Что такое сверхпроводимость

Существует ряд материалов, которые способны передавать электрическую энергию без сопротивления. Чем ближе показатель сопротивления к нулевому значению, тем меньше потерь происходит в результате транспортировки электричества на большие расстояния. В настоящее время определено более сотни материалов, обладающих свойством сверхпроводимости.

История открытия

Открытие полупроводниковых материалов имело огромное значение для резкого технологического скачка развития в 20-м веке. Весь окружающий комфорт и множество новых устройств, прочно вошедших в жизнь современного человека, было создано с использованием полупроводниковых материалов. Ведущие ученые мира считают, что в 21-м веке новый виток развития науки и техники становится возможным на основе расширения использования сверхпроводников. Особое значение свойства этих материалов имеют для отраслей, связанных с электроэнергетическим оборудованием и термоядерной энергетикой.

Голландский физик по имени Хейке Камерлинг-Оннес занимался экспериментаторской деятельностью для получения гелия в жидком состоянии. Для этого он долго и тщательно оснащал свою криогенную лабораторию соответствующими техническими приспособлениями. Однако в результате опытов ученый обратил внимание на резкое падение сопротивления ртути пропускаемому через нее электрическому току, когда температура металла резко понизилась. Физик обладал внимательным и разносторонним мышлением, сразу поняв, что столкнулся с открытием нового явления, состоящего в зависимости электрического сопротивления от температуры среды, пропускающей энергию. Дальнейшее изучение вопроса помогло определить, что наибольшее снижение сопротивления материалов происходит при показаниях термометра около 0 градусов по Кельвину.

Хейке Камерлинг-Оннес (справа) с помощником Герритом Флимом (слева)
Хейке Камерлинг-Оннес (справа) с помощником Герритом Флимом (слева)

В 1911-м году Х. Камерлинг-Оннес представил свое открытие на суд коллег, выступив с докладом в Королевском научном обществе. Впоследствии ученый удостоился награждения Нобелевской премией. Однако до появления термина «сверхпроводимость» дело тогда не дошло. Открытие финского физика было определено, как изучение изменения свойств проводимости материалов, в зависимости от снижения их температуры и способа получения жидкого гелия в лабораторных условиях. Несмотря на явное открытие условий проявления сверхпроводимых свойств у целого ряда материалов, только в 60-х годах появилась разработанная теория, посвященная этому разделу науки. Большой вклад в практическую разработку устройств, в которых использовались сверхпроводники, внесли такие всемирно известные физики, как Л. Ландау, В. Гинзбург и А. Бочвар.

На базе московского института им. И. Курчатова было положено начало промышленному производству новых материалов. В 70-80-х годах были созданы уникальные по техническим свойствам установки «ТОКАМАК». Уже в начале нового века в Японии прошли успешные испытания модельной катушки из ниобий-титановых и ниобий-оловянных сверхпроводников. Техническая новинка имеет большое значение для создания энергетического оборудования электростанций, работающих с помощью термоядерного синтеза.

Что такое сверхпроводимость

Революционное по значимости открытие сверхпроводимых свойств некоторых материалов, при описании выглядит несколько расплывчато, подобно научным объяснениям принципа замедления времени. Способность ученых воспроизводить его в самых неподходящих для этого условиях среды способно сделать реальностью многие фантастические проекты. Самой простой характеристикой явления может быть представление, как материал приобретает нулевое сопротивление движению электрической энергии.

Схема левитации магнита над сверхпроводником
Схема левитации магнита над сверхпроводником

В электрических полях

Если подать электрический заряд в некоторую замкнутую цепь, обладающую сверхпроводимыми качествами, то она может сохранять его в течение очень длительного времени. Электроны будут передвигаться по кругу, не теряя при этом количества энергии или тепла. Проблема здесь состоит в том, что подобные свойства материала могут поддерживаться только при критически низких температурах. Создание таких условий само по себе является затратным мероприятием. Например, для алюминия оптимальный порог сохранения свойства сверхпроводимости находится на отметке термометра в -271,95 градуса по Цельсию.

