Детская энциклопедия

Меню сайта











Сверхпроводимость

Способность 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.

 

 





 
Календарь
«  Декабрь 2016  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031

Новые статьи
Каталог статей
Как подготовить ребенка к школе
Освоение навыков чтения
Природные материалы на уроках труда

Статистика




 
Адрес почты Вопросы по рекомендациям, размещению рекламы и обратных ссылок обращайтесь pochta@enciklopediya1.ru
2013 © 2016