Сверхпроводимость металлов наблюдается при
Обновлено: 02.07.2024
1. Электрическое сопротивление металлов. Квантовая теория электропроводности металлов сводится к следующему:
а. В идеальной кристаллической решетке электроны проводимости при своем движении не должны испытывать сопротивления. Сопротивление возникает тогда, когда в решетке появляются дефекты структуры, то есть нарушается периодичность решетки.
б. В реальных кристаллах есть два механизма нарушения структуры: примесный и тепловой. Соответственно различают примесное удельное сопротивление rn и тепловое (колебательное) rТ. Согласно правилу аддитивности сопротивлений полное сопротивление металла r равно их сумме, r = rn + rТ. (13.1)
в. Примесное сопротивление rn обусловлено наличием инородных атомов в решетке (атомов примеси). Если металл достаточно чистый и концентрация атомов примеси невелика, то примесное сопротивление практически не зависит от температуры и становиться заметным лишь вблизи абсолютного нуля. Благодаря примеси удельное сопротивление металла не должно обращаться в нуль даже при Т = 0 К.
г. Тепловое сопротивление rТ возникает благодаря рассеянию электронов проводимости на флуктуациях плотности узлов кристаллической решетки, возникающих при тепловом колебательном движении узлов. В квантовой теории тепловое колебательное движение атомов решетки трактуется как система стоячих звуковых волн в кристалле - фононов. Поэтому говорят о рассеянии электронов проводимости на фононах.
В отличие от классической теории электропроводности металлов Друде - Лоренца, прогнозирующей зависимость сопротивления от температуры вида r ~ , квантовая теория дает правильный прогноз линейной зависимости r ~Т. При температурах металла Т ³ 50 К r = r0aТ, что соответствует эмпирической формуле r = r0(1 + a t). В квантовой теории получается, что при Т ® 0 полное удельное сопротивление металла r должно стремиться к примесному rn. На рис.90 показана опытная зависимость удельного сопротивления чистого натрия от температуры.
При Т ® 0 К r ® rn = 4·10 -11 Ом·м, что составляет примерно 0,4% от сопротивления при Т = 273 К. Уже при температурах Т ³ 20 К зависимость r(Т) становится практически линейной.
д. Электрический ток толкуется в квантовой теории как дрейф электронов в периодическом поле кристалла. Этот дрейф происходит под действием постоянной электрической силы еЕ, где Е- напряженность электрического поля, создающего ток. Оказалось, что скорость дрейфа электронов зависит от глубины их положения в зоне проводимости. Эта зависимость выражается через эффективную массу mэф электрона. В отличие от массы покоя mе свободного электрона эффективная масса электрона в зоне проводимости металла – величина переменная, зависящая от ширины зоны.
Вблизи дна зоны эффективная масса электронов положительна. Направление дрейфа соответствует вектору плотности тока. По мере подъема к верхней границе зоны эффективная масса принимает бесконечно большое значение mэф = ¥, а затем становится отрицательной. Соответственно и скорость дрейфа электронов, имея “правильное” направление у дна зоны, постепенно проходит через нуль и принимает отрицательные (“неправильные”) значения у верхней границы зоны.
Соотношения, полученные в приближении свободных электронов в теории Друде – Лоренца, оказываются справедливыми для электронов, движущихся в периодическом поле решетки, если в них заменить массу покоя электрона mе на эффективную mэф.
2. Сверхпроводимость. В 1911 году Камерлинг – Оннес, измеряя сопротивление ртути в области низких температур, обнаружил, что при Т = 4,2 К сопротивление ртути практически падало до нуля. Это явление стали называть сверхпроводимостью. На рис.91 показаны опытные кривые зависимости удельного сопротивления некоторых чистых металлов от температуры вблизи абсолютного нуля. Очевидно, что явление не сводится к нормальному падению удельного сопротивления бездефектного кристалла, когда rn = 0, и rТ . Переход в сверхпроводящее состояние происходит не плавно, а скачкообразно при некоторой температуре Ткр, которую называют критической температурой перехода. Сейчас известно около 30 сверхпроводящих химических элементов и свыше 500 сверхпроводящих материалов.
3. Эффекты сверхпроводимости.
а. Электрический ток, возбужденный в сверхпроводящем кольце, может циркулировать в нем годами.
б. ЭффектМейснера. В 1933 году Вальтер Мейсснер и Р. Оксенфельд обнаружили, что вещество, помещенное в магнитное поле (рис.92 слева), при переходе в сверхпроводящее состояние не замораживает находящееся в нем магнитное поле, как это должно было быть при простом переходе вещества в состояние с нулевым сопротивлением, а выталкивает его из своего объема (рис. 92 справа). Это присуще идеальным диамагнетикам с нулевой магнитной проницаемостью m = 0.
Из того, что магнитное поле не проникает в сверхпроводник, следует, что электрический ток может течь лишь по поверхности сверхпроводника. Ведь если бы ток мог протекать в толще сверхпроводника, то вокруг него в толще сверхпроводника было бы магнитное поле. И действительно, опыт показывает, что электрический ток течет в сверхпроводнике в поверхностном слое толщиной l = 10 ¸ 100 нм. На эту глубину в сверхпроводник проникает и магнитное поле, убывая с расстоянием x от поверхности по экспоненциальному закону
В = В0exp(-xçl). (13.2)
Вещество в сверхпроводящем состоянии приобретает два не связанных друг с другом фундаментальных свойства: идеальную проводимость и идеальный диамагнетизм.
