Продолжая просматривать сайт, вы подтверждаете, что ознакомились с обновленной политикой конфиденциальности и соглашаетесь на использование файлов cookie.
Соглашаюсь
Главная Сегодня

Что такое сверхпроводимость и чем полезно человечеству отмороженное сопротивление

При очень низких температурах материалы изменяют свойства

Эффект Мейсснера. Классический эксперимент, демонстрирующий возможности сверхпроводимости — магнит висит над сверхпроводником, охлажденным жидким азотом
Эффект Мейсснера. Классический эксперимент, демонстрирующий возможности сверхпроводимости — магнит висит над сверхпроводником, охлажденным жидким азотом

То, что материалы с изменением температуры меняют свойства, известно не только из школьного курса, но даже из жизненного опыта. Например, остывая, они сокращаются в размерах. Электрические свойства — не исключение.

В 1910 году физик Хейке Каммерлинг-Оннес (Нидерланды) начал исследовать поведение веществ при экстремальных температурах в интервале от –271 °C до –259 °C.

Вскоре ученый выяснил, что электрическое сопротивление ртути фактически исчезает при температуре –269 °C. Оказалось, что подобным образом ведет себя не только ртуть, но и многие другие металлы. Каммерлинг-Оннес назвал открытое явление сверхпроводимостью.

В 1914 году ученый представил очень показательный эксперимент. Катушку из свинцовой проволоки охладили в магнитном поле, создаваемом электромагнитом, до –271 °C. Естественно, в катушке появился индукционный ток. Он удерживал своим магнитным полем размещенную над катушкой иглу. Затем электромагнит выключили, поле исчезло. Но 1,5 часа, пока катушка была в криостате, сила тока не изменилась: игла висела. Без явления сверхпроводимости ток и индуцированное им магнитное поле исчезли бы мгновенно, игла упала бы.

Теоретического обоснования открытию в то время найти не смогли. Во второй половине XX века оно получило, наконец, свое теоретическое объяснение на базе квантовой теории. Крайне упрощенно можно говорить, что при холоде, близкому к абсолютному нулю, электроны выстраиваются в ряды и движутся, не сталкиваясь с атомами кристаллической решетки. Процесс принципиально отличается от хаотичного движения при более высоких температурах.

Хотя объяснение было найдено, сверхпроводимость оставалась удивительным феноменом, без какого-либо практического применения — в силу того, что для ее появления нужны очень низкие температуры, получение которых требовало огромных затрат.

В 1986 году Карл Мюллер и Георг Беднорц обнаруживают сверхпроводимость в композитном материале при температуре "всего лишь" –240 °C. Ее назвали высокотемпературной, и она открыла двери к применению этого явления в технике.

a_maglev_train_coming_out_pudong_international_airport_shanghai
Маглев. Поезд на магнитной подушке, курсирующий между Шанхаем и международным аэропортом

Применение: наука и поезда

Сверхпроводимость давно перестала быть сугубо научным феноменом. Она нашла применение во многих областях.

  • Наука

В фундаментальных исследованиях требуется создание условий с невероятными характеристиками: например, мощнейшие магнитные поля. Подходящие электромагниты научились изготовлять на основе сверхпроводников: почти все конструкции термоядерных реакторов используют сверхпроводящие магниты. В Большом адронном коллайдере вдоль ускорительного кольца (длина — 27 км) установлены 1232 магнита из сверхпроводников. Они создают магнитное поле, удерживающее разгоняемые внутри кольца элементарные частицы
.
В Ливерморской лаборатории (США) строится установка для изучения такого малопонятного явления, как темная материя. Ученые допускают ее существование, но не более того: обнаружить ее экспериментально пока никому не удалось. В строящейся установке сверхпроводники используют для создания мощных магнитных полей и датчиков, которые будут искать темную материю.

3011_1
Коллайдер. Один из 1232 огромных сверхпроводящих магнитов
Фото: CERN
  • Передача энергии

Не вдаваясь в тонкости, можно сказать, что исключение сопротивления из технологии передачи электроэнергии позволило бы снизить потери и упростить процесс передачи. Попробовать использовать сверхпроводимость при решении этой задачи сам бог велел. Давно уже стало понятно, что выгода применения сверхпроводящей ЛЭП определяется главным образом стоимостью сверхпроводящих материалов и затратами на охлаждение линии. Сверхпроводящий кабель подключается к источнику энергии, а его охлаждающая система — к криомашине (примитивно говоря — холодильнику). Увы, современные криомашины обеспечивают поддержку необходимой температуры на расстоянии всего 3—4 км. Дальше нужно ставить дополнительный охладитель и так далее. Если вспомнить, что в кабеле нужно поддерживать лютый холод (–196 °С), то можно представить, как сложна и энергозатратна такая линия электропередач. Тем не менее работы в этом направлении ведутся постоянно. Подобные линии есть в США, Германии, Южной Корее, Японии. Так, в Олбани (США) построена линия, рассчитанная на напряжение 34,5 кВ при токе 800 А. При этом длина кабеля — всего 350 м.

  • Маглев

Трение накладывает ограничения на скорость движения. Уже почти век предпринимаются попытки создать поезд, парящий в нескольких сантиметрах над землей, что теоретически позволит в этом случае добиться от поезда скорости самолета. Чтобы заставить поезд зависнуть, используется свойство магнитов, которые отталкиваются друг от друга одинаковыми полюсами. Транспортную систему, построенную на таких принципах, назвали "маглев" (от словосочетания "магнитная левитация").

