Что такое сверхпроводник в технологии кратко

Обновлено: 03.07.2024

В этой статье речь пойдёт о том, что такое сверхпроводимость.

Сверхпроводимость - это такое состояние материала при котором его сопротивление равняется нулю или максимально к нему приближено.

1. Как достигается сверхпроводимость?

Материал у которого имеется свойство сверхпроводимости помешают в среду с очень низкой температурой (для разных материалов она разная) и сопротивление проводника начинает сильно снижаться практически до нуля.

Если же температуру повысить до критического значения, то сверхпроводимость пропадёт.

График, показывающий, что при низких температурах удельное сопротивление равно нулю, но при росте температуры сверхпроводимость пропадает.

2. Какие сверхпроводники бывают?

Они делятся в основном на два типа: 1 рода и 2 рода.

Сверхпроводники первого рода при достижении критической температуры Т1 сразу теряют свойства сверхпроводимости.
Сверхпроводники второго рода при достижении критической температуры Т1 теряют сверхпроводимость лишь частично, но после достижения температуры выше, то есть Т2 - теряют полностью.

Ещё их можно разделить по температурам, при которых наступает сверхпроводимость.

Бывают низкотемпературные (
высокотемпературные

3. Какие материалы обладают сверхпроводимостью?

Сверхпроводниками могут являться, как чистые химические элементы (свинец или ртуть), сплавы (такие, как NbTi), керамика (например MgB2) и так далее.

4. Применение

В основном самое важное применение сверхпроводников - это передача электрической энергии без потерь.

Ученые создали самый мощный сверхпроводящий магнит постоянного тока

Ученые из Национальной лаборатории высокого магнитного поля (MagLab) при Университете штата Флорида (США) создали самый мощный в мире сверхпроводящий магнит. Устройство диаметром не больше сантиметра и размером не больше ролика для туалетной бумаги (не знаю почему, но создатели проводят именно такую аналогию) способно генерировать рекордную напряженность магнитного поля в 45,5 тесла. Это более чем в 20 раз мощнее магнитов больничных аппаратов магнитно-резонансной томографии. Отмечается, что ранее только импульсные магниты, способные поддерживать магнитное поле в течение доли секунды, достигали более высокой интенсивности.

Чего ждать от науки в 2019 году?

Прогнозировать будущее — непросто. Этому посвящены целые дисциплины. Обученные прогнозисты опираются на данные, выискивают тенденции, наблюдают за поведением людей, пытаясь угадать, что будет дальше. Особенно это касается науки: по своей природе ее неопределенность не позволяет уверенно рассчитывать стрелу развития событий. И мы не можем предсказывать будущее. Но мы прислушиваемся к ученым. Давайте посмотрим, чего ждать от науки в 2019 году.

Сперва об очевидном: запланированные события и эксперименты наверняка приведут к большим открытиям.

Ученые добились сверхпроводимости при рекордно высокой температуре

Еще со школьных уроков физики нам известно, что электрический ток, проходящий по проводнику, сталкивается с сопротивлением. Из-за этого много энергии затрачивается впустую, но в 1911 году ученые заметили странную особенность некоторых материалов, возникающую при низких температурах. Они становятся сверхпроводниками, то есть проводят ток свободно, без какого-либо сопротивления. Из-за работоспособности только на холоде, их невозможно использовать в смартфонах, но кажется скоро они смогут работать даже при комнатной температуре.

Квантовые вычисления обеспечат прорывы в химии. Каким образом?

Ожидается, что квантовые вычисления позволят нам решать вычислительные задачи, которые не могут быть решены существующими классическими методами вычислений. В настоящее время принято считать, что самая первая дисциплина, которая получит мощнейший толчок от квантовых достижений, это квантовая химия. В 1982 году физик-лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман заметил, что симуляция, а затем и анализ молекул — настолько сложное дело для цифрового компьютера, что он становится практически бесполезен для этих дел.

