2014-04-04

Надпровідність

3.75 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 3.75 (2 голосів)

Надпровідність

Після ейфорії, яка охопила вчений світ після відкриття Камерлінг-Оннесом надпровідності, настало і деяке розчарування, пов’язане як з тим, що надпровідність легко руйнувалася під дією електричного і магнітного полів, так і з тим, що не вдалося виявити речовин, які б її зберігали при температурі більше 10 К. Проте фізики продовжували дослідження.

Питання могли розв’язати лише нові факти, отримані з експериментів, і теорія, яка, з одного боку, могла б врахувати ці факти і, з іншого боку, показала б, на що можна було б розраховувати в перспективі.

В 1933 році Мейснер і Оксенвельд виявили, що зовнішнє магнітне поле не проникає всередину надпровідника, якщо його значення не перевищує деякого критичного значення. Це явище – «виштовхування» магнітного поля з надпровідника одержало назву «ефекту Мейснера». Наступні дослідження доповнили картину процесів у надпровіднику, пов’язану із цим ефектом.

Серед них важливе місце зайняли результати, отримані Л. Шубніковим в Харкові ще в 1934 році і потім А. Шальниковим у Москві. Вони виявили усередині надпровідника складний «проміжний стан» – чергування нормальних шарів з надпровідними. Таке явище отримало назву «фази Шубнікова». Виявилося, що при збільшенні поля воно проникає в надпровідник не відразу (і отже, пригнічує надпровідність теж не відразу). Це складний процес, надпровідник йому завзято пручається, відстоюючи кожну проміжну позицію. Якщо можна було б якось збільшити цю протидію, то підвищилися б і критичні струми, і критичні температури.

В 1937 році Ландау теоретично вивів те ж, що показав Шубніков в експерименті – у надпровіднику перехід у нормальний стан повинен відбуватися не відразу, а поступово.

Поняття про такий «проміжний» стан надпровідників увели за рік до цього в Англії Р. Пайєрлс і Ф. Лондон. У міру збільшення поля воно частково проникає в надпровідник, причому повинні утворюватися шари, що чергуються – надпровідні і нормальні.

В 1950 році Л. Д. Ландау і В. Л. Гінзбург зробили наступний крок – вони створили феноменологічну теорію надпровідності. В основу була покладена ідея Ландау про аналогію між надпровідністю і надтекучістю.

У тому ж 1950 році групою радянських фізиків була почата розробка теорії так званих надпровідників II роду, які могли більш успішно протидіяти проникненню в них магнітного поля, ніж звичайні. В 1952 році робота була завершена.

В 1956 році американський фізик Л. Купер розробив нову теорію, за якою вільні електрони, що несуть струм, у надпровіднику рухаються не індивідуально, а утворюють пари. Такий зв’язок між ними вважався до цього абсолютно неможливим, оскільки, маючи однакові негативні заряди, вони повинні взаємно відштовхуватися. Однак при кріотемпературах їхня взаємодія з атомною решіткою металу створює силу тяжіння, що долає це відштовхування. Електрони, що рухаються парами ( так звані «куперовські пари»), переміщаються в надпровіднику без опору. Але, на жаль, зв’язки цих пар міцні тільки при низьких температурах, підігрів або дія сильного магнітного поля приводять до їхнього розриву, і надпровідність зникає. Теорія «куперовських пар», дала міцну основу для розуміння надпровідності.

У 1957 році (через 46 років після відкриття Камерлінг-Оннеса) була створена перша досить повна того часу мікроскопічна теорія надпровідності, основана на «куперовських парах». Американські фізики Дж. Бардін, Л. Купер і Дж. Шріффер отримали за цю роботу Нобелівську премію.

Паралельно з розвитком теорії йшли і пошуки нових, стійких надпровідників, можливість використання яких вона пророкувала. І дійсно, в 1961 році перший такий сплав ніобію з оловом Nb3Sn був отриманий у США Л. Кунцлером. Були знайдені й інші сплави, критичні температури яких доходили до 24 К. Вони дозволили створювати потужні магнітні поля.

Мрія Камерлінг-Оннеса нарешті здійснилася. Почалася смуга розробок електротехнічного обладнання на надпровідниках, насамперед потужних магнітів, що дають поля в десятки Тесла, і не на короткий час, а постійно.

Якщо говорити про головний напрямок, у якому надпровідники вже зайняли міцне місце – виготовлення соленоїдів для створення сильних магнітних полів, то тут при використанні постійного струму тепловиділень практично немає. Тому кріорефрижератор повинен відводити тільки тепло, що проникає через ізоляцію, а воно порівняно невелике. Соленоїд запитується струмом один раз, а потім він практично необмежено довго циркулює в обмотці.

Зараз компактне надпровідне обладнання, що забезпечує сильні магнітні поля, широко застосовується насамперед у наукових дослідженнях для створення експериментальних установок, зокрема прискорювачів заряджених часток, бульбашкових камер і «магнітних вловлювачів» для утримання плазми в термоядерних дослідженнях.

У промисловості надпровідникові магніти використовуються для сепарації матеріалів, що містять феромагнітні домішки, для безрейкових поїздів на магнітній підвісці, у деяких електричних машинах. Нарешті, вони допомогли зробити істотний крок уперед у медицині як для магнітної діагностики (томографія), що дозволяє без рентгенівського опромінення побачити на екрані будь-яку ділянку всередині людського тіла, так і для лікування.

Усі ці успіхи породили надії і на більш широке використання надпровідників в енергетиці. Це стосувалося головним чином таких завдань: створення далеких ліній електропередачі (ЛЕП) з малими втратами, великих електричних машин (генераторів і двигунів) і, нарешті, накопичувачів енергії.

Розв’язання першого завдання обіцяло істотне зниження втрат у ЛЕП і можливість здійснювати передачу величезних потоків електроенергії між віддаленими районами. Якби вдалося вирішити друге завдання, то це дало б можливість не тільки знизити електричні втрати в машинах, а й зменшити чи не вдвічі їхні габарити. Відповідно можна було б у стільки ж раз збільшити їхню одиничну потужність, що дало б дуже великий економічний ефект.

Нарешті створення великих накопичувачів електроенергії у вигляді величезних надпровідникових соленоїдів, які б заряджалися під час «провалів» споживанні, а віддавали енергію в мережу під час «піків», мало б колосальне значення. Воно зняло б головний недолік електроенергії – неможливість запасати її у великих кількостях. Хімічні акумулятори або батареї конденсаторів на це нездатні.

Однак для довгих ЛЕП не вистачило б гелію, виробленого у розвинених країнах. У машинах важко забезпечити теплову ізоляцію і подачу рідкого гелію в рухомі частини. У великих накопичувачах виникали такі розривні зусилля від відштовхування обмоток, що потрібно було поміщати соленоїд у надміцну конструкцію діаметром сотні метрів і до того ж теплоізольовану... І головне, потрібно багато потужних гелієвих рефрижераторів, які і коштують чимало, і електроенергії споживають дуже велику кількість.

Стало зрозуміло, що якщо надпровідність не відірветься нагору від рівня гелієвих і водневих температур, вона в потрібному об’ємі ніколи не розв’яже глобальні завдання.

Серед оптимістів, впевнених у тому, що надпровідність вирветься на більш високий температурний рівень, провідне місце займав академік В. Гінзбург. Він навіть написав книгу на цю тему, де ввів термін «високотемпературна надпровідність» і розглянув можливі її варіанти. Однак виявити щось подібне експериментально не вдавалося, незважаючи на те що фізики-оптимісти в усьому світі вели наполегливий пошук.

Зрештою у 1986 році прорив відбувся, але не там, де його чекали.

Співробітники швейцарського науково-дослідного підрозділу відомої американської фірми «Інтернейшенл бізнес мешин» Дж. Беднорц і А. Мюллер, досліджуючи електропровідність кераміки, що містить рідкоземельні елементи, виявили, що вона переходить у надпровідний стан при 30 К. Далі сенсації посипалися одна за іншою – лабораторії в багатьох країнах «навалилися» на такі кераміки. Було знайдено аналогічні матеріали, що зберігали надпровідність і при більш високих температурах, майже до азотних (78 К) і навіть ще вищих – більше 100 К. Дж. Беднорц і А. Мюллер цілком заслужено стали в 1987 році лауреатами Нобелівської премії.

Незважаючи на значну роботу теоретиків усього світу, механізм цього виду надпровідності ще не ясний.

Сенсаційне відкриття високотемпературної надпровідності відродило надії на створення надпровідникових ліній електропередач, накопичувачів електроенергії, генераторів і багатьох інших пристроів. Адже головна перешкода – важке і дороге забезпечення кріотемператур на гелієвому або водневому рівнях – відпадало! Працювати з рідким азотом або іншими аналогічними кріоагентами набагато легше. Деякі «фахівці» (правда, далекі від кріогеніки) навіть стверджували всерйоз, що «рідкий азот дешевший від газованої води». Це, звичайно, далеко не так. Однак перехід з рівня температур 4-20 К на рівень температур 80-100 К безсумнівно створило б зовсім нові, якісно більш сприятливі умови для розширення використання надпровідників у техніку.

Але, на жаль, все виявилося складніше. Повторилася та ж ситуація, що склалася в часи Камерлінг-Оннеса після відкриття надпровідності. Нові керамічні провідники поки не витримують великих струмів – надпровідність легко руйнується. Крім цього, для практичного використання потрібні надпровідні проводи і кабелі, а не пластини чи плівки з кераміки. Тому йде складна, повільна, але не безуспішна робота зі створення нових потужнострумових надпровідників і виробів з них. Якщо вона завершиться успішно, відкриються величезні можливості: усі описані проекти ( та й багато інші) запрацюють. З’явиться можливість створення ліній електропередач, електричних машин, компактних накопичувачів (акумуляторів) енергії величезної ємності – стаціонарних і транспортних, потужних електромагнітів, приладів та іншого обладнання (аж до «магнітних гармат», що закидатимуть об’єкти в космос).

 

Читайте також:

 

Коментарі:

blog comments powered by Disqus