Бесплатная техническая библиотека

Сверхпроводимость. История и суть научного открытия

Справочник / Важнейшие научные открытия

 Комментарии к статье

Еще в древности было отмечено, что агрегатное состояние вещества зависит от внешних условий. Самый яркий и наглядный пример - превращение воды в лед и пар. Впервые газ (аммиак) был сжижен в 1792 году голландским физиком М. ван Марумом. Майкл Фарадей, начиная с 1823 года, перевел в жидкое состояние сразу несколько газов: хлор, сернистый и углекислый газы.

Процесс не был сложным, ведь промежуточные газы сжижаются при довольно высокой температуре. Другое дело истинные газы. Прошло более пятидесяти лет, пока удалось перевести их в жидкое состояние. В 1877 году Р. Пикте и Л. Кальете получили жидкий кислород и жидкий азот. В промышленных масштабах сжижение воздуха осуществил немецкий инженер К. Линде только в 1895 году.

Теперь, казалось, по уже отработанной схеме легко удастся перевести в жидкое состояние любой другой газ. Но не тут-то было. Действительно, подавляющее большинство газов при расширении охлаждаются. Однако строптивые водород, неон и гелий ведут себя "нечестно" - при расширении они нагреваются.

Выход был найден к концу девятнадцатого века. Выяснилось, чтобы получить жидкий водород и гелий, нужно лишь предварительно охладить их до сравнительно низкой температуры.

Получить жидкий водород одновременно пытались Ольшевский в Кракове, Камерлинг-Оннес в Голландии и Дьюар в Англии. В этом состязании победил Дьюар: 10 мая 1898 года он получил 20 кубических сантиметров жидкого водорода. Еще через несколько месяцев он сумел получить твердый водород. От абсолютного нуля его отделяло всего 14 градусов.

Блестящий ум, великолепное искусство экспериментатора и отменная эрудиция помогли стать Джемсу Дьюару одним из пионеров криогенной техники. Примечательно, что и сам термин (от греческого "kryos" - холод), и знаменитый "сосуд Дьюара" принадлежат ему.

Но гелий упорно не хотел покоряться. Лишь 9 июля 1908 года пришло известие, что доктор Хейке Камерлинг-Оннес (1853–1926) из Лейденского университета осуществил сжижение гелия. Интуиции и мастерству Дьюара он противопоставил систему, способности великолепного организатора. Знаменитую лабораторию Камерлинга-Оннеса в Лейдене, директором которой он стал в 29 лет, называют первой моделью научно-исследовательского института XX века.

"В конце опыта Камерлинг-Оннес предпринял попытку получить твердый гелий, - пишет Р.Бахтамов. - Это ему не удалось. Не удавалось и потом, когда он дошел до температуры 1,38, а затем и 1,04 градуса Кельвина. Не понимая причины этого странного явления, он, однако, заставил себя отступить и перешел к следующему пункту намеченной программы - к исследованию свойств металлов при гелиевой температуре.

Оннес измерил электросопротивление золота, платины и взялся за ртуть. И тут начались неожиданности. 28 апреля 1911 года он сообщил Нидерландской королевской академии, что сопротивление ртути достигло столь малой величины, что "приборы его не обнаружили". 27 мая сообщение было уточнено: сопротивление ртути падает не постепенно, а резко, скачком, и снижается настолько, что можно говорить об "исчезновении сопротивления".

В статье, опубликованной в марте 1913 года, Оннес впервые употребит термин "сверхпроводимость". Еще через 11 лет он кое-что начнет понимать в этом странном явлении. Через 50 лет явление будет объяснено, хотя и далеко не полностью. Несколько раз Оннес наблюдал и другое достаточно странное явление - необычно высокую подвижность гелия. Но это уже было настолько неестественно, что Оннес даже не пытался что-то понять.