Соединение лантана и водорода побило рекорд сверхпроводимости

Сверхпроводники набирают обороты, и рекордсмен может быть повергнут в любой момент. Появилось сразу два исследования на тему сверхпроводимости — передачи электричества без сопротивления — при температурах, которые выше, чем наблюдали прежде. Эффект проявился в соединениях лантана и водорода, сжатых при высочайшем давлении.

Насколько сложно покорить квантовую природу вещества?

Мэтт Трушейм включает рубильник в темной лаборатории, и мощный зеленый лазер подсвечивает крошечный алмаз, удерживаемый на месте под объективом микроскопа. На экране компьютера появляется изображение, диффузное газовое облако, усеянное яркими зелеными точками. Эти светящиеся точки — крошечные дефекты внутри алмаза, в которых два атома углерода заменены одним атомом олова. Свет лазера, проходя через них, переходит из одного оттенка зеленого в другой.

Сверхпроводники, работающие при комнатной температуре.

Сверхпроводники можно назвать одними из самых интересных и удивительных материалов в природе. Не поддающиеся логическому обсуждению квантово-механические эффекты приводят к тому, что у сверхпроводников ниже критической температуры совершенно исчезает электрическое сопротивление. Одного этого свойства достаточно, чтобы зажечь воображение. Ток, который может течь постоянно, не теряя никакой энергии, означает передачу энергии практически без потери в кабелях. Когда возобновляемые источники энергии начнут доминировать в сети и высоковольтные передачи через континенты станут непрерывными, кабели без потерь приведут к значительной экономии.

Как работает молот Тора? Спойлер: как кешбэк

Ученые открыли новое квантовое состояние материи

10 невероятных последствий развития квантовых технологий

Сверхпроводимость – открытие с незавидной судьбой по сравнению с другими научными прорывами XX века. Результаты последних быстро нашли путь из теоретической в прикладную науку, а затем – в повседневную жизнь. Сверхпроводимость же постоянно требует от учёных достигать и преодолевать какие-то пределы: температурные, химические, материальные. И даже спустя более чем 100 лет после открытия этого явления, мы все ещё боремся с теми же преградами, которые стояли перед учёными в начале прошлого века. Мы — это и Toshiba тоже, и нам есть что рассказать о нашем вкладе в изучение и приручение сверхпроводимости.

Что такое сверхпроводимость и как мы о ней узнали?

Голландский физик Хейке Каммерлинг-Оннес в 1911 году об этом явлении ещё не знал, хотя уже был в курсе, что электрическое сопротивление металла снижается при охлаждении. Чтобы проверить, как далеко можно зайти в играх с холодом, металлом и электричеством, голландец использовал ртуть. Именно этот металл в те времена подвергался лучшей очистке от примесей, мешающих движению электронов.

Эффект Мейснера: мог ли летать гроб пророка

В средневековой Европе был распространен такой миф: в Мекке, в одном из дворцов парит в воздухе железный (по другим представлениям — медный) гроб с телом пророка Мухаммеда, не поддерживаемый ничем, кроме мощных магнитов. Паломники со всего исламского мира приходят туда, чтобы увидеть это зрелище, и в религиозном экстазе выкалывают себе глаза, потому что верят, будто ничего чудеснее в жизни уже не увидят.

Паломник пал на колени перед левитирующим гробом на фрагменте Каталонского атласа XIV века. Источник: Wikimedia Commons

В действительности погребён пророк был не в Мекке, а в Медине; гроб был сделан из дерева, хотя и богато украшен; никаких магнитов тоже замечено не было, что было проверено в XIX веке. Тогда же было доказано, что ферромагнитное тело в поле постоянных магнитов не может сохранять устойчивое равновесие.

Тем не менее, если бы средневековые хронисты пережили выдуманный миф на один век, то они могли бы получить в распоряжение мощный козырь. В 1933 году немецкие физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд решили проверить, как распределяется магнитное поле вокруг сверхпроводника. И вновь было сделано неожиданное открытие: сверхпроводник, охлажденный до критической температуры, вытолкнул из своего объема внешнее постоянное магнитное поле. Как выяснилось, проходящие через сверхпроводник токи создают своё магнитное поле в тонком поверхностном слое вещества. В сверхпроводящем состоянии сила этого поля равна действующему на него внешнему магнитному полю.

