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

7 комнатных растений, которые не ядовиты для домашних животных: ваша кошка будет в безопасности 7 комнатных растений, которые не ядовиты для домашних животных: ваша кошка будет в безопасности

Расскажем о совершенно безопасных для питомцев растениях

Популярная механика
Владимир Леви: «Нет ни одной рекомендации, которая кому-нибудь бы да не помогла» Владимир Леви: «Нет ни одной рекомендации, которая кому-нибудь бы да не помогла»

Книги, которые делают умных умнее

Эксперт
Голубые глаза оказались лучше приспособлены к тусклому свету по сравнению с карими Голубые глаза оказались лучше приспособлены к тусклому свету по сравнению с карими

Цвет радужки у людей влияет на то, как глаза воспринимают свет

N+1
Место под солнцем Место под солнцем

Чтобы осмотреть Крым, не хватит и месяца

Лиза
Почему у пожилых людей уменьшается рост? Почему у пожилых людей уменьшается рост?

Что такое остеопороз и как он влияет на рост пожилых людей?

ТехИнсайдер
Почему нам важно помогать другим Почему нам важно помогать другим

Как эволюция заложила в нас потребность помогать ближним

Psychologies
Тимур Бекмамбетов: «Тарковский бы, наверное, ругался и топал ногами» Тимур Бекмамбетов: «Тарковский бы, наверное, ругался и топал ногами»

Родоначальник жанра скринлайф рассказал о новом сериале «Взаперти»

GQ
«Если памятники убрать, возникнет ощущение, что мы падаем» «Если памятники убрать, возникнет ощущение, что мы падаем»

Ербосын Мельдибеков о проекте «Трансформер» и превращении реальности в эпос

Weekend
Зерно — по адресным квотам Зерно — по адресным квотам

Что происходит с российским рынком зерновых культур?

Эксперт
Термиты построили гнезда в соответствии с кривизной поверхности Термиты построили гнезда в соответствии с кривизной поверхности

Чем больше кривизна гнезд термитов, тем активнее строительство в этой области

N+1
История одной песни: Эннио Морриконе и «Хороший, плохой, злой» История одной песни: Эннио Морриконе и «Хороший, плохой, злой»

История о том, как вестерны освободили Эннио Морриконе из музыкального рабства

Maxim
Удивительно гиблые места: как природа возвращает отнятое человеком Удивительно гиблые места: как природа возвращает отнятое человеком

Как опасные для людей территории становятся убежищами для дикой природы

Популярная механика
«Заговор против Америки» – еще одно доказательство тому, что Дэвид Саймон потерял хватку «Заговор против Америки» – еще одно доказательство тому, что Дэвид Саймон потерял хватку

Сериал по культовому роману Филипа Рота должен был стать одним из лучших

GQ
Ну просто довели! Ну просто довели!

Иногда на работе случаются неприятные конфликтные ситуации

Лиза
Полеты во сне и наяву Полеты во сне и наяву

Алексей Пивоваров пытается превратить ютьюб в СМИ с качественной журналистикой

Tatler
Парный выход Парный выход

Как российские селебрити проводят время со своими детьми

Grazia
Обувь протеста: как кроссовки стали важной частью акций против расизма в США (и целью мародеров) Обувь протеста: как кроссовки стали важной частью акций против расизма в США (и целью мародеров)

Америку захлестнула волна протестов после убийства Джорджа Флойда

Esquire
Легко заводятся: несколько аргументов в пользу того, почему стоит заводить больше детей, чем планируешь Легко заводятся: несколько аргументов в пользу того, почему стоит заводить больше детей, чем планируешь

Почему стоит заводить больше детей, чем планируешь?

Esquire
Богемский туз Богемский туз

Разработанный чешским энтузиастом двигатель долго царил в трековых гонках

Мото
Хабаровский цугцванг Хабаровский цугцванг

Что стоит за вспышкой протестной активности в Дальневосточном регионе

Огонёк
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
Как нумизмат из Феодосии борется за свой Музей денег Как нумизмат из Феодосии борется за свой Музей денег

Почему Музей денег в Феодосии требуют закрыть

СНОБ
Платья для нимф, улиток и статуй в память о художницах-сюрреалистках Платья для нимф, улиток и статуй в память о художницах-сюрреалистках

Марина Прохорова о Christian Dior haute couture сезона FW 2020/21

Weekend
Звуковой ретрит. Как тишина становится роскошью Звуковой ретрит. Как тишина становится роскошью

Две минуты тишины расслабляют лучше, чем успокаивающая музыка

Reminder
Почему история Сергея Фургала никого не тронула за пределами Дальнего Востока Почему история Сергея Фургала никого не тронула за пределами Дальнего Востока

Почему протест не вышел за пределы Хабаровского края

СНОБ
Виктор Цой. 1984 – 1988 Виктор Цой. 1984 – 1988

«Кино» требует развития, и Цой собирает электрический квартет

Esquire
Редактирование эмбриона бычка превратит половину его женских потомков в самцов Редактирование эмбриона бычка превратит половину его женских потомков в самцов

Ген SRY заставит XX зародыши развиваться по мужскому пути

N+1
Секта для бездомных: Netflix выпустил сериал о бесчеловечном отношении к беженцам в Австралии, основанный на реальных событиях Секта для бездомных: Netflix выпустил сериал о бесчеловечном отношении к беженцам в Австралии, основанный на реальных событиях

На Netflix вышел сериал «Без гражданства», основанный на реальных событиях

Forbes
Тексты из цикла «Сцены эпохи дефицита» Николая Кононова Тексты из цикла «Сцены эпохи дефицита» Николая Кононова

Тексты Николая Кононова из цикла «Сцены эпохи дефицита»

СНОБ
Как понять, хорошо ли вам дома? Как понять, хорошо ли вам дома?

Вы чувствуете себя в безопасности, возвращаясь домой?

Psychologies
Открыть в приложении