Сверхпроводником может быть только металл
В далёком 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес, изучавший поведение различных веществ при сверхнизких температурах, обнаружил, что, если охладить ртуть то температуры в 3 градуса Кельвина (-270 градусов Цельсия), то электрическое сопротивление её становится строго равно нулю.
Это было странно.
Мы помним из школьных уроков физики, что электрический ток есть направленное движение электрически заряженных частиц в веществе. Слово «направленное» важно: благодаря нему мы можем отличить такое движение, вызванное электрическим полем, от обычного теплового движения, в котором пребывают все без исключения микроскопические частицы в веществе.
Тепловое движение бесполезно для нас в практическом отношении. А вот придав частицам направленное движение, можно заставить их совершать полезную работу — вроде того, как направленное движение воды в реке или в трубе вращает колесо водяной мельницы. Почти то же самое — с электричеством: по факту, электрические провода — это своего рода трубки, по которым текут крохотные ручейки заряженных частиц, приводимые в направленное движение электрическим полем.
Электрическое поле действует только на частицы, имеющие электрический заряд. Однако большинство молекул и атомов электрически нейтральны: носителей отрицательного заряда (электронов) в них ровно столько же, сколько и носителей положительного (протонов). Именно поэтому в таких веществах нельзя создать заметное направленное движение заряженных частиц — просто потому, что заряженных частиц нет, или их очень мало. К счастью, в некоторых веществах по различным причинам нейтральные атомы и молекулы распадаются на «составные части», имеющие отрицательный и положительный заряды. В результате вещество насыщается заряженными частицами, на которые уже может влиять электрическое поле — а значит, в них может возникать и поддерживаться электрический ток. Такие вещества называют проводниками. Металлические проводники — частный случай таких веществ.
Специфика металлических проводников заключается в том, что в них часть электронов атома слабо связана с остальным атомом и при некоторых условиях способна покидать его. После «побега» одного или нескольких электронов, остаётся положительно заряженный ион. Ионы массивны (в десятки тысяч раз тяжелее электрона) и находятся в связанном состоянии, образуя кристаллическую решётку. Такие ионы ограничены в своём тепловом движении и способны совершать лишь хаотические колебания вокруг положения равновесия. Электроны, имея тот же (по порядку) заряд, при этом обладают ничтожной массой и находятся практически в свободном движении. В этом смысле их поведение похоже на поведение молекул газа — собственно, физики и говорят об «электронном газе», заполняющим кристаллическую решётку металлического проводника подобно тому, как газ заполняет, к примеру, вашу комнату.
Если мы поместим проводник в электрическое поле, то оно начнёт пытаться придать заряженным частицам направленную скорость. Воздействовать оно, конечно, будет как на электроны, так и на ионы. Однако результаты воздействия будут разными: массивные ионы практически не будут его ощущать, тогда как лёгкие электроны будут разгоняться куда проще. Именно поэтому в проводниках электрический ток распространяется посредством «электронного ветра» — или, если угодно, электронного течения. Ионы же будут и дальше делать то единственное, что они могут делать — колебаться вокруг своих положений в кристаллической решётке.
Положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны притягиваются. Однако в большинстве случаев расстояние между ними слишком велико для того, чтобы это притяжение было значительным по сравнению с силой, с которой разгоняет электроны электрическое поле. Однако может статься так, что тот или иной электрон подлетит слишком близко к иону, и электрическое взаимодействие между ними станет существенным. Ион попытается захватить электрон, удержать его. Сделать этого он, скорее всего, не сможет, однако скорость электрона изменится. Говорят, что электрон рассеется на ионе — изменит свою скорость.
Взаимодействуя с ионом решётки, электрон отклоняется от первоначального направления движения.
При этом все электроны, конечно, будут рассеиваться по-разному. И их скорости будут меняться тоже по-разному. То есть, электроны начнут двигаться менее направленно и более хаотично. Их упорядоченный ток уменьшится.