Если бы гроб пророка был создан из магнитов и помещён в пещеру, состоящую из охлажденных до критических температур сверхпроводников, то, возможно, он действительно парил бы в воздухе, как это описывали средневековые европейцы. Во всяком случае, в небольших масштабах и с менее сакральными участниками такой эксперимент уже много раз проводился.

Вот так мог левитировать гроб пророка, если бы при его погребении были учтены все условия эффекта Мейснера. Источник: YouTube-канал Empiric School

Открытие эффекта Мейснера также помогло нам понять, что не все сверхпроводники одинаковы. Помимо немногочисленных чистых металлов, сверхпроводимость возникает и у сплавов. Однако если у чистых веществ эффект Мейснера проявляется полностью (сверхпроводники I рода), то у сплавов — частично, ведь они не однородны (сверхпроводники II рода). В них магнитное поле выталкивается не полностью, а заполняет пространство вдоль идущих через проводник сверхтоков. Именно с их открытия началось практическое применение сверхпроводников в виде магнитов.

Тесла бы гордился: как Toshiba создала самый мощный в мире сверхпроводящий магнит

В погоне за снижением критической температуры к 1960-м годам человечество открыло много сверхпроводников второго вида, которые уже можно было использовать в промышленных целях и масштабах. Первой логичной задачей на этом пути стало создание сверхпроводящих магнитов, которые должны были заменить изобретенные еще в XIX веке электромагниты, основанные на использовании обычных металлов.

Сверхпроводящий магнит позволял создавать гораздо более устойчивые и мощные поля при более эффективном использовании электричества. В 1962 году были разработаны первые сверхпроводящие провода из ниобия и титана, и в том же году был создан первый крупный сверхпроводящий магнит. Его сконструировали специалисты General Electric. Мощность генерируемых им полей достигала 10 тесла. Для сравнения: большинство больничных магнитно-резонансных томографов сегодня генерируют поле с индукцией от 1 до 10 Тл.

Правда, несмотря на очевидный научно-технический успех, первый сверхпроводящий электромагнит оказался совершенно убыточным. Вместо предусмотренных контрактом с Bell Laboratories 75 тыс. долл., детище General Electric обошлось в 200 тыс. долл. Тем не менее, в гонку за индуктивностью полей в 1970-е гг. вступили многие инновационные компании, в том числе и Toshiba.

Основной задачей тогда было понять, насколько сильное поле может создать сверхпроводящий магнит, потому что чем выше эта величина, тем быстрее теряется сверхпроводимость. Именно тогда Toshiba совместно с Университетом Тохоку создала новый мощнейший в мире на тот момент сверхпроводящий магнит. Он генерировал поле с индукцией 12 Тл. В университете Тохоку его использовали в материаловедении.

В 1983 году инженеры Toshiba на базе своей прежней разработки создали гибридный электромагнит: обычный резистивный электромагнит был помещён внутрь сверхпроводящего магнита, и скрещивание их полей дало индукцию величиной 31 Тл в 1986 году.

Лучи добра: как сверхпроводники Тошибы помогают лечить онкологические заболевания

В 1980-е стало ясно, что магнитно-резонансная томография, использующая электромагнитные поля сверхпроводников, может давать намного более четкую диагностику, чем недавно разработанная технология компьютерной томографии и более старые рентгеновские лучи. Это осознали и в Toshiba. С тех пор компания стала поставщиком сверхпроводящих магнитов производителям медицинского оборудования и остаётся им до сегодняшнего дня.

Один из первых сверхпроводниковых магнитов Toshiba, разработанный для аппаратов МРТ. Источник: Toshiba

Однако современные медицинские установки становятся гибридными: они не только диагностируют, но и лечат, как, к примеру, аппараты терапии с использованием тяжелых частиц.

