РОССИЙСКО НАУЧНО – СОЦИАЛЬНАЯ ПРОГРАММА
ДЛЯ МОЛОДЁЖИ И ШКОЛЬНИКОВ
“ШАГ В БУДУЩЕЕ”
Координационный центр по Самарской области
Сверхпроводимость.
Работа на Шестую научно – техническую
конференцию молодёжи и школьников
“Конгресс молодых исследователей”
Автор:
Кораблёв Павел Александрович
Россия, г. Тольятти,
МОУ – лицей № 51, 11″Б” класс
Научный руководитель:
Учитель физики, Томчина Людмила Михайловна
МОУ – лицей № 51
Тольятти
1999 г.
Сверхпроводимость.
Кораблёв Павел Александрович
Россия, г. Тольятти,
МОУ- лицей № 51, 11″Б” класс
Аннотация.
В своей работе я провёл обзор литературы по теме “явление
сверхпроводимости” – теме, которая практически не представлена в
школьном курсе физики, но тем не менее представляет собой огромный
интерес для изучения. В работе рассказывается о физической сущности
данного явления (теория Бардина-Купера-Шриффера(БКШ)), его особенностях
(идеальная проводимость и идеальный диамагнетизм) с точки зрения
квантовой теории. Освещается также и такой вопрос, как существование
сверхпроводимости не только при температурах,. близких к абсолютному
нулю, но и при “комнатных”. Рассмотрено применение сверхпроводящих
материалов в науке и технике.
1. Введение.
Сверхпроводимость – способность вещества пропускать электрический ток,
не оказывая ему ни малейшего сопротивления. Это явление тесно связано со
сверхнизкими температурами, близкими к абсолютному нулю. Само понятие
абсолютного нуля вошло в физику из газового закона, а потом
распространилось на все состояния вещества и приобрело фундаментальное
значение для всей физики.
Абсолютному нулю соответствует температура – 273 °С. Никакое вещество
нельзя охладить ниже этой температуры, т. е. при абсолютном нуле
молекулы вещества обладают наименьшей энергией, которая уже не может
быть отнята у тела, ни при каком охлаждении. При каждой попытке охладить
вещество энергии в нём остаётся всё меньше и меньше, но всю её вещество
никогда не сможет отдать охлаждающему устройству. По этой причине учёные
не достигли абсолютного нуля и не надеются сделать это, хотя они уже
достигли температур порядка миллионных долей градуса.
Исследование при температурах, близких к абсолютному нулю, давно
привлекали к себе внимание учёных. При таких температурах им открылось
много удивительных явлений. Ртуть замерзала так, что ей можно было
забивать гвозди, резина разлеталась на осколки при ударе молотком,
некоторые металлы становятся хрупкими как стекло.
Всё это удивительно, но суть получения низких температур гораздо глубже.
Поведение вещества вблизи абсолютного нуля не имеет ничего общего с его
поведением при обычных температурах. Именно здесь начинают проявляться
многочисленные красивые эффекты, которые при обычных условиях, как
правило, замаскированы тепловым движением атомов.
Но путь к абсолютному нулю оказался непростым. Он начался с опытов по
сжижению газов. Долгое время не были получены в жидком виде такие газы
как, кислород, азот, водород, гелий, поэтому их называли постоянными
газами. Но оказалось, что они просто имели очень низкую температуру
кипения, соответственно –183°C, –196°C, –253°C. Последней ступенью к
абсолютному нулю стало сжижение гелия. Первым его получил голландский
физик Камерлинг-Оннес, при рекордно низкой температуре 4,2 К.
После этого опыта началась активная работа по изучению свойств веществ
при гелиевых температурах. Этой же проблемой занимался и
Камерлинг-Оннес. И одним из первых его исследований, в области новых
температур, было изучение зависимости электрического сопротивления от
температуры. Эта проблема исследовалась и ранее, опыты показывали, что с
понижением температуры, сопротивление металлов падало. Эта зависимость
была исследована вплоть до температуры кипения водорода. Но что будет
дальше? Уже высказывались различные предположения. Все они сводились к 3
основным положениям.
Большая часть учёных придерживалась мнения: при абсолютном нуле
электрическое сопротивление должно исчезать, этому соответствует кривая
1. Объяснялось это тем, что при понижении температуры амплитуда
колебаний атомов уменьшается, следовательно, столкновения с ними
свободных электронов становятся реже, и, таким образом ток встречает
меньшее сопротивление. При абсолютном нуле, когда решётка уже
неподвижна, сопротивление проводника становится равным нулю. Эта модель
была самой распространённой, хотя теоретически были возможны и другие
варианты.
Например, небольшое сопротивление току могло сохраниться и при
абсолютном нуле, поскольку и тогда некоторые электроны продолжали
сталкиваться с атомами кристаллической решётки. Кроме того,
кристаллические решётки, как правило, не являются идеальными: в них
всегда есть дефекты и примеси посторонних атомов. Этому предположению
соответствует кривая 2. Была также выдвинута гипотеза, по которой
электроны проводимости при низких температурах объединяются с атомами,
что приводит к бесконечно большому сопротивлению при температуре,
стремящейся к 0 К. Это показано кривой 3.
Итак, существующие теории давали совершенно противоположные
предсказания, и, тем не менее, трудно было представить какой-либо другой
вариант. Нужен был эксперимент. Этим и занималась лаборатория
Камерлинг-Оннеса. Так как сам полюс холода недоступен, то
Камерлинг-Оннес, имеющий в своём распоряжении температуры вплоть до 1 К,
измерял электрическое сопротивление при разных температурах. Затем
строились кривые, которые можно было продолжить, т.е. составить прогноз
для интересующей нас области.
Сначала исследовались образцы платины и золота, т.к. именно эти металлы
имелись в достаточно чистом виде. Полученные результаты укладывались в
рамки существующих теорий. С понижением температуры сопротивление
падало, стремясь к некоторому предельному значению. Однако было
замечено, что чем чище металл, тем меньше его остаточное сопротивление.
Поэтому Оннес решил использовать ртуть, т.к. это вещество при комнатной
температуре находится в жидкой фазе и путём последовательной перегонки
можно получать всё более и более чистую ртуть.
Сначала всё шло так, как предусматривала теория. Сопротивление плавно
падало с понижением температуры, и вдруг, при температуре около 4,2 К
сопротивление ртути стало столь мало, что его не удавалось зафиксировать
имеющимися приборами.
Опыт был повторён на более совершенной аппаратуре, на образце очень
загрязнённой ртути, у которой остаточное сопротивление должно было быть
явно выраженным, но сопротивление всё равно резко падало. В ходе опыта
было также выяснено, что скачок сопротивления происходит в чрезвычайно
узкой области температур (порядка сотых долей градуса) около отметки 4,1
К.
Тогда, наверное, Камерлинг-Оннес впервые произнёс слово
«сверхпроводимость». Итак, хронология событий такова. В 1908 году Оннес
получил жидкий гелий, в 1911 – открыл новое состояние вещества, а в 1913
– ему была присуждена Нобелевская премия. Далее последовали активные
поиски новых сверхпроводников, исследование их свойств и способов их
применения в физике и промышленности. Об этом и будет рассказано ниже.
2. Свойства сверхпроводников.
После открытия сверхпроводимости у ртути, первым возник вопрос: это
свойство одной лишь ртути или оно присуще всем металлам? Оказалось, что
многие другие металлы, такие как олово, свинец, ниобий, могут переходить
в сверхпроводящее состояние. С другой стороны, такие хорошие проводники
тока как медь, серебро, золото, вплоть до самых доступных температур
(порядка 10-6 К) не обнаруживают нулевого сопротивления.
Другой естественный вопрос: действительно ли сопротивление падает до
нуля? Может быть, оно настолько мало, что не доступно измерительной
технике. Чтобы ответить на этот вопрос, проводился следующий опыт.
Сверхпроводник помещался в жидкий гелий, в нем возбуждался ток, а затем
наблюдали за изменением силы тока. Подобные опыты длились иногда
несколько лет, но никаких признаков затухания тока не было обнаружено.
Из этого следовало, что удельное сопротивление сверхпроводника меньше,
чем 10-25 Ом(м. В то время как удельное сопротивление меди при комнатной
температуре 1,55(10-8 Ом(м. Разница столь огромна, что можно считать
сопротивление сверхпроводника равным нулю.
Этот ноль заинтересовал очень многих физиков не только как странное и не
понятное явление, но и в практическом плане. Ведь по закону Джоуля-Ленца
расходуемая мощность прямо пропорциональна сопротивлению: P=I2(R
И как ни мало сопротивление металлов, оно все же ограничивает
технические возможности устройств. Так, в частности, происходит и с
электромагнитами. Получение сильных магнитных полей требует больших
токов, что приводит к выделению колоссального количества тепла в
обмотках. Поэтому казалось перспективным использование сверхпроводников.
Уже в 1913 году Камерлинг-Оннес публикует статью, в которой предлагает
построить мощный электромагнит с обмотками из сверхпроводящего
материала. Такой магнит, по его мнению, не потреблял бы энергии, но все
оказалось гораздо сложнее. Дело в том, что, как только по
сверхпроводнику пытались пропускать значительный ток, сверхпроводимость
исчезала. Более того, вскоре выяснилось, и слабое магнитное поле также
уничтожает сверхпроводимость.
Сверхпроводник в магнитном поле
Итак, экспериментом было установлено, что если какой-либо металл лишился
сопротивления при охлаждении, то он снова может вернуться в нормальное
состояние, попав во внешнее магнитное поле. При этом у металла
восстанавливается примерно тоже сопротивление, которое у него было при
температуре T > Тк. Причем само критическое поле с магнитной индукцией
Вк зависит от температуры: Вк = 0 при Т = Тк и возрастает при
температуре, стремящейся к нулю. Конечно же, все металлы имеют разные
зависимости Вк (Т), но для многих из них эта зависимость подобна, как
это изображено на рисунке. Данный график можно рассматривать и как
диаграмму, где линия зависимости В(Т) для каждого металла разграничивает
области существования разных фаз. Область ниже этой линии соответствует
сверхпроводящему состоянию, а выше – нормальному.
. При этом суммарное магнитное поле может быть как больше, так и меньше
магнитного поля.
=µ. Коэффициент µ называют магнитной проницаемостью вещества. Вещества,
в которых при наложении внешнего магнитного поля возникающее внутреннее
поле добавляется к внешнему (µ > 1), называются парамагнетиками.
В диамагнетиках (µ
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