Иными словами, по мере протекания электронного потока через ионную кристаллическую решётку, он будет постепенно терять свою энергию. Именно это свойство веществ постепенно гасить электрический ток называют электрическим сопротивлением.
При этом кинетическая энергия направленного потока электронов никуда не девается — она просто переходит в тепловую энергию хаотического движения тех же электронов и ионов. Именно поэтому проводник, по которому течёт ток, нагревается.
Уже из этой модели ясно, что сопротивление просто обязано зависеть от температуры. Действительно, при более высоких температурах проводника, ионы решётки колеблются сильнее, и тем больше шанс, что они сумеют «поймать» и рассеять электрон. Соответственно, при снижении температуры, сопротивление должно падать — но не до нуля же! Ведь даже совершенно неподвижные ионы решётки всё равно будут иметь шансы рассеять электрон — пусть и куда меньшие. То есть, даже при абсолютном нуле (в теории) должно всё-таки наблюдаться некое сопротивление. А на самом деле ещё до достижения нулевой отметки оно пропадает начисто! Как такое может быть?
Дабы читатель не тратил силы, теряясь в догадках, скажу: с точки зрения классической физики это явление необъяснимо. Приблизиться к его пониманию учёные смогли лишь с развитием квантовой физики. Рассуждали они примерно так.
Квантовая физика — наука о вероятностях: если что-то возможно, то это что-то обязательно рано или поздно произойдёт. А если чего-то (в нашем случае, рассеяния электронов на ионах в проводнике, начиная с некоторой температуры) не происходит, то значит, это оказывается невозможно по неким причинам.
Обычно подобное происходит в ситуациях, когда тот или иной процесс требует неких затрат энергии — причём большей, чем имеется в наличии. Но что же это может быть за процесс в нашем случае? Ведь мы же видели, что фактически энергия никуда не девается — она просто перераспределяется между различными типами движения.
В теории, такое могло бы иметь место, если бы система направленно движущихся электронов обладала некоей внутренней связью. Вот тогда для того, чтобы вырвать данный конкретный электрон из потока, рассеять его, нужно было бы затратить некую энергию, которой могло бы в системе не оказаться. Соответственно, рассеяние электронов на ионах решётки отказалось бы запрещённым с энергетической точки зрения, т.е. невозможным.
Однако какого рода может быть такая связь? Физики терялись в догадках. Действительно, электроны «не склонны» образовывать такие системы: имея одинаковый электрический заряд, они отталкиваются друг от друга, стремясь разлететься в разные стороны. Впервые теорию о природе такой связи предложил Леон Купер в 1956 году. Он показал, что электроны действительно могут приходить в связанное состояние, но не сами по себе, а «при посредничестве» тех самых ионов кристаллической решётки.
Идея состоит в следующем. Мы уже говорили, что ионы воздействуют на электроны, изменяя их скорость. Но ведь и электрон тоже воздействует на ионы, притягивая их к себе. Пролетая между несколькими ионами, электрон стягивает их друг к другу ближе, чем они находились ранее. В результате плотность электрического заряда в данной области оказывается выше, чем в соседних. Соответственно, такая область будет сильнее притягивать к себе другие электроны, которым будет энергетически выгодно устремиться именно туда, где только что был тот первый электрон.
Искривление кристаллической решётки металла под действием электрона
Правда, к тому моменту, как следующий электрон туда долетит, первый уже покинет область повышенной концентрации положительного заряда. Лишившись общего центра притяжения, ионы, которые тоже отталкиваются друг от друга электрическими силами, вернутся в прежнее положение — и даже по инерции разлетятся немного дальше. В результате они будут слабее воздействовать на следующий электрон, который влетит в данную область.
Это похоже на лыжников, следующих за лидером, тропящим лыжню, или на велосипедистов, которые едут за другом пелотоном, чтобы уменьшить расход сил на преодоление сопротивления воздуха. Но если люди поступают так осознанно, чтобы сэкономить силы группы, то электроны ведут себя подобным образом в силу естественных законов природы — принципа минимума энергии.