Их суть в том, что они генерируют лучи с ускоренным движением тяжелых частиц, которые направляются на опухоли в человеческом теле. Чтобы точно направлять пучки таких частиц, необходимо мощное магнитное поле. Раньше такие машины уже использовались, но они не могли контролировать путь генерируемых частиц, из-за чего пациентам постоянно приходилось менять положение, чтобы подставлять пораженные участки тела под излучение, что непросто для больных онкологическими заболеваниями.

Тогда инженеры Toshiba внедрили в гентри — подвижную кольцевую часть излучателя, похожую на портал, — сверхпроводящие магниты, которые были способны быстро менять силу магнитных полей. Это позволило более прицельно направлять лучи, а движение гентри позволило пациентам сохранять покой во время терапии.

Аппарат терапии тяжелыми частицами. Во вращающемся гентри — сверхпроводниковый электромагнит Toshiba. Источник: Toshiba

Что в будущем: топ-3 перспективных применений сверхпроводников

Помимо медицины, сверхпроводники сегодня используются в науке, энергетике, транспорте. Каковы их перспективы в ближайшем будущем?

Провода на высокотемпературных сверхпроводниках

С самых первых лет открытия сверхпроводимости человечество задумывалось о том, как передавать ток с помощью сверхпроводников. Обычные воздушные высоковольтные линии занимают много пространства, а также теряют 6-10% передаваемой энергии.

Сначала не подходили, собственно, сверхпроводящие металлы, чьи химические свойства не позволяли сделать из них провода. Затем с открытием сверхпроводников II рода встал вопрос об их охлаждении, для которого требовался дорогой гелий. Только в 1986 году была открыта высокотемпературная сверхпроводимость, то есть были найдены сверхпроводники с критической температурой выше 30 кельвинов. Это позволило использовать для охлаждения более дешёвый азот, однако теперь встал вопрос о том, как поддерживать высокопроводящее состояние, то есть низкую (высокую) температуру на очень больших отрезках.

Сейчас в России, Китае, Японии, Южной Корее, Европе и США есть проекты по созданию сверхпроводящих кабелей длиной от одного до десяти километров. Успеха добились российские инженеры — в прошлом году завершились испытания самой протяженной сверхпроводящей кабельной линии постоянного тока. Опытный образец на основе сверхпроводника Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x длиной 2,5 км с критической температурой –165 °С планируется ввести в эксплуатацию в 2020 году соединит две подстанции в Санкт-Петербурге.

Суть технологии проста: состав удерживается над дорожным полотном силой электромагнитного поля. Она же толкает состав вперед — включение одинаковых по полюсам магнитов отталкивает состав от дороги, а разных — притягивает. Быстрое попеременное включение таких магнитов создает постоянный зазор между полотном со сверхпроводящими электромагнитами и поездом. Благодаря отсутствию трения маглевы способны разгоняться до 500-600 км/ч.

Однако несмотря на относительную простоту технологии, она не получила широкого распространения. Дело в том, что она слишком дорогая. Скажем, шанхайский маглев-аэроэкспресс (в коммерческой эксплуатации с 2004-го года) приносит ежегодный убыток в 93 млн долл.

Поэтому более перспективным применение электромагнитных полей сверхпроводников может быть в дорогостоящих космических проектах. Тот же принцип магнитной левитации предполагается использовать для вывода в космос грузовых кораблей. К примеру, разработчики проекта Startram (ориентировочная стоимость 20 млрд долл.), заявляют, что снизят стоимость отправки одного килограмма космических грузов до 40 долл., построив разгонный туннель, направленный на околоземную орбиту (против нынешних 2500 долл. у SpaceX на Falcon-9).