Эффект Мейснера позволяет устойчиво подвешивать сверхпроводящие тела в магнитном поле (рис.93). При пререходе шара в сверхпроводящее состояние 1-го рода магнитное поле из него вытесняется. В результате в поверхностном слое шара индуцируется ток такого направления, при котором шар выталкивается из поля.
в. Эффект критического магнитного поля. Он состоит в том, что при достижении магнитным полем, в котором находится сверхпроводник, некоторого предельного значенияиндукции Вкр »10 -2 ¸ 10 1 Тл, сверхпроводимость исчезает.
На рис.94 показана зависимость Вкр от температуры для свинца (верхняя кривая) и для олова (нижняя кривая). При критической температуре Т = Ткр критическое поле равно нулю, Вкр = 0, а с понижением температуры Вкр увеличивается.
Если усиливать ток, идущий по сверхпроводнику, то при некотором его критическом значении Iкр сверхпроводящее состояние разрушается. Поскольку магнитное поле В пропорционально току I, то зависимость Iкр от температуры аналогична зависимости Вкр(Т). Эффект критического магнитного поля усложняет технику получения сверхсильных магнитных полей с помощью сверхпроводящих контуров. Расчет критического тока должен учитывать, что ток течет в приповерхностном слое. Например, у проводника диаметром 1 мм при l = 35 нм сечение приповерхностного слоя, по которому течет ток, около 10 -4 мм 2 . Это составляет около 0,01% всего сечения проводника.
г. Эффект Джозефсона. В 1962 году Брайан Джозефсон теоретически предсказал два эффекта, суть которых в следующем.
Подсоединим к сверхпроводнику (на рис.95-а он изображен в виде бруска) амперметр А с источником постоянного тока, ЭДС которого E, и вольтметр V. В цепи идёт постоянный ток, регистрируемый амперметром. Так как сопротивление сверхпроводника равно нулю, то вольтметр показывает нуль.
Разрежем сверхпроводник на две части и раздвинем их, чтобы между ними возник зазор толщиной d » 1 нм. Как предсказал Джозефсон, при включении такого сверхпроводника в цепь может наблюдаться один из следующих двух эффектов.
Стационарный эффект Джозефсона. Через сверхпроводник по-прежнему идёт постоянный ток. Оказывается, ток может течь без сопротивления не только через сверхпроводник, но и через щель в нем, если она достаточно узка (рис.95-б).
Нестационарный эффект Джозефсона. На концах сверхпроводника со щелью может возникнуть постоянная разность потенциалов. В этом случае из щели излучается высокочастотная электромагнитная волна (рис.95-в). Через сверхпроводник течет не только постоянный, но и высокочастотный переменный ток.
В настоящее время эффекты Джозефсона не только подтверждены экспериментально, но и используются в микроэлектронике.
4. Теорию сверхпроводимости построили в 1957г Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер. По первым буквам их фамилий ее назвали БКШ – теорией. В основе БКШ- теории лежит представление, что между электронами проводимости металла могут действовать силы притяжения, возникающие вследствие поляризации ими кристаллической решетки.
Электрон, движущийся в решетке, притягивает к себе положительно заряженные ионы, несколько сближая их, и тем самым создает вдоль пути своего следования избыточный положительный заряд поляризованной решетки, к которому могут быть притянуты другие электроны. Это эквивалентно возникновению силы притяжения между электронами, только действующей не непосредственно, а через поляризованную решетку.
Можно предположить, что сверхпроводимость следует ожидать прежде всего у тех металлов, у которых имеет место сильное взаимодействие электронного газа с решеткой, приводящее в обычных условиях к высокому удельному сопротивлению. И действительно, из чистых металлов лучшими сверхпроводниками оказались наиболее высокоомные - свинец Рb, ниобий Nb, олово Sn, ртуть Hg. В то же время у таких низкоомных металлов, как медь Cuи сереброAg, у которых электронный газ имеет высокую подвижность, сверхпроводимость не наблюдается.
Как показал Леон Купер, при Т < Ткр, самые верхние электроны,расположенные на уровне Ферми, могут спариваться. При этом их суммарная энергия оказывается меньше суммы энергий отдельных электронов. Выделяющаяся энергия должна отводиться от кристалла охлаждением. Понижение энергии куперовских пар приводит к понижению верхнего занятого электронами уровня. В результате между уровнями куперовских пар и ближайшими свободными уровнями возникает запрещенная зона шириной 2D (рис.96 слева). Эта возникшая энергетическая щель не позволяет куперовским парам электронов принимать малую энергию. Они могут принять лишь энергию не менее 2D, которая позволит электронам перепрыгнуть через эту щель. Поэтому при Т < Ткр куперовские пары оказываются весьма устойчивыми.
При Т < Ткр спариваются не все электроны. При каждой температуре устанавливается некоторое равновесное соотношение между концентрациями нормальных и спаренных электронов. Оказывается, что ширина 2D энергетической щели в сверхпроводнике зависит от количества неспаренных электронов. Их концентрация понижается с уменьшением температуры и соответственно растет ширина щели (рис.96 справа).
Электроны, образующие куперовские пары, имеют противоположные спины. Поэтому спин пары равен нулю, и она представляет собой бозон. Бозоны могут накапливаться в основном энергетическом состоянии, из которого их трудно перевести в возбужденное состояние. Поэтому куперовские пары в состоянии согласованного движения могут оставаться неопределенно долго. Такое согласованное движение пар и есть ток сверхпроводимости.
Расстояние между электронами пары велико. Оно составляет примерно 1000 нм, что около 5000 поперечников атомов. Примерно 1000 пар перекрываются, занимая общий объем.
5. Объяснение БКШ – теорией эффекта критического тока. У известных сверхпроводников величина энергетической щели составляет в среднем 2D = 3 мэВ » 5·10 -22 Дж. Для разрушения куперовской пары один из электронов пары должен уменьшить энергию своего движения, по крайней мере, на величину 2D.
Предположим, что электрон отдает эту энергию при лобовом столкновении с узлом решетки так, что после столкновения он отскакивает с той же скоростью дрейфа vд в обратном направлении. Энергия электрона до соударения Ек1 = me(vф + vд) 2 ç2, энергия после соударения Ек2 = me(vф - vд) 2 ç2. Здесь vф – тепловая скорость электронов на уровне Ферми (»10 6 мçс), vд – скорость дрейфа электронов в электрическом поле, она не превышает 1 мçс.
Убыль кинетической энергии электрона должна быть по крайней мере равной 2D. Так что DЕк= = 2mevфvд = 2D. (13.3)
Отсюда, минимальная скорость дрейфа vд, необходимая для разрушения куперовской пары, есть vд = Dçmevф. (13.4)
Плотность электронного тока проводимости естьj = envд, (13.5)
где n – концентрация электронов проводимости в металле. Подставив критическую скорость дрейфа из (13.4), получаем критическую плотность тока jкр.
У типичных сверхпроводников n = 3·10 28 м -3 , vф = 10 6 мçс, 2D = 3 мэВ. Подставляем.
jкр = =10 12 . Это соответствует току 10 6 А через проводник сечением 1 мм 2 . Но в реальном сверхпроводнике ток течет лишь в тонком приповерхностном слое толщиной около 35 нм, что соответствует сечению S = 10 -4 мм 2 . Поэтому критический ток в сверхпроводнике толщиной около 1 мм составляет всего лишь iкр = jкрS = 10 6 Аçмм 2 ·10 - 4 мм 2 = 100 А. Это вполне соответствует эксперименту.
6. Объяснение БКШ-теорией критического магнитного поля. При помещении сверхпроводника в магнитное поле В в поверхностном слое сверхпроводника наводится незатухающий ток. Этот незатухающий ток имеет такие величину и направление, что его магнитное поле внутри сверхпроводника полностью компенсирует внешнее поле В. При увеличении поля В плотность компенсирующего тока в сверхпроводнике растет. Если внешнее поле В будет настолько большим, что плотность наведенного им индукционного тока достигнет критического значения, сверхпроводимость разрушается.
Все выше сказанное относится к сверхпроводникам 1-го рода, в которых электрический ток существует только в приповерхностном слое. Несколько позже были открыты и изучены сверхпроводники 2-го рода. В них возникающие во внешнем магнитном поле В сверхпроводящие токи текут не только по поверхности, но и проникают в толщу проводника. У сверхпроводников 1-го рода критическое магнитное поле Вкр не превышает 0,1 Тл, а у сверхпроводников 2-го рода достигает величины Вкр» 20 Тл.
7. Эффекты Джозефсона объясняются БКШ - теорией как результат туннелирования куперовских пар через узкую щель между сверхпроводниками. Согласно теории, частота n переменного сверхпроводящего тока определяется выражением: n = . (13.7)
При напряжении на щели U = 1 мВ частота n = 485 ГГц, что соответствует длине волны ЭМ излучения l = сçn = 0,6 мм.
8. Реактивное сопротивление сверхпроводника. При любой температуре Т < Ткр сверхпроводник практически всегда содержит как сверхпроводящие электроны концентрацией nc, так и нормальные (nн) электроны. Если поместить сверхпроводник в высокочастотное поле, то в этом переменном электрическом поле ускоряются не только куперовские пары, но и нормальные электроны. Поэтому ток имеет как сверхпроводящую, так и нормальную составляющую.
Те и другие электроны обладают массой, вследствие их инерции ток отстает по фазе от напряженности ВЧ – поля. Куперовские пары движутся в проводнике как бы без трения. Согласно классической механике, скорость частиц в этом случае отстает по фазе от действующей на них периодической силы на pç2. Поэтому сверхпроводящая составляющая высокочастотного тока отстает от напряженности поля на pç2. Это значит, что куперовские пары создают чисто реактивное сопротивление.
Нормальные электроны движутся как бы с трением. Поэтому они создают как реактивное, так и активное сопротивление.