Один из самых известных коммерческих маглевов соединил аэропорт и город Шанхай в Китае. Расстояние 30 км состав на магнитной подушке преодолевает меньше чем за 8 мин., разгоняясь до скорости 431 км/ч. Этот поезд на магнитной подушке эксплуатируется с 2004 г. Его строительство обошлось в $1,2 млрд.

640b
США. Сверхпроводящие кабели и криогенная станция на заднем плане
Фото: LIPA

Интриги: первооткрыватели подогревают страсти

Этим летом вокруг сверхпроводимости случился переполох.

Индийские ученые Дев Кумар Тапа и Аншу Пандей сообщили, что получили сверхпроводимости при рекордно высокой температуре. В опубликованном препринте утверждается, что некий материал из золота и серебра стал сверхпроводником при температуре –37 °C! К тому же при атмосферном давлении.

Нобелевская премия за такое достижение обеспечена, но никакой почет и вознаграждение не сравнится с возможностями открытия в разных сферах. Если сообщение соответ­­ст­вует действительности, то для устройств на основе сверхпроводимости отныне достаточно обычной холодильной техники: жидкие гелий и азот уйдут в прошлое.

Сообщение вызвало бурю в ученом сообществе. Но в препринте не упомянут ряд важных деталей эксперимента: например, только в самом общем виде описан материал, в котором проявилась сверхпроводимость. Но авторы объясняют такую скрытность определенными ритуалами в публикации научных статей. Препринт — это короткое сообщение, которым ученый информирует о будущей публикации в научном журнале, там простительны какие-то ошибки и неверные заключения.
Индийцы заявили, что не раскрывают карты, пока статья не пройдет рецензирование. Но заявленный результат настолько впечатляющ, что коллеги не вытерпели и взялись обсуждать новость. В конце концов, несмотря на ряд придирок, критики согласились подождать выхода статьи. Не исключено, что мы все-таки услышим о новом прорыве.

26
Храм науки. Индийский научный институт в Бенгалуру, где, возможно, сделано эпохальное открытие

Это не первая история с налетом скандальности, связанная со сверхпроводимостью. Так, в 80-х годах XX в. в Хьюстонском университете команда профессора Пола Чу занималась высокотемпературной сверхпроводимостью.

Они создали материал с уникальными, как для 1987 г., свойствами. Пол Чу предположил, что при рецензировании найдутся те, кто обнародует результаты под своим именем, и разыграл изящную интригу. В рукописи, направленной в редакцию, Чу заменил иттрий (обозначение — Y) на иттербий (Yb), и указал неверные пропорции. Редактируя уже подготовленную к печати статью, Чу исправил подлог. Предчувствия его не обманули: почти сразу после публикации работы Чу и его коллег несколько научных коллективов сообщили об экспериментах с соединениями иттербия (Yb)! Правда, результаты были не столь впечатляющи, как у хьюстонцев. История получила огласку. Коллеги поначалу обвинили Чу в умышленном дезинформировании и пренебрежении научной этикой. Но вскоре поостыли, и, все взвесив, большинство критиков заявили, что ученый поступил правильно.

В 1987 г. прошла конференция Американского физического общества. На ней Чу доложил результаты работы его команды. На конференцию съехалось 4 тысячи участников, бурно обсуждавших услышанное. В научном фольклоре этот форум известен как "Вудсток физиков" — по аналогии с легендарным рок-фестивалем. Тогда высокотемпературные сверхпроводники обрели широкую известность, а ученая братия во многих странах получила финансирование таких исследований.

the-gathering-1
1987 г. На легендарный "Вудсток физиков" собрались тысячи ученых

Украинский след

Важный этап в исследованиях сверхпроводимости связан с Харьковом. В 30-е гг. здесь появился Украинский физико-технический институт (УФТИ). В 1930 г. в нем работал физик Лев Шубников.
До этого молодой ученый успел поработать за границей: он приобрел опыт в Лейденской лаборатории, основанной первооткрывателем явления сверхпроводимости Хейке Камерлинг-Оннесом. Там ученый работал с такими выдающимися учеными, как Лев Ландау и Петр Капица, и стал соавтором открытия, получившего название эффект Шубникова-де Хааза. В 1931 г. Лев Шубников становится руководителем лаборатории низких температур УФТИ — первой в СССР и четвертой в мире.

Ученый подошел к организации дела с размахом. Здесь впервые в СССР заработали установки по получению жидких водорода и гелия. А в 1935 г. в Харькове открылась уникальная для своего времени Опытная станция глубокого охлаждения. Она дала начало Физико-техническому институту низких температур НАНУ, работающему по сей день.

Великий физик Лев Ландау так характеризовал коллегу: "Лев Васильевич Шубников, несомненно, был один из крупнейших физиков, работавших в области низких температур, не только у нас в Союзе, но и в мировом масштабе. Многие его работы до настоящего времени являются классическими".
К сожалению, дальнейшая судьба выдающегося ученого сложилась трагично. В 1937 г. Льва Шубникова арестовали по нелепому обвинению в шпионаже и расстреляли.

memorialna_doshka

Источник: "Сегодня"

Новости партнеров

Новости партнеров