Он продолжал свою линию, двигаясь все ближе к абсолютному нулю. Пользовался он, в сущности, одним методом: чтобы уменьшить давление паров жидкого гелия, ставил все более мощные насосы. В конце концов, Оннес дошел до 0,83 градуса Кельвина. Казалось, это предел. Однако в апреле 1926 года - через два месяца после смерти Камерлинг-Оннеса - американский профессор Латимер, развив идею канадца Уильяма Джиока, предложил новый способ охлаждения - магнитный. В 1956 году Френсис Симон из Оксфорда получил температуру 0,00001 градуса Кельвина, лишь на одну стотысячную градуса выше абсолютного нуля".

Удивительно, но лишь спустя тридцать лет с момента сжижения гелия было открыто наиболее экзотическое его свойство - сверхтекучесть, хотя проводились тысячи экспериментов. Но однажды группа канадских ученых все-таки осмелилась привести описание, решительно отказавшись от выводов. "Правильное заключение относительно нового явления, - отметили они, - нетрудно сделать даже студенту первого курса. Но лишь зрелые и опытные физики взяли бы на себя смелость вполне серьезно предположить, что теплопроводность жидкости внезапно увеличивается в миллионы раз".

В начале 1938 года журнал "Nature" опубликовал две статьи. Одна из них принадлежала советскому ученому П.Л. Капице, а другая Аллену и Мизенару из Кембриджского университета. Их результаты и выводы совпали: поток жидкого гелия почти совершенно лишен вязкости. Именно Капице принадлежит и ставший общепринятым термин "сверхтекучесть". Поразительно - атомы гелия и свободные электроны металла ведут себя одинаково. Это открытие позволило связать оба явления: сверхпроводимость и сверхтекучесть электронного потока в проводнике.

Сверхпроводимость была открыта в начале века, однако только в 1957 году Бардин, Купер и Шрифер сумели дать удовлетворительное объяснение явлению сверхпроводимости, построив теорию, носящую их имя (теория БКШ).

"Что же происходит в сверхпроводнике? - спрашивает Редже в своей книге. - Полный ответ на этот вопрос длинен и сложен. Обычно два электрона в пустоте отталкиваются, но в металле положительные заряды ядер экранируют отрицательные заряды электронов, и отталкивание может почти полностью исчезнуть. Во многих случаях экранировка оказывается неполной, и тогда сверхпроводимость не наблюдается.

В некоторых случаях решетка сжимается вокруг электрона, создавая, таким образом, облако положительных зарядов, обволакивающее этот электрон и притягивающее другие электроны. Результатом является возникновение незначительного притяжения между электронами. Поскольку это притяжение слабое, оно приводит всего лишь к тому, что электроны передвигаются парами; таким образом, возникает связь, подобная химической, но в тысячи раз слабее. Следовательно, куперовская пара подобна молекуле "двухэлектрона", а переход в состояние сверхпроводимости можно считать превращением электронного газа в газ, состоящий из таких "молекул". Аналогичное явление встречается в химии: так, если нагреть двухатомный кислород, он распадается на одиночные атомы, способные вновь объединиться при охлаждении.

Электронный газ, движущийся в металле, конденсируется в жидкость из куперовских пар, которую мы и будем называть "конденсатом". Радиус такой пары равен примерно 300 ангстрем, что намного больше расстояния между соседними атомами (несколько ангстрем). В море, состоящем из куперовских пар, трудно представить себе рябь или волны, длина которых была бы меньше самих пар. Поэтому неоднородности решетки с размерами не больше десятка ангстрем не представляют собой препятствия для течения конденсата, и потери энергии не происходит. Такова основная причина возникновения сверхпроводимости".

Сейчас еще трудно представить все последствия этого открытия. Эффект сверхпроводимости уже успешно используется в скоростных японских поездах "Маглев". "Созданы и работают сверхпроводящие магнитные системы с уникальными характеристиками, - пишет Р.Бахтамов. - Фирма "Локхид", например, построила электромагнит, который весит 85 килограммов и дает магнитное поле 15 тысяч эрстед.

Крупнейшие сверхпроводящие магниты с полем 30–40 тысяч эрстед и размером порядка 4 метра уже работают в ряде ускорительных лабораторий Европы и Америки, созданы магниты с полем до 170 тысяч эрстед.

Ведутся работы по созданию крупнейших электрических машин - турбо- и гидрогенераторов со сверхпроводящими системами возбуждения.

Сверхпроводники открывают совершенно новые возможности при создании вычислительных машин. Ток в сверхпроводящих системах - идеальное запоминающее устройство, способное хранить колоссальное количество данных и выдавать их с фантастической скоростью...

Уже получены сплавы, сохраняющие сверхпроводимость при 18–20 градусах Кельвина. Создание вещества, которое обладало бы свойствами при температуре хотя бы в 100 градусов Кельвина, привело бы к революции в электротехнике. Современная наука считает, что задача реальна, а последствия ее решения определят одним словом - фантастические".

Автор: Самин Д.К.

 Рекомендуем интересные статьи раздела Важнейшие научные открытия:

▪ Основной закон электростатики

▪ Основы алгебры

▪ Основы генетики

Смотрите другие статьи раздела Важнейшие научные открытия.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Оптимальная продолжительность сна 12.11.2025

Сон играет ключевую роль в поддержании здоровья, когнитивных функций и общего самочувствия. Несмотря на широко распространенный стереотип о восьмичасовом сне, последние исследования показывают, что оптимальная продолжительность сна для большинства здоровых взрослых ближе к семи часам. Эволюционный биолог из Гарварда, Дэниел Э. Либерман, утверждает, что традиционная норма восьми часов сна - это скорее культурное наследие индустриальной эпохи, чем биологическая необходимость. По его словам, полевые исследования, проведенные в сообществах, не использующих электричество, показывают, что средняя продолжительность сна составляет 6-7 часов, что значительно отличается от общепринятого стандарта. Современные эпидемиологические данные подтверждают этот взгляд. Исследования выявили так называемую "U-образную кривую" зависимости между продолжительностью сна и рисками для здоровья. Минимальные показатели заболеваемости и смертности наблюдаются именно у людей, спящих около семи часов в сутки. ...>>

Дефицит кислорода усиливает выброс закиси азота 12.11.2025

Парниковые газы играют ключевую роль в изменении климата, а закись азота (N2O) - один из наиболее опасных среди них. Этот газ не только втрое сильнее углекислого газа в удержании тепла, но и разрушает озоновый слой. Недавнее исследование американских ученых показало, что микробы в зонах с низким содержанием кислорода активно производят N2O, усиливая глобальные климатические риски. Команда из Университета Пенсильвании изучала прибрежные воды у Сан-Диего и провела наблюдения на глубинах от 40 до 120 метров в Восточной тропической северной части Тихого океана - одной из крупнейших зон дефицита кислорода. Исследователи сосредоточились на том, как морские микроорганизмы превращают нитраты в закись азота. В ходе работы выяснилось, что существует два пути образования N2O. Один путь начинается с нитрата, другой - с нитрита. На первый взгляд более короткий путь должен быть эффективнее, однако микробы, использующие нитрат, продуцируют больше газа, поскольку этот "сырьевой" источник более д ...>>

Омега-3 помогают молодым кораллам выживать 11.11.2025

Сохранение коралловых рифов становится все более актуальной задачей в условиях глобального изменения климата. Молодые кораллы особенно уязвимы на ранних стадиях развития, когда стрессовые условия и нехватка питательных веществ могут привести к высокой смертности. Недавнее исследование ученых из Технологического университета Сиднея показывает, что специальные пищевые добавки способны существенно повысить выживаемость личинок кораллов. В ходе работы исследователи разработали особый состав "детского питания" для коралловых личинок. В него вошли масла, богатые омега-3 жирными кислотами, а также важные стерины, необходимые для формирования клеточных мембран. Личинки, получавшие эти добавки, развивались быстрее, становились крепче и демонстрировали более высокую устойчивость к стрессовым факторам. Особое внимание ученые уделили липидам. Анализ показал, что личинки активно усваивают эти вещества, что напрямую влияет на их жизнеспособность. Стерины, содержащиеся в корме, повышают устойчи ...>>

Случайная новость из Архива Технологии Big Data для здравоохранения 08.01.2014 Исследование, проведенное в США, свидетельствует, что руководители учреждений здравоохранения видят большие перспективы технологий Big Data в медицинской сфере, несмотря на кадровые проблемы и возможные риски. Американское Общество Актуариев (Society of Actuaries, SOA) провело исследование, в ходе которого были опрошены руководители учреждений здравоохранения и медицинских страховых компаний в США. Как говорится в отчете по итогам исследования, 66% руководителей видят большой потенциал технологий Big Data в здравоохранении, в то время как 87% считают, что анализ больших данных в будущем сильно повлияет на их бизнес. Половина опрошенных ожидают, что внедрение технологий анализа больших данных способно дать большие преимущества их организации. 45% опрошенных свидетельствовали о большом положительном влиянии Big Data на их практику. 22% сообщили, что уже получили существенную выгоду от построения инфраструктуры анализа больших данных. Составители отчета считают, что соотношение числа признающих возможные выгоды от Big Data c числом уже внедривших эти решения свидетельствуют о добровольном отказе от внедрения Big Data. Более 84% столкнулись с трудностями в поиске сотрудников для оптимизации анализа больших данных, 45% планируют в течение 2014 г. взять на работу профессионалов в этой сфере. В отчете отмечается растерянность руководителей здравоохранения в вопросе применения Big Data, когда анализ больших данных проводится не просто для получения информации, но для принятия мер и конкретных действий. Многие не знают, как использовать эти технологии и пытаются выяснить, в чем они могут быть полезны. 51% руководителей считают, что их организации способны использовать растущие данные. Хотя 51% верят, что Big Data открывает новые возможности для бизнеса в долгосрочной перспективе, 34% рассматривают эти технологии как палку о двух концах, несущую в себе как возможности, так и риски. Чтобы нивелировать эти риски, половина опрошенных намерена активно привлекать сильных специалистов по анализу данных, в том числе из других отраслей. Несмотря на то, что степень проникновения Big Data в российском здравоохранении ниже, чем в США, проблемы отношения к этим технологиям схожие. "Хотя медицина вообще и отечественная медицина в частности является одной из отраслей, в которых технологи управления большими данными дают наиболее яркий эффект, многие относятся к ним пока со скепсисом ввиду не всегда понятной бизнес-выгоды и нехватки специалистов, - считает директор по технологиям дивизиона данных, компании IBS Сергей Кузнецов. - Давайте говорить не об абстрактных теориях, а о конкретных решениях. Предиктивная аналитика помогает строить модели поведения организмов. Носимые устройства и консолидация показателей датчиков дает широкую картину болезни и ее эволюции во времени, помогает заблаговременно предотвратить негативное развитие или вовремя проинформировать ближайшие службы. Обработка результатов лекарственных опытов позволят ускорить сертификацию и вывод на рынок новых лекарственных препаратов. Анализ социальной информации позволяет прогнозировать эпидемии и локализовать ущерб, организация доступа любого врача ко всей истории болезни конкретного пациента повышает качество диагноза. И многое уже делается. Посмотрите на ЕМИАС, чем это не площадка для решений в области больших данных?".

Другие интересные новости:

▪ Планшет Panasonic ToughPad FZ-Q1

▪ Учебники должны читаться с трудом

▪ Экология и Интернет

▪ Дым мешает дождю

▪ SONY выпустит телевизор с зумом

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Радиоэлектроника и электротехника. Подборка статей

▪ статья Вкушать от древа познания добра и зла. Крылатое выражение

▪ статья Откуда произошло слово зек? Подробный ответ

▪ статья Девясил высокий. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Самодельный усилитель на микросхеме TDA 7294 (часть 1). Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Два устройства для аварийной защиты от превышения сетевого напряжения. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025