Сверхпроводники
Сверхпроводники – это материалы, электрическое сопротивление которых при достижении температуры ниже определённого значения (т.н. критической температуры), становится равным строго нулевому значению (нулю). В таких случаях говорят, что материал приобретает сверхпроводимость, сверхпроводящие свойства или переходит в сверхпроводящее состояние.
Описание. Материалы сверхпроводников.
Сверхпроводниками являются совершенно различные материалы, которые в обычном состоянии даже не являются проводниками. Помимо металлов и их сплавов, к сверхпроводникам относятся некоторые полупроводники, керамические материалы, сверхпроводники на основе железа , органические сверхпроводники и иные вещества, например, сероводород.
Сверхпроводник переходит в сверхпроводящее состояние не постепенно, а скачкообразно – при достижении температуры ниже критической. Выше этой температуры металл , сплав или иной материал находится в нормальном состоянии (проводником, полупроводником или диэлектриком), а ниже ее – сверхпроводником. У некоторых веществ сверхпроводящие свойства возникают при определенных внешних условиях, например, по достижении определенного значения давления.
Как правило, критическая температура крайне низка, что ограничивает использование сверхпроводников. Однако в последнее время (в 2017 г.) были открыты сверхпроводники, обладающие свойством сверхпроводимости при комнатной температуре.
Открытие сверхпроводников:
Первый сверхпроводник был открыт в 1911 г. голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннес у ртути. Он проводил опыты по проверке электрических свойств данного металла при понижении температуры. В то время предполагалось, что со снижением температуры постепенно понижается и электрическое сопротивление проводника, а при слишком низких температурах якобы электроны практически останавливаются и металл совсем перестает проводить ток.
Однако в ходе эксперимента был получен обратный эффект. Вначале – при понижении температуры электрическое сопротивление ртути (α-ртуть) плавно падало, а затем после преодоления температуры в 4,153 кельвина – совсем исчезло. Этот эффект был назван сверхпроводимостью.
В следующем году были обнаружены ещё два металла-сверхпроводника: свинец и олово.
Впоследствии были открыты и другие сверхпроводники.
Низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники:
В зависимости от значения критической температуры все сверхпроводники делятся на низкотемпературные и высокотемпературные. За точку отсчета принята температура 77 K (-196 о С), которая приблизительна равна температуре кипения жидкого азота 77,4 K (-95,75 °C).
Деление это имеет явно практическое значение. Так, для охлаждения материалов используют жидкие газы. Чтобы охладить материал ниже 77 К (-196 о С) применяют жидкий гелий. Температура кипения жидкого гелия составляет 4,222 K (-268,928 °C). Для охлаждения высокотемпературных сверхпроводников, критическая температура у которых больше 77 К, применяют жидкий азот , который легче и дешевле в получении.
Классификация, типы и виды сверхпроводников:
По отклику сверхпроводников на магнитное поле они делятся сверхпроводники 1 (первого) рода и сверхпроводники 2 (второго) рода.
Сверхпроводники 1 (первого) рода по достижению единственного определенного значения напряженности магнитного поля (т.н. критического магнитного поля, Hc) теряют свою сверхпроводимость. До этого значения магнитное поле огибает сверхпроводник, а свыше его – проникает внутрь и проводник теряет свою сверхпроводимость.
У сверхпроводников 2 (второго) рода имеется два критических значения магнитного поля Hc1 и Hc2. При приложении магнитного поля первого критического значения Hc1 происходит частичное проникновение магнитного поля в тело сверхпроводника, однако сверхпроводимость сохраняется. Выше второго значения критического поля Hc2, сверхпроводимость разрушается полностью. В магнитных полях от первого до второго критического значения в сверхпроводнике существует вихревая структура магнитного поля .
По критической температуре сверхпроводники делятся на низкотемпературные сверхпроводники (Тк < 77 К) и высокотемпературные сверхпроводники (Тк >77 К).
Свойства сверхпроводников, эффекты:
1. Нулевое электрическое сопротивление.
Сопротивление сверхпроводников равно нулю только тогда, когда через него пропускают постоянный электрический ток. Если же пропускать переменный электрический ток, то оно отлично от нуля и возрастает с повышением температуры.
2. Критическая температура сверхпроводников.
Критическая температура делит сверхпроводники на два состояния: обычное и сверхпроводящее.
3. Критическое магнитное поле сверхпроводников.
Если сверхпроводник поместить во внешнее магнитное поле, то последнее будет огибать его. Однако при определенных – критических значениях магнитного поля материал потеряет свои сверхпроводящие свойства и станет обычным материалом . Данное значение магнитного поля принято считать критическим полем.
5. Выталкивание магнитного поля сверхпроводником из своего объёма.
Это явление было названо эффектом Мейснера по имени первооткрывателя. Впервые явление экспериментально наблюдалось в 1933 году немецкими физиками В. Мейснером и Р. Оксенфельдом.
Эффект Мейснера означает полное вытеснение внешнего магнитного поля из объёма проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Внутри сверхпроводника намагниченность равна нулю. В поверхностном слое сверхпроводника действуют незатухающие электрические токи, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.