В чистых металлах или их сложных сплавах, путем охлаждения, атомы находятся в замедленном состоянии. Механически это явление выглядит таким образом, что электроны, двигающиеся через молекулярную решетку металлического вещества, не рассеиваются, но продолжают свое направление, без потери скорости. В некоторых сплавах сверхпроводимость достигается при более высоких температурах, но в них имеются переходные парные взаимодействия электронов. Таким образом, принцип бесконечной электрической цепи поддерживается, только благодаря расходу дополнительной энергии на охлаждение цепи до нужной критической температуры.

Расходы не оправдывают существование и использование подобных систем, так как их работа ограничена требованиями поддержания определенной температуры. Этими условиями объясняется, например, высокая стоимость диагностических аппаратов МРТ, так как для их работы необходимо охлаждение металлических катушек до получения жидкого гелия. В данное время перед учеными стоит задача создания более простых и дешевых способов достижения качеств сверхпроводимости в электрических системах.

В магнитных полях

Сверхпроводники обладают и действуют по принципам квантовой физики, что делает их великолепными диамагнетиками. В таком состоянии, материал под воздействием электрической энергии приобретает собственное магнитное поле. Сверхпроводимость начинает конкурировать с внутренним магнетизмом, так как для этого существуют подходящие условия. Неизвестный ранее механизм побуждает ученых к созданию новых направлений в практическом создании сверхпроводимых устройств. Речь идет о квантовом превращении или Лившиц-переходе, при котором изменяется энергетическая конфигурация электронов в кристаллах.

Гроб Магомета – эффект Мейснера

Эксперимент по изучению поведения магнитного поля вокруг сверхпроводника провели в 1913-м году физики из Германии Мейснер и Оксенфельд. Им удалось установить, что независимо от условий внешней среды, магнитное поле не могло проникнуть внутрь металлического проводника. Достаточно охлажденный материал сверхпроводника неизменно выталкивал намагниченное поле за пределы своего объема. Состояние проводящего металла при этом переходит в состояние диамагнетизма, близкое к идеальному В=0. Полученный и описанный эффект получил название по имени экспериментатора – профессора Мейснера. Вновь открытое явление физики сверхпроводниковых материалов стало их фундаментальным свойством, так как из него следует вывод о существовании нулевого сопротивления. Практически это выглядит, как встреча двух магнитных полей, внешнего и созданного в поверхностном слое проводника. Их энергии суммируются таким образом, что становятся равными нулю. Эффект выталкивания инородного магнитного поля из энергетической области сверхпроводника сопровождается работой, которая компенсируется излишками энергии, получаемой при переходе металлов в состояние сверхпроводимости.

Схема эффекта Мейснера
Схема эффекта Мейснера. Показаны линии магнитного поля и их вытеснение из сверхпроводника, находящегося ниже своей критической температуры

В популярном опыте, названном «Гроб Магомета», теплый сверхпроводник располагают в постоянном магнитном поле, на которое материал никак не реагирует. Затем металл охлаждают до его превращения в сверхпроводящее состояние, используя для этого жидкий азот. Вновь помещенный в магнитное поле, охлажденный сверхпроводник, неожиданно зависает в воздухе, что выглядит волшебством или божественным явлением.

левитация магнита
Левитация магнита над сверхпроводником

Момент Лондона

При сбалансированном вращении сверхпроводника происходит генерация его магнитного поля. Когда оно идеально выровнено с центральной осью вращения, возникает явление магнитного «момента Лондона». Уникальный технический опыт нашел удачное применение на практике. Его впервые использовали в научных исследованиях, проводимых с помощью орбитального спутника «Gravity Probe B». Применив «момент Лондона», удалось определить оси вращения и измерить силу магнитных полей 4-х гироскопов, обладающих сферическими роторами и сверхпроводящими свойствами.

Виды сверхпроводников

В качестве сверхпроводников выступают материалы, обладающие нулевым значением электрического сопротивления. Постоянный электроток проходит через них с возможно максимальной скоростью. Свойства сверхпроводника материалы приобретают, когда их охлаждают до значения температуры ниже критического. Каждый сверхпроводниковый материал обладает собственной точкой температуры, после достижения которой он приобретает ожидаемое нулевое сопротивление.

