§63 Сверхпроводимость.

В жизни мы постоянно сталкиваемся с трением. Любое движение сопровождается им. Наличие трения заставило Аристотеля высказать утверждение о том, что для движения тела с постоянной скоростью необходимо действовать на него с постоянной силой. Если по проводнику течет электрический ток, то за счет сопротивления происходит его нагрев. Количество тепла, выделяющееся в проводнике определяется законом Джоуля-Ленца:

Q=I²Rt

из которого следует, что чем больше сопротивление проводника, тем больше тепла выделяется в нем за то же время. При передаче электрической энергии от электростанции к потребителю мы пользуемся проводами, по которым течет электрический ток. Чем большую мощность нам надо передать, тем больший ток должен быть в проводах, тем интенсивнее их бесполезный нагрев и потери энергии. Для уменьшения потерь, надо уменьшать сопротивление проводов. Сопротивление металлического проводника определяется его длиной, площадью поперечного сечения и удельным сопротивлением материала, из которого сделан проводник.

Длину проводов уменьшить нельзя, так как она определяется расстоянием от электростанции до потребителей. Площадь поперечного сечения увеличивать можно, но толстые провода требуют больше металла для изготовления, для их подвески нужны более мощные опоры. Вот хорошо бы найти такой материал, у которого удельное сопротивление было бы равно нулю. Этакий сверхпроводник. По проводам из такого материала можно передавать электроэнергию без потерь, так как если сопротивление равно нулю, то количество выделяющегося тепла равно нулю. В большинстве реальных электронных приборов приходится придумывать способы для охлаждения. Телевизоры и видеомагнитофоны нагреваются при работе. Для уменьшения их нагрева в корпусах делаются специальные отверстия. Телевизор и видеомагнитофон нельзя накрывать. Специальный вентилятор охлаждает процессор компьютера. Именно нагрев при работе микросхем часто ограничивает возможность уменьшения их размеров.

Представить сверхпроводник можно в виде такой модели: в пустоте, ни с чем не сталкиваясь, летят заряженные частицы, например, электроны. При своем движении они не встречают сопротивления, поэтому потерь энергии не происходит.

Каждое вещество обладает удельным сопротивлением, чем меньше удельное сопротивление, тем меньше препятствий при движении свободных зарядов. Если сопротивление движению свободных носителей зарядов в веществе при некоторых условиях исчезнет, т. е. они смогут двигаться подобно свободным электронам в вакууме, то удельное сопротивление вещества обратится в ноль , будет наблюдаться сверхпроводимость.

Сверхпроводимость, физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ при охлаждении их ниже определенной критической температуры Тк и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления постоянному току

Сверхпроводимость была открыта нидерландским физиком Камерлинг-Оннесом Хейке (1853-1926) в 1911 году в ртути.

Сверхпрововдимость – Это не очень маленькое сопротивление, а это полное его отсутствие. Если в замкнутом проводнике с очень малым сопротивлением создать электрический ток, то он исчезнет после отключения источника за миллисекунды, даже если сопротивление проводника миллионные доли ома. Так в комнате становится темно после выключения лампочки, даже если стены в этой комнате зеркальные. Если же сопротивление не маленькое, а равно нулю, то ток не исчезнет. (В комнате с сверхзеркальными стенами темно не станет). В одном из опытов ток в замкнутом сверхпроводнике продолжал течь в течение 2,5 лет и прекратился только потому, что в результате забастовки не смогли вовремя доставить жидкий гелий для поддержания сверхпроводящего состояния.

Долгое время, после открытия Камерлинга считалось, что сверхпроводимость возможна только при очень низких температурах: –269^о С или 4 К. Чтобы получить такую низкую температуру используется жидкий гелий, температура кипения которого при нормальном атмосферном давлении 4,2 К.

Получить жидкий гелий очень сложно. Впервые получили жидкий гелий только в 1908 г. . Его трудно долгое время удерживать в закрытом сосуде, он быстро улетучивается за счет диффузии. Промышленное производство гелия наладили только в 1960 г. Жидкий гелий очень дорогой, поэтому велись исследования с целью найти вещества, у которых сверхпроводимость появлялась бы при более высокой температуре.

Только в 1986 –87 годах удалось получить сверхпроводимость при температуре 30 – 40 К. Это все еще меньше температуры кипения жидкого азота (77,4К),который достаточно дешев. .Однако ее назвали высокотемпературной сверхпроводимостью. Интересно, что ее обнаружили у керамических веществ, которые при обычной температуре являются плохими проводниками. В 1994 г. наивысшей температурой, при которой наблюдалась сверхпроводимость керамики была 160 К. Но для достижения этой рекордной отметки потребовалось высокое давление

Сверхпроводимость пока не получила широкого практического применения. Не разработаны еще промышленные технологии создания дешевых сверхпроводников. Но уже есть большие мощные электромагниты со сверхпроводящими обмотками.

Теория сверхпроводимости еще только разрабатывается. Доказано, что в результате взаимодействия атомов с ядрами, между электронами может возникать силы притяжения и они объединяются в пары, в результате чего приобретают возможность перемещаться внутри вещества, не передавая свою энергию атомам.

В заключение обращаем ваше внимание на то, что при изложении материала этого параграфа мы использовали следующие понятия: проводник, сопротивление, удельное сопротивление, электрический ток, энергия, температура, Кельвин и градус Цельсия, атом, электрон, заряд, кипение, диффузия: вспомнили законы Джоуля – Ленца и Ома. Изложение материала данного параграфа было бы не возможно, если бы вы не владели перечисленными понятиями. Для получения новых знаний нужно обладать необходимыми начальными. Невозможно изучать поэзию, не зная разговорного языка. Эти два года вы учились говорить о законах и явлениях природы.

Сверхпроводимость, физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ при охлаждении их ниже определенной критической температуры Тк и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления постоянному току

Сверхпроводимость при температуре 30 К и выше назвали высокотемпературной сверхпроводимостью.

Упражнение §63

1. 
   Почему для получения и поддержания низких температур используют гелий.
   
2. 
   Как меняется сопротивление металлов при уменьшении температуры?
   
3. 
   Во сколько раз увеличивается сила тока в проводах при увеличении передаваемой мощности в 3 раза.
   
4. 
   Что такое сверхпроводимость?
   
5. 
   Что такое высокотемпературная сверхпроводимость?
   

Задание

*Придумайте эксперимент, с помощью которого можно обнаружить сверхпроводимость. С какими трудностями вам пришлось бы столкнуться при подготовке и проведении этого эксперимента?

***Для интересующихся

10 июля 1908 года в 16:30 в Лейденском университете Каммерлинг-Оннесом был получен жидкий гелий.

Имея в своем арсенале новую область температур, так называемые «гелиевые температуры», Камерлинг-Оннес приступил к исследованию свойств веществ в температурном интервале от нескольких кельвинов до абсолютного нуля.

Измерение, которое можно было сравнительно легко провести при столь низких температурах, заключалось в определении электрического сопротивления провода. Вопрос о величине электрического сопротивления чистых металлов при низких температурах к тому времени приобрел важное значение.

Немецкий физик Вальтер Нернст (1864 –1941) высказал предположение, что при понижении температуры электрическое сопротивление чистого металла должно :постепенно уменьшаться, совсем исчезая при абсолютном нуле.

Этим же вопросом занимался Дьюар (1842 –1923), проводивший измерения при температуре жидкого азота. Он обнаружил, что сопротивление платины при понижении температуры падает с меньшей скоростью, чем предполагалось.

Считалось, что этот результат подтверждает другую теорию, согласно которой носители заряда при абсолютном нуле должны быть прочно связаны с< атомами. Следовательно, электрическое сопротивление при самых низких температурах должно быть бесконечно большим.

Итак, существовали две взаимно противоположные точки зрения. Чему же, в конце концов, должно быть равно электрическое сопротивление при абсолютном нуле: нулю или бесконечности? При каких обстоятельствах к попыткам решить эту проблему подключился Камерлинг-Оннес. Оннес начал эксперименты с той стадии, на которой их окончил Дьюар: Он приступил к определению сопротивления платины уже при гелиевых температурах.

Результаты сначала были мало обнадеживающими, они не подтверждали и не опровергали никакую теорию. Электрическое сопротивление ни падало, ни росло при понижении температуры — оно оставалось постоянным. Оннес заметил, что абсолютная величина сопротивления в его экспериментах не зависит от температуры — она меняется от образ­ца к образцу, и чем чище металл, тем ниже сопротивление. Скорее всего, прав был Нернст, решил Оннес, и сопротивление должно уменьшаться при снижении температуры, но этому препятствуют примеси.

Надо уничтожить примеси. Оннес знал, что золото легче очистить от примесей, чем платину, и он приступил к экспериментам с проводами из самом чистого золота, которое ему удалось достать. Хотя полученные при измерениях значения сопротивления были много ниже, чем у платины, однако и на сей раз сопротивление золота падало с увеличением степени его чистоты.

Но разве исчерпаны все возможности? Ведь существует и другой металл, который можно получить в еще более чистом виде, чем золото. Это ртуть

Поскольку ртуть при комнатной температуре находится в жидком состоянии, ее можно перегоняя вновь и вновь сколько угодно раз, пока не будет достигнута требуемая степень чистоты

В середине 1911 года Оннес проводит эксперимент, всю значимость которого оценили лишь много лет спустя.

На рисунке изображена -кривая зависимости электрического сопротивления ртути от температуры, построенная на основании результатов этого эксперимента. С понижением температуры сопротивление ртути постепенно уменьшается -кривая более или менее плавно снижается. .Вот температура упала до точки кипения гелия, вот она стала чуть меньше.

Что произойдет дальше? Может быть, кривая в соответствии с теорией Нернста, будет так плавно снижаться вплоть до абсолютного нуля температуры?

Может быть, наоборот, кривая круто повернет вверх, устремляясь в бесконечность, как это следовало бы ожидать из результатов Дьюара?

Оказывается, при температуре несколько ниже точки кипения гелия кривая резко повернула вниз словно провалившись в пропасть. Электрическое о противление ртути внезапно исчезло.

Ученый снова и снова повторял эксперимент: ход кривой повторялся с завидным постоянством.

С тех пор в науку вошло новое понятие — сверхпроводимость — явление скачкообразного исчезновения электрического сопротивления металла При охлаждении его до достаточно низкой температуры.

Вскоре оказалось, что явление сверхпроводимости присуще не только ртути, но и олову, свинцу некоторым другим металлам и сплавам, причем каждый из них имеет свою температуру перехода в сверхпроводящее состояние, которую принято называть критической температурой.

Камерлинг-Оннес, сделал одно из самых выдающихся открытий ХХ века. он обнаружил совершенно новое свойство вещества, скрытое ранее в области очень низких температур,— сверхпроводимость.

В 1913 году Камерлинг-Оннесу была присуждена Нобелевская премия по физике за исследование свойств материи при низких температурах, и получение жидкого гелия. В 1925 году он был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР.


<предыдущая страница | следующая страница>