Явление сверхпроводимости

Некоторые вещества при сильном охлаждении перестают оказывать сопротивление электрическому току. Такие вещества называются сверхпроводниками. Сверхпроводники применяют в медицине, транспорте, ядерной физике и других сферах.

У сверхпроводников есть ряд необычных свойств. Например, если над сверхпроводником поместить магнит, то последний зависнет в воздухе. Это явление называется эффектом Мейснера. Еще одно удивительное свойство сверхпроводника -выделение пара при охлаждении до сверхнизких температур.

Явление сверхпроводимости случайно открыл в 1911 г. нидерландский физик Хейке Камер-линг-Оннес, охладив ртуть до температур жидкого гелия.

Многие годы ученые считали, что сверхпроводимость может существовать лишь при температурах, почти не отличающихся от абсолютного нуля (О К = -273,15 °С или -459,67 °F). Температура, ниже которой возникает сверхпроводимость, называется критической температурой перехода (Тк).

Большинство сверхпроводников 1-го рода-чистые металлы, у которых сверхпроводимость возникает лишь при очень низких температурах. Некоторые сплавы металлов, относящиеся к сверхпроводникам 2-го рода, имеют более высокую Тк, особенно при очень сильном давлении. Вплоть до 1985 г. наивысшая Тк при атмосферном давлении у одного из сплавов ниобия равнялась 23,2 К (-249,95 °С).

В апреле 1986 г. была открыта «высокотемпературная» сверхпроводимость. Сотрудники Исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе, швейцарский физик Карл Александр Мюллер и немецкий физик Георг Беднорц, начали эксперименты с керамикой - на первый взгляд, неподходящим кандидатом в сверхпроводники, ведь керамику часто применяют в качестве изолятора. Мюллер и Беднорц обнаружили, что керамика на основе лантана, бария и оксида меди обладает Тк около 35 К (-238,15 °С). Хотя с обыденной точки зрения это немыслимо низкая температура, но открытие показало, что Тк могут быть значительно выше, чем те, что наблюдались до сих пор. Уже через несколько месяцев после публикации открытия Мюллера и Беднорца несколько лабораторий достигло Тк = 39 К (-234,15 °С), заменив барий стронцием. В марте 1987 г. работавший на тот момент в США китайский физик Чингву (Пол) Чу с коллегами из Хьюстонского университета и с By Маукуэн из Университета Алабамы (Хантсвилл) докладывают о достижении Тк = 98 К (-175,15 °С) при замене латана иттрием в молекуле керамики, созданной Мюллером и Беднорц ем. За первую половину 1987 г. в научных журналах было опубликовано по меньшей мере 800 работ, посвященных высокотемпературной сверхпроводимости, а во второй половине года каждую неделю выходило до 30 научных трудов. В 1988 г. последовали многочисленные сообщения о Тк = 125 К (-148,15 °С) для соединений таллия, бария, кальция, меди и кислорода, сообщалось даже о достижении для соединения таллия Тк = 140 К (-133,15 °С). Соединения на основе таллия получили в США условное название «табаско», а в Британии - «табак». Правда, исследовать их было трудно, так как таллий очень ядовит.

Большинство ученых экспериментировали с керамикой, но некоторые занялись сверхпроводимостью открытых в 1985 г. фуллеренов (их называют также бакиболами). Фуллерен - это одна из трех аллотропных форм углерода. Молекула фуллерена (С60) состоит из 60 атомов, которые собраны в сферическую фигуру, похожую на крохотный футбольный мяч. В 1991 г. сотрудники «Белл лабораториз» в Нью-Джерси (США) сообщили, что при допировании С6о калием (К) образовалась молекула К3С60. Получившееся вещество приобретало свойство сверхпроводимости при 18 К (-255,15 °С). Другие исследователи варьировали состав, используя вместо калия рубидий или цезий. В таких случаях Тк повышалась до 33 К (-240,15 °С), а при добавлении таллия -до 42 К (-231,15 °С).

В 1993 г. группа из Швейцарского федерального технологического института (Цюрих) под руководством Ганса Р. Отта создала на основе ртути, бария, кальция, меди и кислорода керамику с Тк = 133 К (-140,15 °С). В том же году Чинг-ву Чу и Мануэль Нуньес-Регейро из Национального центра научных исследований в Гренобле достигли Тк = 153 К (-120,15 °С) для керамики на основе ртути под давлением, в 150000-230000 раз превышающим атмосферное. Некоторые группы ученых заявляли, что открыли вещества, обладающие сверхпроводимостью при комнатной температуре, то есть при 300 К (26,85 °С), но эти сведения не подтвердились.

Для того чтобы охладить низкотемпературные сверхпроводники до нужной TR, их погружают в жидкий гелий - редкий на Земле и довольно дорогой газ. Для охлаждения высокотемпературных проводников применяют жидкий азот, который дешев и легкодоступен. Он кипит при 77 К (-196,15 °С).

Электрические генераторы со сверхпроводящими обмотками примерно вдвое меньше обычных генераторов и достигают КПД = 99 %, поскольку ток течет в них без потерь.

Проволока из сверхпроводящих материалов используется для изготовления сверхпроводящих магнитов. Последние имеют самое разнообразное применение: магнитная сепарация заряженных частиц (в токамаке), томография, генераторы, поезда маглев. В декабре 2003 г. на испытательной трассе в Яманаси маглев достиг скорости 581 км. К Всемирной выставке 2005 г. в Японии была открыта коммерческая 9-километровая линия маглев, обслуживавшая выставку и прилегающий район. Б 2002 г. в Шанхае (Китай) начала работу линия данного вида поездов, связывающая город с аэропортом.

В конце XX - начале XXI в. Япония активно занималась испытаниями поезда маглев. Предполагается построить линию маглев между Токио и Осакой. Поездка на такой линии со скоростью около 500 км/ч займет около часа.