Для разных веществ существуют собственные особенности превращения в сверхпроводимые материалы. Одни из них могут совершенно не проводить электричество при умеренных температурах. К ним относятся некоторые металлы и их сплавы, органика, газы и керамика. При охлаждении до отметок ниже критических некоторые из них становятся сверхпроводниками. Встречая в измененном состоянии воздействие внешнего магнитного поля, охлажденные предметы могут левитировать, то есть парить в воздухе. В 2017-м году были открыты такие материалы, как гидриды лантана и иттирия, которые приобретают свойства сверхпроводимости при температуре +20 градусов и высоком давлении.

Таким образом, среди сверхпроводников имеются две группы материалов: низко- и высоко-температурные. Разделяющая их граница находится в точке кипения жидкого азота, составляющей -195,75 градусов по Цельсию. При охлаждении низкотемпературных материалов используют гелий в сжиженном состоянии и температуре кипения -269 градусов. Более дешевый и доступный азот применяют для охлаждения высокотемпературных сверхпроводников.

Разделяются сверхпроводимые материалы также по реакции на внешнее воздействие магнитного поля. Первые теряют особые свойства при достижении энергетическим полем определенных значений. Другие обладают сразу двумя критическими точками, что позволяет им отодвигать потерю свойств на некоторое время.

К низкотемпературным сверхпроводникам относятся такие материалы, как титанат стронция, ниобий с оловом или германием, магниевый борид и ферроарсенит гадолиния. Высоко- температурными сплавами являются различные сочетания оксидов стронция, меди, иттербия, висмута, бария и сурьмы. Из железосодержащих сплавов используется селенит этого металла.

Графен

Из всех существующих материалов графен является не только самым тонким, но и наиболее прочным. Толщина этого уникального материала составляет только один атомный слой. В обычном карандашном грифеле может уместиться до нескольких миллионов подобных слоев. Обнаружить уникальный материал в 2010-м году удалось сотрудникам Манчестерского университета А. Гейму и К. Новоселову. Они выделили тонкий слой графита, приклеив к грифелю карандаша обыкновенный скотч. Исключительные свойства материала впоследствии оказались очень полезными при изготовлении медицинских, космических и бытовых предметов. Упругость и редкая прочность графена особенно ценны при создании биоэлектроники. При этом уникальный материал обладает 97%-й прозрачностью. Сверхпроводимые свойства графена, по оценке многих ученых, могут стать основой для очередного глобального технологического скачка.

Свойства графена
Свойства графена

Применение сверхпроводников

Самым большим спросом сверхпроводники пользуются у специалистов энергетической отрасли. Способность передавать электрическую энергию на большие расстояния без значительных потерь является очень важной для производителей и потребителей. В электронно-техническом оборудовании начато использование криодвигателей и магнитных накопительных катушек, выполненных на основе сверхпроводников. Благодаря новым технологиям, разработчики могут заменить железные сердечники магнитных катушек на материалы нового поколения, что значительно повысит КПД генераторов тока и позволит экономить топливные ресурсы. Существующие накопители электрической энергии могли бы обходиться на 3% дешевле, что при общих затратах еще более выгодно. Использование сверхпроводников в компьютерной технике может повысить оперативную скорость в 1000 раз, по сравнению с существующей.

Будущее сверхпроводников

Еще в 80-х годах прошлого столетия стало понятно, что с помощью электромагнитных полей, создаваемых сверхпроводниками, можно значительно повысить точность диагностики многих заболеваний. Японская компания Toshiba начала производить сверхпроводящие магниты в конце прошлого века и продолжает развиваться в данном направлении. Начав с первых аппаратов МРТ, разработчики медицинской техники сегодня создают не только диагностическую, но и лечащую аппаратуру. Сгенерированные лучи мощного магнитного поля пучками направляют на злокачественную опухоль, которая в результате рассасывается. Кроме медицины, использование сверхпроводников дает совершенно новые возможности в таких сферах, как автомобилестроение, энергетика и робототехника.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить