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
Порядок по-белорусски: как Лукашенко прополол электоральное поле Порядок по-белорусски: как Лукашенко прополол электоральное поле

Главные оппоненты Лукашенко не были зарегистрированы кандидатами в президенты

Forbes
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
Фильмы про мистику на основе реальных событий: 15 загадочных картин Фильмы про мистику на основе реальных событий: 15 загадочных картин

Истина где-то рядом?

Playboy
Всем знакомо выражение «до свадьбы заживет». Но вы даже не догадываетесь, у кого, а главное что должно было зажить Всем знакомо выражение «до свадьбы заживет». Но вы даже не догадываетесь, у кого, а главное что должно было зажить

А вы знаете, что у кого должно было зажить и до чьей свадьбы?

ТехИнсайдер
Да здравствует королева! 6 ярких дрэг-квин, чьему стилю можно позавидовать Да здравствует королева! 6 ярких дрэг-квин, чьему стилю можно позавидовать

Еще каких-то 10 лет назад дрэг-квин были редкими гостями на телевидении

Cosmopolitan
30 способов перезапустить свое тело 30 способов перезапустить свое тело

Полное руководство по тому, как выжать максимум из человеческого организма

kiozk originals
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
Из Еревана — в Калифорнию: чем приложение PicsArt Ованнеса Авояна покорило мир Из Еревана — в Калифорнию: чем приложение PicsArt Ованнеса Авояна покорило мир

Ованнес Авоян о креативности, AI и недоверчивых инвесторах из Кремниевой долины

РБК
Хвостатая наука: 9 странных привычек собак и кошек Хвостатая наука: 9 странных привычек собак и кошек

Почему собаки виляют хвостом, а кошки боятся воды

Популярная механика
Чем знаменит главный рекордсмен Книги рекордов Гиннесса Чем знаменит главный рекордсмен Книги рекордов Гиннесса

Ашрите (Киту) Фурману принадлежит рекорд по количеству действующих рекордов

Esquire
Краш бест! 8 зрелищных аварий со всего света Краш бест! 8 зрелищных аварий со всего света

Аварии любят все, кроме тех, кто в них попадает

Maxim
6 ошибок в выборе кроссовок, которые ты совершаешь — как их избежать? 6 ошибок в выборе кроссовок, которые ты совершаешь — как их избежать?

Далеко не во всех кроссовках ты будешь чувствовать себя комфортно

Cosmopolitan
Испанский красный Испанский красный

Дизайнер Хайме Берьестайн оформил квартиру в Барселоне для американской семьи

AD
Парься меньше, живи больше: почему пофигизм стал религией посткризисной эпохи Парься меньше, живи больше: почему пофигизм стал религией посткризисной эпохи

Какую философию продают авторы незамысловатых трактатов о лучшей жизни?

Forbes
«Защищая Джейкоба»: Капитан Америка против всех «Защищая Джейкоба»: Капитан Америка против всех

Каково это — подозревать своего ребенка в самом страшном

Psychologies
Как быстро заснуть и не чувствовать себя разбито на следующий день: 9 верных советов Как быстро заснуть и не чувствовать себя разбито на следующий день: 9 верных советов

Наверняка тебе знакомо это состояние двухчасового рассматривания потолка

Playboy
Должен ли взрослый ребенок давать деньги в семью? Должен ли взрослый ребенок давать деньги в семью?

Считаете ли вы, что ребенок должен вносить вклад в семейный бюджет?

Psychologies
Зомби на дне: что превращает обитателей океана в «живых мертвецов» Зомби на дне: что превращает обитателей океана в «живых мертвецов»

Среди морских звезд распространяется убийственная эпидемия

Популярная механика
Очки в твою пользу Очки в твою пользу

Учимся правильно подбирать очки

Лиза
Внутренний мир Внутренний мир

Закрытые границы — лучший повод сменить обстановку

Vogue
Пол Маккартни о создании песни Beautiful Night: «Годы – это чертовски эмоциональная штука» Пол Маккартни о создании песни Beautiful Night: «Годы – это чертовски эмоциональная штука»

Легендарный певец рассказывает о треке из альбома Flaming Pie

GQ
«Не борюсь с сединой»: почему это встречает сопротивление окружающих? «Не борюсь с сединой»: почему это встречает сопротивление окружающих?

Наша героиня, решившая больше не скрывать седину, рассказывает о своем опыте

Psychologies
Крысы оказались подвержены эффекту свидетеля Крысы оказались подвержены эффекту свидетеля

В присутствии наблюдателей животные не склонны помогать попавшим в беду

N+1
Только между нами Только между нами

О женской дружбе редко услышишь что-то хорошее

Cosmopolitan
Кето-диета: меню на неделю, плюсы/минусы и результаты диеты Кето-диета: меню на неделю, плюсы/минусы и результаты диеты

Кето-диета стала чрезвычайно популярной за последние несколько лет

Cosmopolitan
Динозавры в городе! Динозавры в городе!

Как повели бы себя древние рептилии, оказавшись посреди мегаполиса

N+1
Нейрофизиолог, которая верила в магию мозга: чем известна Наталья Бехтерева Нейрофизиолог, которая верила в магию мозга: чем известна Наталья Бехтерева

Вспоминаем биографию советского и российского нейрофизиолога Натальи Бехтеревой

Esquire
Ветер в руках Ветер в руках

Самый модный вид спорта этого лета — вингфойлинг, или вингсерфинг

Популярная механика
Луч надежды: к очередной годовщине нераскрытого убийства главного редактора российского Forbes Пола Хлебникова Луч надежды: к очередной годовщине нераскрытого убийства главного редактора российского Forbes Пола Хлебникова

Попытки узнать правду об убийстве Пола Хлебникова обречены на провал

Forbes
Открыть в приложении