Однако не у всех сверхпроводников наблюдается полный эффект Мейснера. Вещества, проявляющие полный эффект Мейснера, называются сверхпроводниками первого рода, а частичный – сверхпроводниками второго рода. Для сверхпроводников второго рода магнитное поле в интервале значений Hc1 – Hc2 проникает и действует в виде вихрей Абрикосова. Однако стоит отметить, что в низких магнитных полях (ниже значения Hc и Hc1 ) полным эффектом Мейснера обладают все типы сверхпроводников.
Отсутствие внешнего магнитного поля в объеме сверхпроводника означает, что электрический ток протекает только в поверхностном слое сверхпроводника.
6. Квантовая левитация .
Если взять сверхпроводник (соответственно предварительно охлажденный), а потом поднести к нему мощный магнит, то такой сверхпроводник образует свое собственное магнитное поле, схожее по силе с полем магнита. В результате магнитные поля сверхпроводника и магнита выталкивают друг друга и магнит спокойно левитирует – парит над сверхпроводником. Данный эффект также называют эффектом Мейснера.
И соответственно наоборот, если поместить сверхпроводник над магнитом, то сверхпроводник благодаря действию эффекта Мейснера также будет парить – левитировать над магнитом.
Магнитное поле буквально “хватает” сверхпроводник и цепко “держит” его в любом положении, в котором бы он не находился изначально: над или под магнитом. В полях, магнитная индукция которых составляет 0,001 Тл, заметно смещение магнита или сверхпроводника вверх на расстояние порядка одного сантиметра. При увеличении магнитного поля вплоть до критического магнит или сверхпроводник поднимается всё выше.
Можно не только не только просто удержать сверхпроводник или магнит в нужном положении в воздухе , но и заставить сверхпроводник двигаться над и даже под магнитными “рельсами” с высокой скоростью. При этом сверхпроводник двигается только в том направлении, в каком магнитное поле магнита остаётся неизменным. Явление это ещё получило название «квантовый замок».
Как только температура сверхпроводника становится выше критической, то он перестаёт парить.
Обычно, в опыте по квантовой левитации используется сверхпроводник 2-го рода. Это обуславливается тем, что своей критической температуры он достигает при помощи более дешёвого жидкого азота (имеющего температуру ниже -195,795 °C), а не более дорогого жидкого гелия (имеющего температуру ниже -268,928 °C).
7. Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств – удельной теплоемкости.
Под удельной теплоемкостью понимается физическая величина, которая численно равна количеству теплоты, необходимое для нагревания вещества массой 1 кг на 1 К.
Удельная теплоемкость сверхпроводника резко (скачкообразно) возрастает вблизи температуры перехода в сверхпроводящее состояние, и довольно быстро (скачкообразно) уменьшается с понижением температуры. Иными словами, в области перехода для повышения температуры вещества в сверхпроводящем состоянии требуется больше теплоты, чем в нормальном состоянии, а при очень низких температурах – наоборот.
8. Критический ток.
Это значение максимального постоянного тока, который может выдерживать сверхпроводник без потери сверхпроводящего состояния. При превышении этого значения сверхпроводник теряет свойство сверхпроводимости. Как и критическое магнитное поле, критический ток обратно пропорционально зависит от температуры, уменьшаясь при ее увеличении.
Сверхпроводники 1 рода и сверхпроводники 2 рода, металлы и прочие материалы, критическая температура и критическое магнитное поле:
| Материалы | Критическая температура, К | Критические поля (при 0 К), Гс (Э*) | |
| Сверхпроводники 1-го рода | Hc | ||
| Родий | 0,000325 | 0,049 | |
| Магний | 0,0005 | —** | |
| Вольфрам | 0,012 | 1* | |
| Гафний | 0,37 | —** | |
| Титан | 0,39 | 60 | |
| Рутений | 0,47 | 46* | |
| Кадмий | 0,52 | 28 | |
| Цирконий | 0,55 | 65* | |
| Осмий | 0,71 | 46,6* | |
| Уран | 0,8 | —** | |
| Цинк | 0,85 | 53 | |
| Галлий | 1,08 | 59 | |
| Алюминий | 1,2 | 100* | |
| Рений | 1,7 | 188* | |
| Сплав Аu-Bi | 1,84 | —** | |
| Таллий | 2,37 | 180 | |
| Индий | 3,41 | 280 | |
| Олово | 3,72 | 305 | |
| Ртуть | 4,15 | 411 | |
| Тантал | 4,5 | 830* | |
| Ванадий | 4,89 | 1340* | |
| Свинец | 7,1999 | 803 | |
| Технеций | 11,2 | —** | |
| H2S ( сероводород ) | 203 при давлении 150 ГПа | 720 000 | |
| Сверхпроводники 2-го рода | Hc1 | Hc2 | |
| Ниобий | 9,25 | 1735 | 4040 |
| Pb1Mo5,1S6 | 14,4 | – | 600 000 |
| Nb3Sn | 18,1 | – | 220 000 |
| (Nb3Al)4Ge | 20 | —** | —** |
| Nb3Ge | 23,2 | – | 400 000 |
| MgB2 | 39 | —** | —** |
| Yb0,9Ca0,1Ba1,8Sr0,2Cu4O8 | 86 | —** | —** |
| YBa2Cu3O7 | 93 | 1000*** | 1 000 000*** |
| Bi1,6Pb0,6Sr2Ca2Sb0,1Cu3Oх | 115 | —** | —** |
| HgBa2Ca2Cu3O8+x | 135 | —** | —** |
* для материалов, помеченных * значение критического поля указано в Э (эрстед), для остальных в Гс (гаусс).
