Открытие сверхпроводимости

Открытие сверхпроводимости

В 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости. Он проводил измерения остаточного электрического сопротивления ртути при низких температурах. Оннес знал, что с понижением температуры сопротивление снижается. Поэтому он хотел выяснить, насколько снизится сопротивление вещества электрическому току, если максимально очистить вещество от примесей и уменьшить температуру, снизив так называемый «тепловой шум».

Результат этого исследования оказался неожиданным: при температуре ниже 4,15 К сопротивление почти мгновенно исчезло. График такого поведения сопротивления в зависимости от температуры приведен на рис. 1.

Это поведение называется переходом в сверхпроводящее состояние, когда электрического сопротивления протеканию тока через проводник нет.

Сверхпроводниками являются не все материалы. К слову, тот же Оннес до ртути изучал платину, золото и медь. Эти металлы проводят лучше, чем ртуть, но именно её тогда можно было довести до большей степени чистоты.

Критическая температура

Сверхпроводимость возникает скачком при понижении температуры. Температура Tc, при достижении которой происходит скачок, называется критической (рис. 5). Критическая температура своя для каждого вещества.

Исследование показывает, что такой переход наблюдается в некотором интервале температур (рис. 4). Трение движущихся электронов исчезает независимо от чистоты образца, но чем образец «чище», тем резче скачок сопротивления, его ширина в самых «чистых» образцах меньше сотой доли градуса. В «грязных» образцах она может достигать десятков градусов.

Эффект Мейснера

На самом деле сверхпроводимость – это нечто более сложное, чем просто отсутствие сопротивления. Это еще и реакция на внешнее магнитное поле, называемая эффектом Мейснера. Он заключается в том, что постоянное несильное магнитное поле выталкивается из сверхпроводящего образца. В его толще магнитное поле ослабляется до нуля, поэтому сверхпроводимость и магнетизм можно назвать противоположными свойствами.

При поиске новых сверхпроводников проверяются оба главных свойства сверхпроводимости:

1) в сверхпроводнике обращается в нуль электрическое сопротивление;

2) из сверхпроводника выталкивается магнитное поле.

Для доказательства существования сверхпроводимости необходимо наблюдать проявления по меньшей мере обоих главных свойств. Весьма эффектен опыт, демонстрирующий присутствие эффекта Мейснера. Он представлен на рис. 7: постоянный магнит парит над сверхпроводящей чашечкой. В сверхпроводнике возникают выталкивающие магнитное поле токи, их магнитное поле отталкивает постоянный магнит и компенсирует его вес. Существенны и стенки чашечки, которые отталкивают магнит к центру. Над плоским же дном магнит неустойчив, может уйти в сторону.

Так как в сверхпроводниках магнитное поле ослабляется до нуля, они являются идеальными диамагнетиками. Причём выталкивание магнитного поля происходит и в том случае, если оно было применено к сверхпроводнику ещё при температуре выше критической, а потом он был охлаждён до сверхпроводящего состояния (рис. 9).

Фазовый переход и теплоёмкость

Сверхпроводник принципиально отличается от лучшего нормального проводника с самым маленьким сопротивлением. Это два разных состояния вещества. В физике об этом говорят так: металл может существовать в нормальном состоянии (при температуре, большей Tc) и в сверхпроводящем состоянии (при температуре, меньшей Tc). Оба эти состояния называются в физике фазами. Когда наступает Tc, происходит сверхпроводящий фазовый переход, при котором изменяется энергия образца, как показано на рис. 12.

При сверхпроводящем фазовом переходе электрическое