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

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
Из Еревана — в Калифорнию: чем приложение PicsArt Ованнеса Авояна покорило мир Из Еревана — в Калифорнию: чем приложение PicsArt Ованнеса Авояна покорило мир

Ованнес Авоян о креативности, AI и недоверчивых инвесторах из Кремниевой долины

РБК
Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018» Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Чья бы корова… Чья бы корова…

За последние десять лет потребление мяса в России возросло в два раза

Bones
Умри все живое: 10 тайных причин неприятного запаха изо рта Умри все живое: 10 тайных причин неприятного запаха изо рта

Десять неочевидных причин убийственного аромата изо рта

Cosmopolitan
«Третий рейх. 16 историй о жизни и смерти» «Третий рейх. 16 историй о жизни и смерти»

Отрывок из книги «Третий рейх. 16 историй о жизни и смерти»

N+1
30 способов перезапустить свое тело 30 способов перезапустить свое тело

Полное руководство по тому, как выжать максимум из человеческого организма

kiozk originals
«Строя карьеру, вы должны защищать себя»: как добиться повышения по работе и не испортить отношения с начальством «Строя карьеру, вы должны защищать себя»: как добиться повышения по работе и не испортить отношения с начальством

Как правильно выстроить диалог с боссом, чтобы получить повышение

Forbes
Как город входит в здание Как город входит в здание

Григорий Ревзин о городе будущего

Weekend
10 неожиданных фактов о галлюцинациях 10 неожиданных фактов о галлюцинациях

Что может вызвать у вас галлюцинации и как к этому относятся в разных культурах

Популярная механика
15 хитов, про которые все думают, что их поет кто-то другой 15 хитов, про которые все думают, что их поет кто-то другой

Поражает упорство, с которым слушатели постоянно и уверенно ошибаются!

Maxim
Квантовый мир обошелся без эффекта бабочки Квантовый мир обошелся без эффекта бабочки

Эффект, который помогает различать классические хаотические и квантовые системы

N+1
ABC (Испания): зловещая причина, по которой человек разумный выиграл у неандертальцев ABC (Испания): зловещая причина, по которой человек разумный выиграл у неандертальцев

Неандертальцы были сильнее человека разумного. Однако наш вид жив, а они вымерли

ИноСМИ
Хвостатая наука: 9 странных привычек собак и кошек Хвостатая наука: 9 странных привычек собак и кошек

Почему собаки виляют хвостом, а кошки боятся воды

Популярная механика
По следам истории По следам истории

Отреставрированный дом 1899 года постройки

AD
Один из важнейших городов майя погубило отравление питьевой воды Один из важнейших городов майя погубило отравление питьевой воды

Почему майя покинули город Тикаль на севере Гватемалы?

N+1
Как победить в любом споре и засыпать оппонента убедительными аргументами Как победить в любом споре и засыпать оппонента убедительными аргументами

Овладеваем искусством убеждать

Playboy
Московский митинг 15 июля и его последствия Московский митинг 15 июля и его последствия

Рассказ политолога о митинге на Пушкинской площади

СНОБ
Правила жизни Арнольда Шварценеггера Правила жизни Арнольда Шварценеггера

Правила жизни актера и политика Арнольда Шварценеггера

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

Как заинтересовать искусством самых молодых?

Forbes
Сколько тебе нужно белка, чтобы нарастить мышечную массу? Ответы на главные вопросы о протеине Сколько тебе нужно белка, чтобы нарастить мышечную массу? Ответы на главные вопросы о протеине

Сколько именно протеина стоит съедать для заветного результата?

Playboy
Пять книжных штампов, которые нам ужасно надоели Пять книжных штампов, которые нам ужасно надоели

Какие стереотипы о женщинах и отношениях кочуют из книги в книгу

Cosmopolitan
10 мужчин, которые добились успеха в зрелом возрасте 10 мужчин, которые добились успеха в зрелом возрасте

От Ван Гога до Джона Хэмма — все эти мужчины стали знаменитыми после 30 лет

Esquire
…И другие уликовые документы …И другие уликовые документы

Чекисты раскрыли группу, которая распространяла антикоммунистические листовки

Дилетант
Правде в глаза Правде в глаза

Никита Ефремов — о главной роли в сериале «Хороший человек»

Vogue
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
Правила жизни Джима Моррисона Правила жизни Джима Моррисона

Музыкант, умер в 1971 году в возрасте 27 лет

Esquire
Четвероногое счастье: любовь питомцев лечит от стресса Четвероногое счастье: любовь питомцев лечит от стресса

Собаки, кошки, морские свинки... Домашние питомцы дарят нам радость

Psychologies
С запахом еды: опасно ли использовать пищевые ароматизаторы С запахом еды: опасно ли использовать пищевые ароматизаторы

Способны ли синтетические ароматизаторы заменить ароматы продуктов питания?

Популярная механика
Как Российская и Британская империи приручали покоренные элиты Как Российская и Британская империи приручали покоренные элиты

Какие эпизоды истории находят отражение в современных политических событиях

СНОБ
Открыть в приложении