свойства сопротивление левитация использование применение сверхпроводников на основе стекловолокна
металлы магнитные сверхпроводники используют для создания которые 1 2 первого второго рода физика стекловолокно эффект суть электрического тока магнит кратко
русский сверхпроводник материал реферат купить примеры в магнитном поле
ток в сверхпроводнике презентация по составу
кольцо из сверхпроводника
Сверхпроводимость, явление, открытие, теория и применение
Сверхпроводимость, явление, открытие, теория, применение и температура сверхпроводимости.
Сверхпроводимость – свойство некоторых материалов обладать абсолютно нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (т.н. критической температуры).
Описание. Явление сверхпроводимости:
Сверхпроводимостью обладают металлы и их сплавы, полупроводники, а также керамические материалы и иные вещества. Существуют даже сверхпроводящие сплавы и материалы, у которых один из элементов или все элементы , входящих в его состав, могут и не быть сверхпроводниками. Например, сероводород , сплавы ртути с золотом и оловом.
Сверхпроводящее состояние в материале возникает не постепенно, а скачкообразно – при достижении температуры ниже критической. Выше этой температуры металл, сплав или иной материал находится в нормальном состоянии, а ниже ее – в сверхпроводящем. Для некоторых веществ переход в сверхпроводящее состояние становится возможным при определенных внешних условиях, например, по достижении определенного значения давления.
Сверхпроводимость как явление сопровождается несколькими эффектами. Определяющее значение имеют два из них: исчезновение электрического сопротивления и выталкивание магнитного потока (поля) из его объема. Поэтому важнейшее значение приобретает не только критический ток, но и критическое магнитное поле – определенное значение напряженности магнитного поля, по достижении которого сверхпроводник теряет свойство сверхпроводимости.
Явление сверхпроводимости может быть продемонстрировано на практике. Если взять проводник, закольцевать его, сделав замкнутый электрический контур, охладить его до температуры ниже критической и подвести к нему электрический ток, а после чего убрать источник электрического тока, то электрический ток в таком проводнике будет существовать неограниченно долгое время.
В настоящее время получены сверхпроводники, обладающие свойством сверхпроводимости при комнатной температуре .
Открытие сверхпроводимости:
Явление сверхпроводимости впервые открыл в 1911 г. голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес, исследуя зависимость электрического сопротивления металлов от температуры.
Сверхнизкими температурами он начал интересоваться ещё в 1893 г., когда он создал криогенную лабораторию.
В 1908 г. ему удалось получить жидкий гелий.
Охлаждая с его помощью металлическую ртуть, он с удивлением обнаружил, что при температуре, близкой к абсолютному нулю (4,15 К), электрическое сопротивление (р) ртути скачком падает до нуля.
В 1912 году были обнаружены ещё два металла, переходящие в сверхпроводящее состояние при низких температурах: свинец и олово.
Природа, объяснение и теория сверхпроводимости:
Следует отметить, что полностью удовлетворительная теория сверхпроводимости в настоящее время отсутствует.
В 1957 г. Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер предложили так называемую теорию БКШ (Бардина – Купера – Шриффера).
Электрический ток представляет собой движение электронов. В обычном проводнике электроны двигаются поодиночке и самостоятельно преодолевают различные препятствия на своём пути. При этом в ходе движения они сталкиваются друг с другом и с кристаллической решеткой, теряя при этом свою энергию. Таким образом, в проводнике из-за различных препятствий возникает электрическое сопротивление.
Электроны в обычных условиях имеет спин, принимающим значение -1/2 или +1/2. Но при определенных условиях (при понижении температуры ниже критической) они образуют пары. Электроны с противоположными значениями спина притягиваются друг к другу. Эти образованные пары также называют куперовской парой. Эта пара имеет нулевой спин и удвоенный заряд электрона. Поскольку суммарный спин этой пары равен нулю, то она обладает свойствами бозона. Бозоны образуют конденсат Бозе-Эйнштейна , к которому присоединяются все свободные бозоны, и находятся в одном квантовом состоянии. Они становятся единым целым, способным двигаться без столкновения с решеткой и оставшимися электронами, то есть без потерь энергии, без электрического сопротивления. Так возникает эффект сверхпроводимости.
Однако данная теория не способна объяснить сверхпроводимость при высоких температурах (высокотемпературную сверхпроводимость).
Классификация, типы и виды сверхпроводников:
По критической температуре сверхпроводники разделяются на низкотемпературные, если критическая температура ниже 77 K (-196 о С), и высокотемпературные.
Температурой разделения является температура кипения азота, которая составляет 77,4 K (-195,75 °C).
Данное деление имеет практическое значение. В первом случае охлаждение производится жидким или газообразным гелием, а во втором случае – более дешевым жидким или газообразным азотом.