Разгонный тоннель в проекте Startram. Источник: Сайт проекта Startram

Термоядерные реакторы

Еще одна перспективная область применения сверхпроводниковых магнитов — термоядерные реакторы. Они нужны для создания так называемой магнитной ловушки, для удержания вырабатываемой реактором плазмы. Заряженные частицы вращаются вокруг силовых линий магнитного поля. По сути, намагниченная плазма становится диамагнетиком, который стремится покинуть магнитное поле. Соответственно, если окружить плазму сверхпроводниковыми магнитами, генерирующими мощные поля, плазма будет удерживаться в заданном объеме и не сможет разрушить стенки реактора.

Когда же потеплеет?

Несмотря на более чем вековую историю сверхпроводимости главная мечта всех физиков и инженеров — комнатная температура сверхпроводимости, которая позволит использовать сверхпроводники максимально широко в быту, — пока не достигнута. Последний рекорд в этой области поставлен совсем недавно, в мае 2019 года: международная группа учёных экспериментировала с экзотическим соединением — гидридом лантана (LaH10). Получить этот материал очень сложно. Для этого нужна высокая температура и большое давление, отчего вырабатываемые образцы гидрида лантана микроскопически малы. Тем не менее, ученым удалось проверить, как этот материал взаимодействует с магнитным полем. При температуре –23 °С он вытолкнул магнитное поле, чем доказал свою сверхпроводимость. Пока что это самый теплый сверхпроводник, который мы знаем. Однако работа по поиску более тёплых сверхпроводников не останавливается, она продолжается. И как только будут достигнуты новые успехи в этой сфере, мы сразу сообщим.

Сверхпроводник — материал, который при определенных условиях приобретает сверхпроводящие свойства. Это достигается понижением температуры до T_c, при которой сопротивление материала понижается до нуля. В настоящее время проводятся исследования в области сверхпроводимости для того, чтобы повысить температуру перехода в сверхпроводящее состояние до комнатной.

Содержание

История

В 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии её сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4,2 К резко падает до нуля.

Сверхпроводник наименьшего размера был создан в 2010 году на основе органического сверхпроводника (BETS)₂GaCl₄ [1] [2] , где аббревиатура BETS означает бисэтилендитиотетраселенафульвален. Созданный сверхпроводник состоит всего из четырёх пар молекул этого вещества при общей длине образца порядка 3,76 нм.

Свойства сверхпроводников

Фазовый переход в сверхпроводящее состояние

Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Однако, это изменение зависит от рода рассматриваемых сверхпроводников. Так, для сверхпроводников Ι рода в отсутствие магнитного поля теплота перехода (поглощения или выделения) из сверхпроводящего состояния в обычное равна нулю, а следовательно терпит скачок теплоёмкость, что характерно для фазового перехода ΙΙ рода.

Эффект Мейснера

Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейсснера, заключающийся в выталкивании сверхпроводником магнитного потока . Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.

Таблица сверхпроводников

Ниже представлена таблица, в которой перечислены некоторые сверхпроводники и характерные значения критической температуры и предельного магнитного поля для них.

Название материала	Критическая температура , К	Критическое поле , Тл	Год опубликования обнаружения сверхпроводимости
Сверхпроводники I рода
Pb (свинец)	7,26 [3]	0,08 [4]	1913 [3]
Sn (олово)	3,69 [3]	0,031 [4]	1913 [3]
Ta (тантал)	4,38 [3]	0,083 [4]	1928 [3]
Al (алюминий)	1,18 [3]	0,01 [4]	1933 [3]
Zn (цинк)	0,88 [4]	0,0053 [4]
W (вольфрам)	0,01 [4]	0,0001 [4]
Nb (ниобий)	9,20 [3]	0,4 [4]	1930 [3]
Сверхпроводники 1.5 рода
Ведутся поиски по теоретической модели [5]
Сверхпроводники II рода
V₃Ga	14,5 [4]	>35 [4]
Nb₃Sn	18,0 [4]	>25 [4]
(Nb₃Al)₄Ge	20,0 [4]
Nb₃Ge	23 [4]
GeTe	0,17 [4]	0,013 [4]
SrTiO₃	0,2—0,4 [4]	>60 [4]
MgB₂	39	?	2001

См. также

Примечания

Сверхпроводимость
Коллективные явления в конденсированных средах
Агрегатные состояния
Материалы

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Сверхпроводник" в других словарях:

сверхпроводник — сверхпроводник … Орфографический словарь-справочник

сверхпроводник — гиперпроводник Словарь русских синонимов. сверхпроводник сущ., кол во синонимов: 1 • гиперпроводник (1) Словарь синонимов ASIS … Словарь синонимов

Сверхпроводник — вещество, основным свойством которого является способность при определенных условиях быть в состоянии сверхпроводимости. Источник: ЭЛЕКТРОТЕХНИКА . ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ. ГОСТ Р 52002 2003 (утв. Постановлением Госстандарта РФ… … Официальная терминология

сверхпроводник — Вещество, основным свойством которого является способность при определенных условиях быть в состоянии сверхпроводимости. [ГОСТ Р 52002 2003] Тематики электротехника, основные понятия … Справочник технического переводчика

Сверхпроводник — 5. Сверхпроводник По ГОСТ 19880 74* Источник: ГОСТ 22265 76: Материалы проводниковые. Термины и определения оригинал документа … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Сверхпроводник — [superconductor] вещество, у которого при охлаждении ниже определенной критической температуры электрического сопротивление падает до нуля, т.е. наблюдается сверхпроводимость. По магнитным свойствам сверхпроводники подразделяются на две группы:… … Энциклопедический словарь по металлургии

сверхпроводник — сверхпроводниковый материал; сверхпроводник Материал, обладающий способностью при достаточно глубоком охлаждении переходить в состояние сверхпроводимости … Политехнический терминологический толковый словарь

сверхпроводник — Superconductor Сверхпроводник Вещество, у которого при охлаждении ниже определённой критической температуры электрическое сопротивление падает до нуля, т. е. наблюдается сверхпроводимость. За исключением Cu, Ag, Au, Pt, щелочных,… … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.

сверхпроводник — superlaidininkas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Apibrėžtį žr. priede. priedas( ai) Grafinis formatas atitikmenys: angl. superconductor vok. Überleiter, m; Superleiter, m; Supraleiter, m rus. сверхпроводник, m pranc.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

сверхпроводник — superlaidininkas statusas T sritis chemija apibrėžtis Medžiaga, kuri atšaldyta žemiau krizinės temperatūros įgyja nykstamai mažą varžą. atitikmenys: angl. superconductor rus. сверхпроводник … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Сверхпроводимость — это явление, при котором электрическое сопротивление твердого тела падает до нуля, а магнитное поле выталкивается из его внутренней части.

Сверхпроводимость — это захватывающее электрическое явление и большая надежда для многих отраслей техники. Оказывается, что при низких температурах сопротивление некоторых материалов внезапно падает до нуля. Этот эффект известен уже более 100 лет, но его механизм до сих пор скрывает тайны. Хотя это явление чисто квантовое, вы можете понять (очень приблизительно), что это такое.

Протекание электрического тока через различные материалы сопровождается возникновением электрического сопротивления. Это происходит из-за взаимодействия электронов с атомами или молекулами кристаллической решетки проводника.

Оказывается, однако, что некоторые материалы при очень низких температурах могут переходить в состояние, в котором они вообще не имеют электрического сопротивления. Это явление, называемое сверхпроводимостью, было открыто в 1911 году голландским физиком Хейке Камерлинг Оннесом (рис. 1.). Материал, в котором происходит это явление, называется сверхпроводником.

Рис. 1. Портрет Хайке Камерлинг Оннес. Голландский физик, получивший награду за изучение свойств веществ при самых низких температурах и сжижение гелия

В большинстве случаев сверхпроводники, помимо того, что имеют нулевое электрическое сопротивление, также являются идеальными диамагнетиками. Внешнее магнитное поле уравновешивается электрическими токами, протекающими по поверхности, и в результате полное магнитное поле внутри сверхпроводника равно нулю. Это выглядит так, как будто линии магнитного поля выталкиваются из сверхпроводника (см. рис. 2). Это явление называется эффектом Мейснера. Однако существуют сверхпроводники, для которых магнитное поле при определенных условиях проникает в сверхпроводник и создает смешанное состояние.

