Сверхпроводимость. Физика

В наше время исполняется сто лет со дня открытия явления сверхпроводимости. Однажды в 1911 г. голландский физик Х.Камерлинг-Оннес исследовал поведение ртути при низких температурах и обнаружил, что её электрическое сопротивление при очень низких температурах становится равным нулю, то есть электрический ток течёт без потерь. При температуре, близкой к абсолютному нулю, 4 К, ртуть скачком теряла сопротивление. Это противоречило установившимся тогда представлениям: при понижении температуры электрическое сопротивление, вначале падая, затем должно было расти.
Известно, что электрический ток в твёрдых телах – это поток электронов: кусок металла представляет собой как бы сосуд, в котором находится «газ» из тех электронов, которые «оторвались» от своих атомов. В диэлектриках электроны остаются «привязанными» к своим атомам и поэтому являются электроизоляторами. Но и в металлах электроны движутся не вполне свободно. Когда к проводнику прикладывают напряжение, в кристалле возникает электрическое поле, заставляющее электроны двигаться в сторону положительного электрода. Ионы в узлах кристаллической решётки колеблются возле положения равновесия (эти тепловые колебания тем сильнее, чем выше температура). Электроны при движении сталкиваются с ионами, теряя энергию, котрая превращается в тепло. Так возникает электрическое сопротивление и происходит нагрев проводника.

При сверхпроводимости сопротивление исчезает, становится равным нулю. Это означает, что движение электронов становится беспрепятственным, и не происходит образование тепловой энергии. Сверхпроводимость всегда возникает «скачком» при понижении температуры. Различают низкотемпературную, высокотемпературную и комнатную сверхпроводимости, соответствующие температурам до 30 К, выше 77 К (температура жидкого азота) и 293 К (комнатная температура). Хотя сверхпроводимость была открыта почти сто лет назад, только спустя 46 лет появилось существующее и по сей день объяснение явления на микроскопическом уровне. В 1957 году американские физики Бардин, Купер и Шриффер объяснили сверхпроводимость спариванием электронов – образованием так называемых «куперовских пар», которое осуществляется путём обмена колебаниями кристаллической ячейки.
Явление сверхпроводимости в настоящее время хорошо изучено, однако его природа до сих пор представляется таинственной. Науке ещё не известно, почему одни металлы являются сверхпроводниками, другие – нет, от чего зависит температура наступления сверхпроводящего состояния для различных веществ, как избежать «разрушения» сверхпроводимости сильными магнитными полями и токами и т.д.

Практический смысл сверхпроводимости заключается в возможности создать линию электропередач, обеспечивающую передачу тока без потерь. Сегодня до 10% мировой электроэнергии теряется только из-за сопротивления проводов высоковольтных линий электропередач, не считая прочих линий. Очень заманчиво не тратить энергию на потери в проводах! Ещё одно возможное применение сверхпроводников – в мощных генераторах тока и электродвигателях малых размеров. Обмотки из сверхпроводящих материалов могли бы создавать огромные магнитные поля в генераторах и электродвигателях, благодаря чему они были бы значительно более мощными.

Инженеры давно уже задумывались о том, как можно было бы использовать огромные магнитные поля, создаваемые с помощью сверхпроводников, для магнитной подвески поезда (движения не по рельсам, а над рельсами). За счёт сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в рельсе, поезд двигался бы плавно, без шума и трения и был бы способен развивать большие скорости. Экспериментальные поезда на магнитной подвеске достигли скоростей, близких к 300 км/ч. Таким образом, в недалёком будущем сверхпроводимость при «комнатных» температурах станет одной из основных составляющих технического прогресса во многих секторах экономики и будет играть важную роль в нашей повседневной жизни.
Блинова Марина Валерьевна (Нижегородская область, г.Сергач)