены так, что магнитный поток в путевых шинах, или ток в пути, можно сделать очень малым, а значит, коэффициент качества магнитного подвеса - достаточно большим и ограниченным, в сущности, только стоимостью магнита. Но для сохранения большой подъемной силы при этом приходится обеспечивать еще более высокую напряженность магнитного поля. Впрочем, для сверхпроводникового магнита это не составляет серьезной проблемы.
Каждый рельс имеет вид тонкой горизонтальной алюминиевой пластины, укрепленной на бетонных опорах. Сверху и снизу от нее симметрично располагаются сверхпроводящие плоские катушки поезда. Такая конструкция одновременно обеспечивает и вертикальную и горизонтальную устойчивость вагона, действуя в последнем отношении подобно ребордам на колесах. Вместе с тем она имеет и другие значительные преимущества по сравнению с конструкцией, в которой использовалась изогнутая уголком алюминиевая шина. Например, амплитуда колебаний вагона по вертикали при зазоре между ним и путем 20 см снижается до 1 см вместо 10 см, что немедленно испытают на себе пассажиры.
Со временем были предложены усовершенствованные варианты из описанных конструкции, а затем наступил период постройки и испытания опытных сверхпроводниковых поездов.
Похожие работы
... водитель обязан включить специальные звуковую и световую сигнализации. Воспользоваться приоритетом движения он может, только убедившись, что ему уступают дорогу. Начальник караула или руководитель подразделения ГПС, выехавший во главе караула к месту вызова, обязан знать правила дорожного движения и обеспечивать их выполнение водителем. Ответственность за безопасное движение пожарного автомобиля ...
... я уже назвал раньше), все равно человечество и природа погибнет. Вопрос в том: «Что вынесет человечество из своей истории? Осознает ли человечество свои ошибки?» Если человечество не ответит на эти вопросы, то Третья Мировая Ядерная Война будет не последней глобальной катастрофой на планете Земля. Третья Мировая Ядерная Война не первая глобальная катастрофа на Земле. Глобальные катастрофы были в ...
... диуреза. 2. Собраны все порции выделенной мочи за сутки. Обучение пациента или его родственников: Консультативный тип сестринской помощи в соответствии с вышеописанной последовательностью действий медицинской сестры. 1. Обучите пациента делать записи в листе суточного диуреза. 2. Объясните пациенту, что при подсчете количества выпитой жидкости учитывается объем в мл: ...
... с такой силой писчебумажная работа. С тайным волнением ждал я раздачи тетрадей с сочинениями. Многие из них учитель ругательски ругал за примитивность изложения, главным образом за отсутствие собственных слов и мыслей. Кипа тетрадей на классном столе становилась все меньше и меньше, и скоро там сиротливо заголубела ; тоненькая тетрадка. «Моя!» Учитель взял ее, бережно развернул — у меня сердце ...
0 комментариев