По отклику сверхпроводников на магнитное поле они бывают сверхпроводниками I рода и сверхпроводниками II рода.
Сверхпроводники I рода по достижению единственного определенного значения напряженности магнитного поля (т.н. критического магнитного поля, Hc) теряют свою сверхпроводимость. До этого значения магнитное поле огибает сверхпроводник, а свыше его – проникает внутрь и проводник теряет свою сверхпроводимость.
У сверхпроводников II рода имеется два критических значения магнитного поля Hc1 и Hc2. При приложении магнитного поля первого критического значения Hc1 происходит частичное проникновение магнитного поля в тело сверхпроводника, однако сверхпроводимость сохраняется. Выше второго значения критического поля Hc2, сверхпроводимость разрушается полностью. В магнитных полях от первого до второго критического значения в сверхпроводнике существует вихревая структура магнитного поля.
По материалу сверхпроводники подразделяются чистые элементы, сплавы, керамику, сверхпроводники на основе железа, органические сверхпроводники и прочие.
Температура сверхпроводимости металлов, сплавов и прочих материалов:
| Материалы | Критическая температура, К | Критические поля (при 0 К), Гс (Э*) | |
| Сверхпроводники 1-го рода | Hc | ||
| Родий | 0,000325 | 0,049 | |
| Магний | 0,0005 | —** | |
| Вольфрам | 0,012 | 1* | |
| Гафний | 0,37 | —** | |
| Титан | 0,39 | 60 | |
| Рутений | 0,47 | 46* | |
| Кадмий | 0,52 | 28 | |
| Цирконий | 0,55 | 65* | |
| Осмий | 0,71 | 46,6* | |
| Уран | 0,8 | —** | |
| Цинк | 0,85 | 53 | |
| Галлий | 1,08 | 59 | |
| Алюминий | 1,2 | 100* | |
| Рений | 1,7 | 188* | |
| Двухслойный графен | ~ 1,7 | 500 | |
| Сплав Аu-Bi | 1,84 | —** | |
| Таллий | 2,37 | 180 | |
| Индий | 3,41 | 280 | |
| Олово | 3,72 | 305 | |
| Ртуть | 4,15 | 411 | |
| Тантал | 4,5 | 830* | |
| Ванадий | 4,89 | 1340* | |
| Свинец | 7,1999 | 803 | |
| Технеций | 11,2 | —** | |
| H2S ( сероводород ) | 203 при давлении 150 ГПа | 720 000 | |
| Сверхпроводники 2-го рода | Hc1 | Hc2 | |
| Ниобий | 9,25 | 1735 | 4040 |
| Nb3Sn | 18,1 | – | 220 000 |
| Nb3Ge | 23,2 | – | 400 000 |
| Pb1Mo5,1S6 | 14,4 | – | 600 000 |
| YBa2Cu3O7 | 93 | 1000*** | 1 000 000*** |
| HgBa2Ca2Cu3O8+x | 135 | —** | —** |
Примечание к таблице:
*** Экстраполировано к абсолютному нулю.
Свойства сверхпроводников. Эффекты сверхпроводимости:
Строго говоря, сопротивление сверхпроводников равно нулю только для постоянного электрического тока. Сопротивление у сверхпроводников при прохождении через них переменного тока отлично от ноля и возрастает с повышением температуры.
Это значение магнитного поля, выше которого сверхпроводник теряет свойство сверхпроводимости и переходит в обычном состояние, характерное для обычного проводника.
Значение критического магнитного поля различается в зависимости от материала сверхпроводника и может составлять от нескольких десятков гаусс до нескольких сотен тысяч гаусс. В таблице значений сверхпроводимости материалов указывается критическое магнитное поле при температуре абсолютного нуля (0 К).
Критическое магнитное и критическая температура взаимосвязаны между собой. При повышении температуры сверхпроводника критическое магнитное поле уменьшается. При температуре перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное состояние критическое магнитное поле равно нулю, а при абсолютном нуле оно максимально.
Зависимость величины критического поля от температуры с хорошей точностью описывается выражением:
Нс(Т) = Нсо · (1 – T 2 / Tc 2 )
где Нс(Т) – критическое магнитное поле при заданной температуре, Нсо – критическое поле при нулевой температуре, Т – заданная температура, Тс – критическая температура.
Для сверхпроводников II рода указываются два значения магнитного поля. Также нетрудно заметить, какие гигантские поля способны выдерживать сверхпроводники второго рода без разрушения сверхпроводимости.
4. Критический ток в сверхпроводниках.
Это значение максимального постоянного тока, который может выдерживать сверхпроводник без потери сверхпроводящего состояния. При превышении этого значения сверхпроводник теряет свойство сверхпроводимости.
Как и критическое магнитное поле, критический ток обратно пропорционально зависит от температуры, уменьшаясь при ее увеличении.
5. Выталкивание магнитного поля сверхпроводником из своего объёма.
Это явление было названо эффектом Мейснера по имени первооткрывателя.
Эффект Мейснера означает полное вытеснение магнитного поля из объёма проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Внутри сверхпроводника намагниченность равна нулю. Впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками В. Мейснером и Р. Оксенфельдом.
