|
Меню сайта
Статистика
|
СверхпроводимостьСверхпроводимостьСпособность твердого тела проводить электричество обусловлена свободными электронами, которые перемещаются между атомами кристаллической решетки. Такие электроны можно для наглядности представить как некую «жидкость», протекающую сквозь решетку кристалла. Под действием электрического поля эта «электронная жидкость» течет через проводник в виде электрического тока. Но между «жидкостью» и кристаллической решеткой происходит трение — электрическое сопротивление металла. Величина сопротивления во многом зависит от состояния кристаллической решетки. При высокой температуре геометрическая правильность решетки существенно нарушается тепловым движением атомов. С понижением температуры эта правильность восстанавливается. Чем ниже температура, тем меньше и сопротивление. В 1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес открыл удивительное явление: при температуре 4,12°К в ртути внезапно исчезает электрическое сопротивление (рис. 2). Вначале предполагали, что какое-то сопротивление в ртути все же остается и его просто не могут измерить. Но и самые чувствительные приборы не обнаружили сопротивления. Это физическое явление назвали сверхпроводимостью. Сверхпроводимость прекрасно иллюстрируется таким опытом. Кольцо из какого-либо сверхпроводящего металла охлаждается жидким гелием. В кольце одним импульсом магнитного поля наводится электрический ток, и этот ток не исчезает до тех пор, пока удается поддерживать в металле низкую температуру. Существование незатухающих токов подтверждают и другие поразительные эксперименты. Опишем один из них. На кольцо, в котором течет незатухающий ток, опускается сверхпроводящий шарик. Магнитное поле кольца индуцирует ток того же направления на поверхности шарика. Так как сопротивление у шарика также равно нулю, индуцированный ток в нем не затухает. Магнитные поля токов кольца и шарика взаимно отталкивают их друг от друга. И вот шарик плавает над кольцом: отталкивающая сила преодолевает его вес (рис. 3). Таким образом, при так называемой критической температуре некоторые металлы скачкообразно переходят в состояние сверхпроводимости, при котором полностью отсутствует электрическое сопротивление. В дальнейшем было открыто, что сверхпроводимостью обладает не только ртуть, но и другие металлы, например олово, свинец, цинк, алюминий. Всего до сих пор открыто 23 элемента со свойствами сверхпроводников. В последние годы ученые обнаружили, что сверхпроводимость возникает и в некоторых сплавах, составные части которых сами по себе таким свойством не обладают даже при самых низких температурах. Таковы, например, сплавы висмута с натрием, с калием. Сверхпроводимость обнаружена более чем у 35 двойных сплавов и примерно у 70 более сложных соединений металлов. Критические температуры перехода в сверхпроводящее состояние образуют интервал более чем в полтора десятка градусов: 18°К — для химического соединения ниобий — олово и 0,165°К — для гафния.
Сверхпроводящие металлы при температуре ниже критической становятся идеальными диамагнетиками. Известно, что различные металлы, находясь в магнитном поле, в той или иной степени пропускают через себя магнитные силовые линии. Ферромагнетики, например железо, втягивают в себя эти линии и сгущают их. В диамагнетике, например в висмуте, магнитные силовые линии, наоборот, несколько разрежены. Сверхпроводники же полностью выталкивают из себя магнитные силовые линии (рис. 4). Если сверхпроводник поместить в магнитном поле, сверхпроводимость нарушается. Чем ниже температура, окружающая сверхпроводник, тем большая сила магнитного поля нужна, чтобы разрушить сверхпроводимость. На рисунке 5 показана зависимость критической температуры свинца от напряженности магнитного поля. В последнее время сверхпроводимость начали применять в технике. После того как были найдены сверхпроводники с высокой температурой перехода (примерно 18°К), стало возможным изготовлять так называемые сверхпроводящие соленоиды. Такой соленоид устроен как и обычный, только обмотка его изготовлена из сверхпроводящей проволоки, например из сплавов ниобий — олово или ниобий — цирконий. Вся обмотка помещается в сосуд с жидким гелием. В этих условиях электрическое сопротивление обмотки равно нулю, и таким образом поддерживается магнитное поле без затраты энергии, которая при других способах нужна, чтобы преодолеть электрическое сопротивление обмотки. Хотя получение жидкого гелия для такого соленоида и требует затраты энергии, эта затрата в сотни раз меньше, чем потребность в энергии обычного соленоида, создающего такое же магнитное поле. Теперь построены сверхпроводящие соленоиды, создающие поле свыше 100 000 эрстед. Сверхпроводящие соленоиды и вообще электротехнические сверхпроводящие материалы и устройства (например, электромагниты, электродвигатели) имеют огромное будущее. Сверхпроводники применяются также, например, в маломощных переключающих устройствах, особенно в устройствах, предназначенных для вычислительных машин. В простейшем виде элемент такого устройства — криотрон — состоит из свинцовой проволоки, на которую намотана однослойная катушка из ниобиевой проволоки (рис. 6 и 7).Когда магнитное поле в сверхпроводящем соленоиде из ниобиевой проволоки превысит критическую для свинца величину, сверхпроводящий ток в свинцовой проволоке прерывается, и это соответствует размыканию цепи. Криотрон можно использовать как реле в электронно-счетной машине. В узлах электронно-счетной машины, состоящих из криотронов, достигнута скорость переключений около 20 млн. в секунду.В криотроне можно создать незатухающий ток, и тогда он становится запоминающим устройством для хранения информации. Такие устройства позволяют образовывать большие запасы легко и быстро «читаемой» информации. Каждый отдельный элемент прост и дешев. Затрата энергии на работу машины с криотронами так мала, что ею можно пренебречь. Все эти преимущества криотронов оправдывают применение дорогостоящих низких температур.
|
ПОИСК
Block title
|