Рис. 2. Графическое представление эффекта Мейсснера, т.е. явления выброса магнитного поля изнутри сверхпроводника

Для справки. Эффект Мейснера ( от англ. Meissner effect ) — это исчезновение магнитного поля (выброс магнитного поля) в сверхпроводнике, когда он переходит в сверхпроводящее состояние. Это явление было открыто в 1933 году Вальтером Майснером и Робертом Оксенфельдом. Это явление является основой для определения того, является ли данный проводник с нулевым электрическим сопротивлением сверхпроводником.
[1]

Силы, вызванные поверхностными электрическими токами, могут удерживать сверхпроводник над или под магнитом, т.е. в состоянии левитации. Технически проще заставить магнит левитировать над сверхпроводником, как показано на рисунке (рис. 3.).

Рис. 3. Магнит, левитирующий над сверхпроводником. Источник, CC BY-SA 3.0

Подводя итог обсуждению, мы можем дать определение сверхпроводимости.

Сверхпроводимость — это явление, при котором электрическое сопротивление твердого тела падает до нуля, а магнитное поле выталкивается из его внутренней части.

Откуда мы знаем, что электрическое сопротивление сверхпроводника равно нулю? Когда в сверхпроводнике индуцируется вихревой электрический ток, его интенсивность не меняется в течение многих лет, что мы и наблюдаем в физических лабораториях.

Проблема использования сверхпроводимости на практике заключается в том, что это явление возникает при очень низких температурах, обычно ниже -234 o C. Однако исследовательские группы работают над получением этого эффекта при комнатной температуре. Нетрудно представить, как изменился бы наш мир, если бы мы могли использовать электричество без каких-либо потерь энергии.

Температура, при которой появляется сверхпроводимость для данного проводящего вещества, называется критической температурой (T_c). Эти температуры настолько низки, что их трудно достичь, а содержание тел в таких условиях в любом случае очень дорого. Необходимо использовать специальное охлаждение, например, жидким азотом, жидким гелием и т.д. В 20 веке были найдены вещества, для которых критические температуры в среднем намного выше, чем те же температуры для металлов (так называемые керамические агломераты), но даже в этом случае температуры настолько низки, что их поддержание требует больших затрат.

На момент написания статьи рекордно высокая температура сверхпроводимости составляет всего — 23 o C. Это было достигнуто для гидрида лантана. Для его создания — лантан и водород были помещены в камеру и подвергнуты давлению, превышающему атмосферное на 1,7 миллиона (источник [2]).

Материалы, из которых может быть изготовлен сверхпроводник, разнообразны. Это и элементы, и сплавы, органические и неорганические химические соединения. Бывает, что сверхпроводящий материал при температуре выше критической является изолятором.

Явление сверхпроводимости невозможно объяснить на основе классической физики. Это квантовый эффект. Долгое время этому явлению не было убедительного объяснения. Первая теория, описывающая микроскопический механизм эффекта, была разработана в 1957 году. Его авторы — Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер — были удостоены Нобелевской премии в 1972 году.

В двух словах, эта теория основана на постулате, что: в сверхпроводящем состоянии электрический ток переносится парами электронов с противоположно направленными спинами.

Одиночные электроны являются фермионами (т.е. частицами со спином, равным ½) и не могут занимать одинаковые энергетические состояния. Однако пара электронов уже является бозоном (частицей с полным спином, в данном случае 0), а на бозоны этот запрет не распространяется. Все они могут занимать самый низкий квантовый уровень энергии и не участвовать в процессе диссипации энергии из-за взаимодействия с кристаллической решеткой. Электроны взаимодействуют с кристаллической решеткой, образуя пару, поэтому это происходит только при низких температурах, когда колебания атомов в решетке не мешают этому взаимодействию.

Читайте также: