УДК 530.557.11

 

СВЕРХПРОВОДНИКИ

 

Васин А.А., Ковалев А.П., Шевченко О.А., Чурсинова А.А., Нагорный М.А.
Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: "электротехника и энергетика", выпуск 4: Донецк: ДонГТУ, 1999. - с. 214 - 216.

 

Важность проблемы, рассматриваемой данном докладе, определяется прежде всего тем обстоятельством, что потери в мире на джоулево тепло составляют 60 – 70%. В связи с этим обостряются экологические проблемы – Земля нагревается. На протяжении многих десятилетий поиски выдающихся ученых во многих странах мира были направлены на решение проблемы уменьшения джоулевых потерь. При этом может быть достигнута колоссальная экономия ископаемых (невозобновляемых!) видов углеводородов, используемых в качестве энергоносителей в традиционной электроэнергетике и на транспорте. В данном докладе рассматриваются физические принципы сверхпроводимости, достигнутые к настоящему времени результаты, акцентируется внимание на существенном прорыве, связанном с открытием высокотемпературной сверхпроводимости, сделанном в последние годы.

Сверхпроводники.  При понижении температуры удельное сопротивление ρ  металлических проводников уменьшается. Интересным представляется вопрос об электропроводности металлов при очень низких (криогенных) температурах, при-ближающихся к абсолютному нулю. В 1908 г. нидерландский физик Камерлинг-Оннес – основатель и директор криогенной лаборатории (теперь Лейденская крио-генная лаборатория им. Камерлинг-Оннеса) – впервые получил жидкий гелий  и измерил его температуру (это был последний газ, который не удавалось перевести в жидкое состояние). В 1911 г. Камерлинг-Оннес исследовал электропроводность металлов при ″гелиевых″ температурах (температура сжижения гелия при нормаль-ном давлении около 4,2 К). Камерлинг-Оннес сделал открытие: он обнаружил, что при охлаждении приблизительно до температуры сжижения гелия сопротивление кольца из замороженной ртути внезапно резким скачком падает до чрезвычайно малого, не поддающегося измерению значения. Измерения показали, что падение сопротивления до нуля происходит на протяжении очень узкого, но конечного интервала температур.   Ширина этого интервала для чистых образцов составляет 10– 10К и возрастает при наличии примесей и других дефектов структуры. В 1913 г. Камерлинг-Оннесу была присуждена Нобелевская премия по физике  с формулировкой "за исследование свойств тел при низких температурах и получение жидкого гелия".

Такое явление падения сопротивления материала до нуля, т.е. наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости, называется сверхпрово-димостью, а температура  Т, при охлаждении до которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние – температурой сверхпроводящего перехода, а вещест-ва, переходящие в сверхпроводящее состояние – сверхпроводниками.

Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым; при повышении температуры до значения Тсверхпроводимость нарушается, и вещество скачком пе-реходит в нормальное состояние с конечным значением удельной проводимости  γ.

В настоящее время известно уже 35 сверхпроводящих металлов и более тысячи сверхпроводниковых сплавов и химических соединений различных элементов. В то же время многие вещества, в том числе и такие, обладающие весьма малыми значениями  ρ  при нормальной температуре металлы, как серебро, медь, золото, платина и другие не удается перевести в сверхпроводящее состояние даже при наиболее низких достигнутых в настоящее время температурах (около 10К).

В случае сверхпроводимости электрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и при этом без всякого подвода энергии извне. Измерения затухания сверхпроводящего тока, выполненные в 1963 г., показали, что в сверхпроводящем кольце время существования тока составляет около 10лет. Естественной была мысль использовать сверхпроводящий соленоид в качестве сверхпроводникового магнита, не требующего питания от источника тока. Однако первые попытки изготовить практически пригодный сверхпроводниковый электромагнит, создающий в пространстве магнитное поле с достаточно высокими напряженностью  Н  и магнитной индукцией  В, закончились неудачей. Оказалось, что сверхпроводимость нарушается не только при повышении температуры до значений, превышающих  Т, но и при возникновении на поверхности сверхпро-водника магнитного поля с магнитной индукцией, превышающей индукцию пере-хода  В.  Это можно пояснить с помощью диаграммы состояния сверхпроводника.

Каждому значению температуры  Т  данного материала, находящегося в сверх-проводящем состоянии, соответствует свое значение индукции перехода В.  Наи-большая возможная температура перехода Т (критическая температура) данного сверхпроводникового материала достигается при ничтожно малой магнитной индукции, т.е. для сверхпроводникового электромагнита – при очень малой силе тока, идущего через обмотку этого электромагнита. Соответственно, наибольшее возможное значение В магнитной индукции перехода (критическая магнитная индукция) соответствует температуре сверхпроводника, ничтожно отличающейся от нуля градусов Кельвина. Заштрихованная область соответствует сверхпроводящему состоянию, а незаштрихованная область – нормальному состоянию материала.

Сверхпроводимость может быть нарушена как нагревом, так и повышением магнитной индукции, а также в общем случае и одновременным изменением как Т, так  и  В,  т. е.  если   кривая   пересекается   в   любой   ее   точке   при   переходе   из

заштрихованной области в незаштрихованную. Т.к. первоначально исследовавшиеся сверхпроводники имели весьма малые значения В(~ 0,002 – 0,08 Тл), то попытки технического использования сверхпроводимости были оставлены на долгое время вплоть до открытия сверхпроводников с высокими значениями В.

          В 1933 году немецкие физики Майснер и Оксенфельд сделали фундаментальное открытие: они обнаружили, что сверхпроводники при переходе из нормального в сверхпроводящее состояние становятся идеальными диамагнетиками, т.е. их относительная маг-нитная проницаемость μскачком падает от конечного значения (≈ 1), до значения  μ= 0.  Поэтому внешнее магнитное поле не может проникать в сверхпроводящее тело; если же переход этого тела в сверхпроводящее состояние произошел в магнитном поле, то поле выталкивается из сверхпроводника. Эффект Майснера-Оксенфельда был подтвержден в 1945(!) году советским физиком В.К. Аркадьевым в его знаменитом опыте с парящим магнитом. Когда магнит опускают в чашку из находящегося в сверхпроводящем состоянии материала, этот магнит отталкивается от чашки и остается в уравновешенном состоянии в воздухе, не касаясь чашки. Аналогично можно заставить сверхпроводящее тело висеть над поверхностью магнита. Сейчас в школах США школьники могут наблюдать парение сверхпрово-дящих таблеток в парах жидкого азота.

До 1945 г. практическое применение сверхпроводимости ограничивалось необходимостью работать с жидким гелием и малыми значениями критических магнитных полей. Так для первого открытого сверхпроводника  Hg  Т= 4,2 К, а  В= 46 мТл; у чистых металлов  Al – 1,2 К и 10 мТл,  Sn – 3,7 К и 31 мТл,  Pb – 7,2 К и 80 мТл.

В 50-х годах прошлого столетия были открыты новые сверхпроводники, представляющие собой уже не чистые металлы, а сплавы или химические соединения. Эти сверхпроводники в отличие от чистых сверхпроводниковых металлов (сверхпроводников I рода) называются сверхпроводниками II рода. Они обладают рядом специфических особенностей. Переход из нормального в сверхпроводящее состояние при охлаждении происходит у них не скачком (как у сверхпроводников I рода), а постепенно; у них существует промежуточное состояние (так называемая фаза Шальникова) между нижним  В и В значениями критической магнитной индукции перехода для значений температур  Т < Т.  В промежуточном состоянии сверхпроводимость при постоянном напряжении сохраняется, т.е.  ρ = 0,  но эффект Майснера-Оксенфельда выражен не полностью, т.е. относительная магнитная проницаемость сверхпроводника  μ> 0.  Следует особо подчеркнуть, что если критическая температура  Т для сверхпроводников II рода в сравнении со сверхпроводниками I рода увеличилась незначительно (на 10 – 15 K), то критическая магнитная индукция возросла очень значительно – на 2 – 3 порядка.

Основной вклад в теоретическое объяснение явления сверхпроводимости внесли советские физики  Л.Д. Ландау, В.Л. Гинзбург, Н.Н. Боголюбов, А.А. Абри-косов,   Л.П. Горьков   (так  называемая  "теория  ГЛАГ",   в  2003 г.  В.Л. Гинзбург и

А.А. Абрикосов получили Нобелевскую премию по физике за создание феномено-логической теории сверхпроводимости), а также американские физики Дж. Бардин, Л. Купер, Дж. Шриффер (микроскопическая теория сверхпроводимости – теория Бардина – Купера – Шриффера, или БКШ – Нобелевская премия по физике 1972 г.).

Как уже отмечалось, некоторые сверхпроводники II рода обладают не только сравнительно высокими значениями Т, но, что особенно важно, и весьма высоки-ми значениями   В. Это вызвало появление большого интереса к сверхпроводни-кам. В настоящее время проблема сверхпроводимости и ее технического исполь-зования является одной из наиболее актуальных проблем современной науки и техники. Существенный прорыв в этой области был сделан в последние годы. В апреле 1986 г. сотрудники Цюрихской лаборатории корпорации IBM швейцарские физики Беднорц и Мюллер открыли сверхпроводимость новых искусственно создаваемых материалов – металлооксидов с температурой перехода ~ 40 К. Открытие Беднорца и Мюллера было подтверждено во многих лабораториях мира. А в феврале 1987 г. были открыты иттриевые соединения, чей переход в сверх-проводящее состояние происходит при температурах выше 90 К. В течение нескольких месяцев новые сверхпроводники почти одновременно были синтези-рованы в США, Японии, СССР, Китае и других странах. Были найдены соединения с температурой сверхпроводящего перехода ~ 120 и 150 К (а недавно в Интернете промелькнуло сообщение о том, что найдены материалы, способные стать сверх-проводниками уже при температурах, соответствующих суровым сибирским зимам!). Однако от синтеза отдельных образцов сверхпроводящей керамики до их практического применения еще требуются многочисленные исследования их физических свойств, устойчивости и стабильности, разработка технологии изготовления сверхпроводящих материалов, имеющих техническое применение.

Известные ранее материалы переходили в сверхпроводящее состояние при охлаждении жидким гелием, имеющим температуру кипения вблизи четырех градусов по шкале Кельвина. Это очень дорогой охладитель. Изготовление искусственных материалов, переходящих в сверхпроводящее состояние при температуре жидкого азота (77,4 К), открывает большие возможности широкого использования явления сверхпроводимости в науке и технике. Жидкий азот сравнительно дешев. Он производится в огромных количествах криогенной промышленностью.

По мнению многих специалистов мира, открытие новых материалов, переходя-щих в сверхпроводящее состояние при температуре жидкого азота, по широте и значению можно приравнять к открытию квантовых генераторов – лазеров. Важность этого открытия была подтверждена присуждением в 1988 г. Мюллеру и Беднорцу Нобелевской премии по физике "за открытие в области сверхпроводи-мости керамических материалов". В результате этого открытия появилась возмож-ность изучения сверхпроводимости оксидных соединений во многих лабораториях мира. Этому способствовала простота их изготовления. Новые сверхпроводящие материалы легко получают в рядовых физических и химических лабораториях при спекании некоторых оксидов. Большой недостаток получаемых керамик – хрупкость, затрудняющая изготовление лент и проволоки для технических применений.

Помимо сверхпроводниковых электромагнитов, которые в настоящее время производятся в большом количестве и применяются для самых разнообразных целей, большой интерес к высокотемпературным сверхпроводникам связан с принципиальными возможностями их использования в будущем для передачи электроэнергии без потерь, для создания квантовых генераторов большой мощности. Они могут найти применение в сверхпроводниковой электронике и вычислительной технике (сверхпроводящие элементы памяти). Можно отметить возможности использования сверхпроводников для создания электрических машин, трансфор-маторов и тому подобных устройств малой массы и габаритов, но с высоким КПД; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и т.д. Эффект Майснера-Оксенфельда может использоваться в работающих практически без трения подшипниках с "магнитной смазкой" (с взаимным отталкиванием вала и подшипника), для магнитной подвески вагонов сверхскоростного железнодорожного транспорта и т.д. Высокотемпературные сверхпроводники могут найти применение и в медицине при производстве томографов со сверхпроводящими элементами.

Для справки: В США и Японии серийно производятся сверхпроводящие кабели длиной более 1 км с плотностью тока 10 кА/см. В Германии, США и Японии курсируют скоростные поезда (V > 400 км/ч) в которых вагоны массой 7 т  поднимаются над полотном на 35 см – следствие эффекта Майснера-Оксенфельда. В исследовательских установках "Токамак", предназначенных для проведе-ния экспериментов с высокотемпературной плазмой (в рамках проведения исследований по управля-емому термоядерному синтезу) магнитные поля реализуются только с помощью сверхпроводников. Медицинские сверхпроводящие устройства обладают очень высокой чувствительностью: сверхпро-водящий зонд позволяет уловить магнитное поле  ~ 10Гс – это уровень биотоков сердца, мозга. Появилась возможность снимать магнитокардиограммы человеческого организма – это новый вид медицинского диагностирования. В Донецком физико-техническом институте в свое время велись активные исследования в области сверхпроводимости, для проведения экспериментов в неделю получали до 10000 л жидкого гелия. Сейчас из-за недостатка финансирования эти исследования практически свернуты (стоимость производства 1 л жидкого гелия обходится в сумму до 20 долларов США).

Заканчивая тему "сверхпроводники", следует отметить, что исследования в этой области за все время их проведения носили пионерский характер, находились на передовых рубежах современной физики и электроматериаловедения. Подтверждением этому может служить тот факт, что за 90 с небольшим лет, прошедших со времени открытия самого явления сверхпроводимости, за достижения в этой области было присуждено 4(!) Нобелевских премии. Крупнейшие физики ХХ века принимали участие в этих исследованиях. Редкая область знаний может соперничать с темпами внедрения сверхпроводников в технику.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. – Л.: Энергоатомиздат, 1985. 303с.