Отсутствие магнитного поля в объеме сверхпроводника означает, что электрический ток протекает только в поверхностном слое сверхпроводника.
6. Глубина проникновения.
Это расстояние, на которое магнитный поток проникает в сверхпроводник. Обычно данную величину называют лондоновской глубиной проникновения (в честь братьев Лондон).
Глубина проникновения оказывается функцией температуры, прямо пропорционально ей и различна в разных материалах.
Исходя из действия эффекта Мейснера магнитное поле выталкивается из сверхпроводника токами, циркулирующими в его поверхностном слое, толщина которого приблизительно равна глубине проникновения. Эти токи создают магнитное поле, которым компенсируется поле, приложенное извне, не позволяя ему проникнуть внутрь.
При достижении магнитным полем критического значения оно полностью проникает через глубину проникновения и захватывает весь сверхпроводник.
7. Длина когерентности.
Это расстояние, на котором электроны взаимодействуют друг с другом, создавая сверхпроводящее состояние. Электроны в пределах длины когерентности движутся согласованно – когерентно (как бы «в ногу»).
8. Удельная теплоемкость.
Данная величина показывает количество теплоты, необходимое для того, чтобы повысить температуру 1 грамма вещества на 1 К.
Применение сверхпроводимости:
– для получения сильных магнитных полей. Поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Для получения сильных магнитных полей используются сверхпроводники II рода, т.к. значение критического магнитного поля Нс2 для них значительно велико,
– в электрических кабелях и линиях электропередач (ЛЭП). Так, один тонкий электрический кабель из сверхпроводника способен передать электрический ток, для передачи которого обычный проводник должен иметь значительные размеры (диаметр),
– в мощных генераторах тока и электродвигателях ,
– в измерительных приборах,
Адский холод, левитация и плазма: прошлое, настоящее и будущее сверхпроводимости
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?
Представьте, что вам надо проехать на машине через очень плохую грунтовую дорогу. В тёплое время года, особенно после дождя, она превращается в болото. Колеса вязнут в грязи, скользят, буксуют, машину водит из стороны в сторону. Ваша скорость падает. Зато осенью при первых заморозках грязь твердеет, и вы проезжаете по дороге с ветерком, как будто по шоссе. Вот также и электроны, составляющие электрический ток, проходят через металлы при изменении температуры. Когда вещество нагрето, составляющие его атомные структуры сильно колеблются, затрудняя движение электронов. Атомы выхватывают из потока электроны и рассеивают их. Лишь немногие проходят из точки «А» в точку «Б». Так создается сопротивление.
Однако если металл охлаждать до абсолютного нуля (–273 °С), внутренние колебания вещества («тепловой шум») в нём уменьшаются, и электроны проходят через него без трений, то есть сопротивление падает до нуля. Именно это и называется сверхпроводимостью. Как всё это работает с научной точки зрения, описано в многочисленных статьях в специальных и научно-популярных изданиях, например, в N+1 (с весёлыми картинками).
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.
При понижении температуры до 4,15 кельвинов, то есть до –269 °C, сопротивление в ртути полностью исчезло. Правда, Каммерлинг-Оннес в это не поверил, и, проявляя свойственную ученому осторожность, записал в дневнике, что сопротивление «практически исчезло». На самом деле оно полностью отсутствовало, просто измерительные приборы тогда к этому были не готовы, как и сам исследователь.
Впоследствии Каммерлинг-Оннес проверил на сверхпроводимость много металлов и установил, что таким свойством обладают свинец и олово. Также он нашел первый сверхпроводящий сплав, который состоял из ртути, золота и олова. За свои эксперименты с критически низкой температурой ученый получил прозвище «Абсолютный нуль». Но поддерживать это высокое звание было непросто — для экспериментов требовался дефицитный по тем временам жидкий гелий, что не позволило Каммерлингу-Оннесу открыть второе фундаментальное свойство проводников.
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.
Однако обычные электромагниты все еще были способны превзойти своих «потомков» в генерации электромагнитных полей. К концу 1970-х старое поколение этих устройств могло создать поле с индукцией до 23,4 Тл, тогда как сверхпроводящие магниты — только 17,5 Тл.
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.
Когда стало ясно, что мы можем достичь очень высокой мощности электромагнитных полей, встал вопрос, а как использовать то, что мы уже имеем? В 1980-е Toshiba, как и многие другие компании, решила коммерциализировать технологию на «медицинском полигоне».
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.
Высокоскоростной транспорт
Способность сверхпроводников создавать мощное и устойчивое магнитное поле нашла применение в транспорте. В начале 1970-х был создан первый прототип поезда на магнитной подушке (германский Transrapid 02), а в 1984 году первый коммерческий маглев (от словосочетания «магнитная левитация») начал курсировать между терминалом аэропорта Бирмингема и железнодорожной станцией города (проработал до 1995-го).
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.
Именно такая технология используется для строительства термоядерного реактора ИТЕР во Франции. В этом проекте принимает участие и Россия, причем именно она была ответственна за поставку во Францию сверхпроводящих кабелей для создания того самого электромагнитного поля, «укрощающего» плазму. Как предполагается, опробованы магниты будут во время первого запуска реактора в 2025 году.
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.
Читайте также: