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
Европейские перелетные птицы скорректировали сроки миграции из-за погоды Европейские перелетные птицы скорректировали сроки миграции из-за погоды

Сроки миграции птиц зависят от погодных условий в местах их отдыха

N+1
Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018» Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Спутники помогли уличить китайских и северокорейских рыбаков в незаконном промысле Спутники помогли уличить китайских и северокорейских рыбаков в незаконном промысле

Комбинация четырех технологий позволила найти суда незаконной рыбной ловли

N+1
Что нового? Что нового?

Интересные направления, которые в ближайшее время станут весьма популярными

Robb Report
FOGO: почему карантин закончился, а страх выходить из дома остался FOGO: почему карантин закончился, а страх выходить из дома остался

Почему новая фобия горожан называется FOGO?

РБК
Великая пустота Великая пустота

Самые большие объекты во вселенной заполнены ничем

Популярная механика
Злые слова: как защитить тело от душевной боли Злые слова: как защитить тело от душевной боли

Неосторожное слово, обидная фраза — все влияет на общее самочувствие

Psychologies
Правила жизни Евгения Евтушенко Правила жизни Евгения Евтушенко

Поэт, скончался 1 апреля 2017 года в возрасте 84 лет, Талса, Оклахома

Esquire
Хищную муху из Австралии назвали в честь Дэдпула Хищную муху из Австралии назвали в честь Дэдпула

Четыре вида австралийских мух-ктырей получили имена в честь персонажей Marvel

N+1
«Опытным путем. Эксперименты, изменившие мир» «Опытным путем. Эксперименты, изменившие мир»

Эксперименты проводят не только физики, химики или биологи

N+1
Парный выход: 10 самых незабываемых парных выходов звезд Парный выход: 10 самых незабываемых парных выходов звезд

Считается, что у влюбленных пар даже стиль со временем становится похожим

Cosmopolitan
Кровавый путь самурая: обзор на игру Ghost of Tsushima — увлекательную, но слегка запоздавшую Кровавый путь самурая: обзор на игру Ghost of Tsushima — увлекательную, но слегка запоздавшую

Ghost of Tsushima — игра о самурае, освобождающем японские острова от орды

Esquire
5 животных с самыми необычными зубами 5 животных с самыми необычными зубами

Эволюция изменила количество зубов (или лишила их вовсе) у того или иного вида

Популярная механика
Что не так с идеей «нанимать лучших специалистов» независимо от пола и есть ли женщины в Кремниевой долине Что не так с идеей «нанимать лучших специалистов» независимо от пола и есть ли женщины в Кремниевой долине

Отрывок из книги Кэролайн Крьядо Перес о гендерном неравенстве

Inc.
«На дне». Премьера «На дне». Премьера

Были бы тогда соцсети, однозначно запустили бы флешмоб «Я/МЫ Горький»

Дилетант
Ученые встретили в Черном море дельфина-альбиноса Ученые встретили в Черном море дельфина-альбиноса

Экспедиция встретила дельфина необычной окраски

N+1
Краткий гид GQ по Сочи Краткий гид GQ по Сочи

Если вы не летите в Танзанию в августе, увидимся в Сочи

GQ
Как и зачем выучить китайский язык Как и зачем выучить китайский язык

Начать говорить с 1,5 млрд человек проще, чем кажется

Maxim
1001 способ рассказать партнеру о своих сексуальных фантазиях 1001 способ рассказать партнеру о своих сексуальных фантазиях

Нужно ли делиться с партнером самым сокровенным?

Psychologies
10 типов мужчин, которые отпугивают девушек на первом свидании 10 типов мужчин, которые отпугивают девушек на первом свидании

Многие мужчины слепы и в упор не видят свои недостатки

Maxim
Смех сквозь слезы: 5 научных фактов о щекотке Смех сквозь слезы: 5 научных фактов о щекотке

Механизм щекотки для научного сообщества — один большой вопрос

Популярная механика
История об укрывательстве евреев во время Великой Отечественной войны История об укрывательстве евреев во время Великой Отечественной войны

История Кочерова Анатолия, пережившего Холокост

СНОБ
На что надеется правительство России в ситуации падения цен на нефть и газ На что надеется правительство России в ситуации падения цен на нефть и газ

Правительство может не устоять перед соблазном создания «золотого Газпрома»

СНОБ
Отрывок из книги Дениса Миллера «Кодекс Арафской дуэли» Отрывок из книги Дениса Миллера «Кодекс Арафской дуэли»

Первая глава нового фэнтезийного романа для подростков Дениса Миллера

СНОБ
Ана Рош: «Хорошие отношения — основа ресторана» Ана Рош: «Хорошие отношения — основа ресторана»

Ана Рош — лучшая в мире женщина — шеф-повар

Bones
«Язык и семиотика тела» «Язык и семиотика тела»

Отрывок из монографии о телесности «Язык и семиотика тела»

N+1
Лукоморье и еще 6 сказочных стран, которые существовали на самом деле Лукоморье и еще 6 сказочных стран, которые существовали на самом деле

Эти страны из сказок и летописей существовали в реальности

Maxim
Юноша с жемчужной сережкой: 2020-й — год, когда мужчины полюбили украшения из жемчуга Юноша с жемчужной сережкой: 2020-й — год, когда мужчины полюбили украшения из жемчуга

Знаменитые мужчины полюбили жемчужные бусы, кольца и серьги

Esquire
Снова понакатали!.. Снова понакатали!..

Статья для тех, кого напрягают родительские чаты

Лиза
Открыть в приложении