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
Овен ценит преданность, Водолей - креатив: как понравится любому начальнику Овен ценит преданность, Водолей - креатив: как понравится любому начальнику

С кем и как нужно строить рабочие отношения?

Cosmopolitan
Чернобыльское досье КГБ Чернобыльское досье КГБ

Украинская власть за последние годы рассекретила огромный массив документов КГБ

Дилетант
Осторожное снижение: ЦБ счел ненужными радикальные меры для поддержки экономики Осторожное снижение: ЦБ счел ненужными радикальные меры для поддержки экономики

Банк России понизил ключевую ставку на 0,25 п.п, до 4,25%

Forbes
Гильотина для короля Гильотина для короля

21 января 1793 года был публично казнён король Франции

Дилетант
Лия Ахеджакова: Лия Ахеджакова:

Знаем ли мы Лию Ахеджакову?

Караван историй
Крошка Ро Крошка Ро

Блогер Марьяна Ро выбралась в реальный мир без одежды

Maxim
Выстрел на орбите: что делают в космосе таинственные русские спутники Выстрел на орбите: что делают в космосе таинственные русские спутники

Что о таинственных спутниках серии «Космос»

Популярная механика
Равноправие и уважение: почему многие девушки стремятся выйти за иностранца Равноправие и уважение: почему многие девушки стремятся выйти за иностранца

Чего же мы ищем в браке с мужчиной другой ментальности?

Cosmopolitan
В плейлист: Илья Лагутенко выбрал 10 лучших песен для долгой прогулки В плейлист: Илья Лагутенко выбрал 10 лучших песен для долгой прогулки

Илья Лагутенко составил плейлист из идеальных песен для долгой прогулки

Forbes
Она позволила делать с собой все: страшный перформанс Марины Абрамович Она позволила делать с собой все: страшный перформанс Марины Абрамович

Никто не знал, до какой чего могут дойти люди, которым дали абсолютную власть

Cosmopolitan
Вечно молодой. Тест-драйв Skoda Rapid Вечно молодой. Тест-драйв Skoda Rapid

Как и почему новый Skoda Rapid пытается угодить молодежи?

РБК
Неприкосновенный запас Неприкосновенный запас

Полная ревизия на случай повторения неприятной ситуации

GQ
4 климатические катастрофы, сделавшие мир чуть лучше 4 климатические катастрофы, сделавшие мир чуть лучше

Если бы не эти катастрофы, мир лишился бы важных достижений культуры и искусства

Maxim
Правила жизни принцессы Дианы Правила жизни принцессы Дианы

Правила жизни принцессы Уэльской Дианы

Esquire
Нехватка воды заставила африканских комаров перейти на человеческую кровь Нехватка воды заставила африканских комаров перейти на человеческую кровь

Возможно, именно эти комары стали предками подвида, колонизировавшего весь мир

N+1
Культура на кухне Культура на кухне

Антон Ковальков – о своем подходе к работе на кухне

Bones
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
Любовь из пластилина Любовь из пластилина

Пластилиновые люди Татьяны Бродач откровенные и беззащитные

Seasons of life
5 любовниц, которые изменили ход истории 5 любовниц, которые изменили ход истории

Иногда любовницы выползают из постели и завоевывают весь мир!

Maxim
«Тьма» — сериал-феномен Netflix, который ошибочно сравнивают с «Очень странными делами». Рассказываем, почему он заслуживает внимания «Тьма» — сериал-феномен Netflix, который ошибочно сравнивают с «Очень странными делами». Рассказываем, почему он заслуживает внимания

Почему «Тьма» — это самое сложное и лучшее шоу на Netflix?

Esquire
…И другие уликовые документы …И другие уликовые документы

Чекисты раскрыли группу, которая распространяла антикоммунистические листовки

Дилетант
Повесть из книги Сухбата Афлатуни «Глиняные буквы, плывущие яблоки» Повесть из книги Сухбата Афлатуни «Глиняные буквы, плывущие яблоки»

Сборник разных повестей узбекского писателя Сухбата Афлатуни

СНОБ
10 ляпов и ошибок из фантастических фильмов про космос 10 ляпов и ошибок из фантастических фильмов про космос

Хьюстон, у них проблемы!

Maxim
Что делать, когда все раздражает. Советы психолога Что делать, когда все раздражает. Советы психолога

Повышенная раздражительность может сигнализировать о нерешенных проблемах

РБК
Забери себе слова. Как говорить о сексе Забери себе слова. Как говорить о сексе

Как услышать партнера и почему нужны стоп-слова?

СНОБ
Выбирай по душе Выбирай по душе

В чем секрет популярности курортов Краснодарского края?

Лиза
Широка страна моя Широка страна моя

Лето-2020 – время путешествий по России

Grazia
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
«Говори на камеру»: как выступать онлайн  и записывать видео без нервов «Говори на камеру»: как выступать онлайн  и записывать видео без нервов

Как разговаривать на видео, куда смотреть, что делать с руками

Psychologies
Открыть в приложении