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

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
7 шагов от «ненавижу» к «люблю» 7 шагов от «ненавижу» к «люблю»

Часто любовь и ненависть — стороны одной медали

Psychologies
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
Ситуация напоминает 2015 год: как бизнес платит по счетам в пандемию Ситуация напоминает 2015 год: как бизнес платит по счетам в пандемию

Как российские компании расплачивались с поставщиками в пандемию

Forbes
Борьба за ярлык Борьба за ярлык

Как Калита начал собирать русские земли вокруг Москвы?

Дилетант
«Дорогой, теперь ты мой»: о чем мы на самом деле ссоримся на кухне «Дорогой, теперь ты мой»: о чем мы на самом деле ссоримся на кухне

Из-за чего на самом деле мы ссоримся, споря о немытой посуде?

Psychologies
Сколько можно спать? Сколько можно спать?

Еще несколько сотен лет назад европейцы спали дважды за сутки

Популярная механика
«Вселенная. Путешествие во времени и пространстве» «Вселенная. Путешествие во времени и пространстве»

Отрывок из книги директора обсерватории Сергея Язева о законе смещении Вина

N+1
Как превратить фотографии в метафорические карты и поговорить с партнером? Как превратить фотографии в метафорические карты и поговорить с партнером?

Иногда мы не можем точно сказать, что с нами происходит и что нас волнует

Psychologies
Очень редкие Lada: 7 машин с сайтов объявлений Очень редкие Lada: 7 машин с сайтов объявлений

Уникальные автомобили Lada, которые можно купить прямо сейчас

РБК
Артист широкого профиля Артист широкого профиля

Кирилл Петров — о сольных проектах, театре, поэзии и о своем главном слушателе

OK!
Правила жизни Татьяны Лазаревой Правила жизни Татьяны Лазаревой

Правила жизни телеведущей и актрисы Татьяны Лазаревой

Esquire
«Злые» хакеры на свободе: кто и зачем взломал сервисы компании Garmin «Злые» хакеры на свободе: кто и зачем взломал сервисы компании Garmin

В разработке вируса для Garmin подозревают российских хакеров

Forbes
Прокололась... Прокололась...

За своими словами стоит следить всегда, особенно на работе

Лиза
Брюс Дейсли: отключите внутреннего надсмотрщика, чтобы сделать работу менее ужасной Брюс Дейсли: отключите внутреннего надсмотрщика, чтобы сделать работу менее ужасной

Книга бывшего вице-президента Twitter о продуктивном спокойствии

Inc.
Как миллиардеры Фридман и Авен создали в британском суде важный прецедент для исков о клевете Как миллиардеры Фридман и Авен создали в британском суде важный прецедент для исков о клевете

Чем уникально дело акционеров «Альфа-Групп» о персональных данных?

Forbes
Ключ от гробницы Ключ от гробницы

Как мы учимся лечить болезнь Стивена Хокинга

N+1
20 секретов счастливой жизни 20 секретов счастливой жизни

Как можно тренировать способность быть счастливым и что в этом поможет?

Psychologies
Хемосинтезирующие бактерии окислили марганец Хемосинтезирующие бактерии окислили марганец

Существование таких бактерий предположили сто лет назад, но нашли их случайно

N+1
Палеоантропологи нашли ашельское рубило из бедренной кости бегемота Палеоантропологи нашли ашельское рубило из бедренной кости бегемота

На стоянке Консо-Гардула обнаружили ручное рубило ашельской культуры

N+1
Что на самом деле измеряют тесты интеллекта Что на самом деле измеряют тесты интеллекта

А что же это такое – интеллект?

Популярная механика
Адель Вернер Адель Вернер

Адель Васильевна Вернер — создательница характерных скульптур в стиле модерн

Наука и жизнь
Издатель Михаил Лопатин — о гиде «Ресторанный навигатор», критике и пиаре Издатель Михаил Лопатин — о гиде «Ресторанный навигатор», критике и пиаре

Возмутитель спокойствия ресторанного мира выпустил «Ресторанный навигатор»

РБК
Да он не меняется! Любопытные моменты из жизни Киану Ривза Да он не меняется! Любопытные моменты из жизни Киану Ривза

Порой кажется, что Киану Ривз не стареет!

Cosmopolitan
Не только «Рик и Морти»: почему мультсериалы для взрослых захватили онлайн-платформы Не только «Рик и Морти»: почему мультсериалы для взрослых захватили онлайн-платформы

Анимационные сериалы давно создаются не только для детей

Forbes
Почему витамин С в уходе за кожей — отличная идея Почему витамин С в уходе за кожей — отличная идея

Витамин С поможет придать коже упругость и свежий цвет

Psychologies
10 самых неудачных злодеев в кино 10 самых неудачных злодеев в кино

Кинозлодеи, которые не справились со своей ролью

Maxim

Что писали звезды перед тем, как свести счеты с жизнью

Cosmopolitan
Как изменилась Ольга Бузова после пластики Как изменилась Ольга Бузова после пластики

Пластический хирург комментирует изменения во внешности Ольги Бузовой

Cosmopolitan
Как настроиться и собраться с силами, если завтра важный день Как настроиться и собраться с силами, если завтра важный день

Как сохранить силы перед важным событием и разобраться со страхами

Psychologies
Открыть в приложении