Знаменитый шерстяной волчара - ещё одна подходящая аналогия
Важно, что в результате электроны уже не движутся каждый сам по себе, а формируют «пелотон» — согласованную группу. При этом можно сказать, что на создание «пелотона» была затрачена некая энергия — та, которую первый электрон потерял, пока притягивал к себе ионы решётки. Соответственно, для того, чтобы разрушить «пелотон» (физики называют его куперовской парой), необходимо «по-честному» вернуть первому электрону затраченную энергию. А природа энергию тратить не любит. Поэтому, единожды возникнув, куперовская пара имеет свойство сохраняться.
Что же произойдёт в случае, если один из электронов куперовской пары рассеется на ионе решётки? Фактически, согласованное движение пары будет нарушено — всё равно, как если бы один из велосипедистов потерял равновесие и упал, а остальные поехали дальше. В нормальном пелотоне так и произойдёт, но наш «пелотон», как мы уже говорили выше, просто так не разрушить — нужно «заплатить» энергией.
Но что, если этой энергии в системе электрон-ион банально не окажется? Получится, что «заплатить» за разрушение пелотона не чем – а значит, этого разрушения и не произойдёт. Электрон в принципе НИКОГДА не рассеется на ионе, потому что такое событие будет ЗАПРЕЩЕНО с энергетической точки зрения. Рассеяние прекращается, электрическое сопротивление исчезает, возникает сверхпроводимость.
Откуда же вообще может взяться такая энергия? Очевидно, что взяться ей банально неоткуда, кроме как из кинетической энергии движения частиц. А движение электронов (и ионов) в проводнике, как мы помним, состоит из двух видов движений: направленного, вызванного полем, и теплового – хаотического.
Если мы будем повышать температуру проводника, то больше энергии будет «скапливаться» в хаотическом движении, и рано или поздно ион и электрон смогут «расплатиться» с пелотоном за его разрушение. Поэтому при определённой температуре сверхпроводимость исчезнет.
Но если мы будем увеличивать поле, и, соответственно, силу электрического тока, то это приведёт к росту энергии направленного движения, которую можно тоже «потратить» на уничтожение связанного состояния. Именно поэтому при определённых величинах электрического тока сверхпроводимость также разрушается.
На самом деле, конечно, это крайне приближённое и упрощённое описание явления сверхпроводимости. В реальности всё куда сложнее, и, кстати, вот совсем полной теории сверхпроводимости пока нет (но физики работают над этим).
А мы скажем несколько слов о том, почему сверхпроводимость вообще важна.
Во-первых, конечно, полное отсутствие электрического сопротивления в материале – это прикольно само по себе. Чего стоит сама по себе возможность передавать электроэнергию на огромные расстояния вообще без электрических потерь? Сверхпроводники используются и при создании сверхмощных магнитов. Такие магниты в ходе своей работы пропускают через себя достаточно большое количество электрической энергии, и даже ничтожное сопротивление приводит к их сильному нагреву. Без сильного охлаждения (веществами типа жидкого азота) такие магниты просто расплавятся через пару минут работы. Со сверхпроводящими магнитами этой проблемы не возникает: у них вообще нет сопротивления, и ток их вообще не нагревает. Именно поэтому сверхпроводящие электромагниты (ведущим производителем которых является, кстати, Россия) используются там, где нужны действительно мощные магнитные поля – скажем, в устройствах типа Большого адронного коллайдера или строящегося во Франции экспериментального термоядерного реактора ITER.
Я не уверен на 100%, но по-моему вот эти вот трубочки - это и есть сверхпроводящие магниты
Второй важной особенностью сверхпроводников является «магнитобоязнь»: сверхпроводник будет отталкивать от себя любой магнит. Этот эффект, известный под названием эффекта Мейснера, имеет довольно изящное объяснение, однако его мы сейчас приводить не будем – может быть, в другой раз. Важно то, в результате становится возможна так называемая сверхпроводящая магнитная левитация: магнит, помещённый над сверхпроводником, будет попросту висеть в воздухе на небольшой высоте без всяких затрат энергии.
Это открывает поистине безграничные возможности для создания «парящих» транспортных средств, движущихся без соприкосновения с землёй – магнитопланов, или маглевов. Такие транспортные средства могут двигаться с огромной скоростью, сравнимой или даже превышающей скорость самолёта, но при этом не требующие гигантских расходов топлива. Трансконтинентальные сверхскоростные поезда из фантастических фильмов – это именно оно.
Одна из возможных схем прохождения трансконтинентального метро
Существуют, конечно, способы реализовать магнитную левитацию и без использования сверхпроводников, но все они более дорогостоящи и менее надёжны и удобны с технической точки зрения.
Единственная проблема: для возникновения эффекта сверхпроводимости требуются всё-таки слишком низкие температуры. Вы определённо не станете охлаждать до почти абсолютного нуля рельс железной дороги на протяжении тысяч километров.
Поэтому физики активно работают над созданием веществ, которые будут обладать сверхпроводимостью при как можно больших температурах. Существенным достижением стало, в частности, создание полупроводников из диборида магния, получающих сверхпроводимость уже при 40 градусах Кельвина (-233 Цельсия).
Порошок диборида магния
Это, конечно, очень низкая температура, но такие сверхпроводники можно охлаждать уже не дорогостоящим жидким гелием, а куда более дешёвым жидким водородом, что существенно расширяет сферу их применимости. А российские физики работают с соединениями железа с селеном, у которых сверхпроводящее состояние наступает уже при 55 Кельвина.
В 2020 году в Санкт-Петербурге планируют начать эксплуатацию экспериментальной сверхпроводниковой линии электропередач длиной в 2,5 километра с рабочим напряжением в 20 киловольт. Её основа – сложное вещество висмут- стронций-кальций-медь-оксид, становящееся сверхпроводником уже при -165, так что его можно охлаждать уже даже не жидким водородом, а и вовсе «копеечным» по сравнению с ним или гелием жидким азотом.
Материалы, проявляющие сверхпроводящие свойства при «почти комнатных» температурах уже тоже известны. Рекордосменом в этом смысле пока является супергидрид лантана, который начинает проявлять сверхпроводящие свойства уже при -13 градусах Цельсия. Правда, для этого его необходимо поместить под давление в несколько миллионов атмосфер, что, конечно, несколько ограничивает возможность его практического применения. Прошедший специальную обработку (наноструктурирование) сплав золота и серебра проявляет сверхпроводящие свойства уже при -37 Цельсия, причём, что немаловажно, при обычном давлении. Правда, с ним возникает другая проблема: его изготовление является достаточно сложной и дорогостоящей процедурой, так что делать из него рельсы для летающих поездов тоже вряд ли получится. Сходные проблемы и у других сверхпроводников: они слишком хрупки, химически разлагаются при взаимодействии с водой или воздухом, слишком дороги в изготовлении и т.п. Но физики не отчаиваются.
Короче, show must go on, и кто знает, быть может мы ещё успеем прокатиться на сверхпроводящем метро из Москвы в Париж или Сидней?
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.
Впоследствии были открыты и другие сверхпроводники.
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:
* для материалов, помеченных * значение критического поля указано в Э (эрстед), для остальных в Гс (гаусс).
*** Экстраполировано к абсолютному нулю.
Свойства сверхпроводников. Эффекты сверхпроводимости:
1. Нулевое электрическое сопротивление.
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.
2. Критическая температура сверхпроводников.
3. Критическое магнитное поле сверхпроводников.
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.
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 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.
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.
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,
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.
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:
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.
Критическая температура делит сверхпроводники на два состояния: обычное и сверхпроводящее.
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.
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.
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 | —** | —** |
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
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: