Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
также внезапно исчезло. Как увеличить сопротивление столбика ртути, довести его
до того значения, которое было бы зарегистрировано приборами? Очевидно, нужно
увеличить длину столбика и уменьшить его сечение. Камерлинг-Оннес изготовил
столбик ртути толщиной менее человеческого волоса и длиной 20 см. Измерив теперь
сопротивление, он поразился: стрелки приборов не сдвинулись с места. Нуль.
Камерлинг-Оннес готовил еще один эксперимент с еще большей точностью измерений.
Из ртути ученый изготовляет кольцо и подвешивает его горизонтально на тонкой
нити. Если в таком кольце навести ток, выключив, например, находящийся
поблизости электромагнит, нить закрутится на некоторый угол. Этот угол можно
измерить с большой точностью, укрепив на нити зеркальце и прослеживая положение
"зайчика". Если в кольце существует какое-нибудь сопротивление, ток в кольце
будет постепенно затухать. Это приведет к ослаблению закручивания нити, и
"зайчик" переместится. Камерлинг-Оннес проделывает этот опыт. "Зайчик" не
трогается с места.
Это могло означать только одно — равенство нулю электрического сопротивления
кольца, т. е. сверхпроводимость ртути при температуре, близкой к абсолютному
нулю.
Камерлинг-Оннес понимал всю ответственность, которая ляжет на него, когда он
объявит, что сопротивление было равно нулю, и много раз повторял измерения, все
время повышая их точность. Опять нуль! Открыта сверхпроводимость!
Понадобилось, однако, более полувека для того, чтобы сверхпроводимость перестала
быть исключительно лабораторным курьезом.
Наиболее известное и, видимо, ценное свойство сверхпроводников — отсутствие
электрического сопротивления постоянному току.
Результаты прямых измерений говорят о том, что оно меньше сопротивления металлов
при нормальной температуре по крайней мере в 1023 раз.
Иногда спрашивают: "Неужели сопротивление сверхпроводников равно нулю? Может
быть, оно просто очень мало, и мы не замечаем его лишь потому, что не обладаем
совершенной измерительной техникой?"
Разрешить этот вопрос попытался американский ученый Коллинс. В марте 1954 г. он
возбудил ток в сверхпроводящем свинцовом кольце и наблюдал за значением этого
тока. Если сопротивление, хотя бы ничтожное, есть, то ток все время будет
уменьшаться, "затухать". Например, для уменьшения тока в серебряном кольце
практически до нуля требуется всего лишь несколько десятых долей секунды. Как же
затухал ток в кольце Коллинса? Измерения, произведенные в сентябре 1956 г.,
показали, что в кольце Коллинса ток абсолютно не изменился, впоследствии этот же
опыт проводился в течение 10 лет. Расчет показал, что ток, возбужденный в
сверхпроводящей цепи, уменьшится на значение, которое можно зафиксировать, за
время, не меньшее 100 тыс. лет.
Однако при исследовании затухания магнитного кольца внутри ниобий-циркониевой
трубки (25 % циркония) было найдено, что поток все-таки затухает. Это затухание
происходит по логарифмическому закону — за первую секунду поток снижается на 1 %,
за следующие 10 с — еще на 1 % и т. д. Полное затухание потока в этой. трубке, т. е.
снижение его до значения, которое уже нельзя измерить современными приборами,
займет 1092 лет. Это время в миллиарды миллиардов раз превышает время
существования нашей Галактики. К результатам таких экспериментов следует,
однако, подходить с осторожностью. Известно, что всякое кольцо, создающее
магнитное поле, испытывает силы, стремящиеся увеличить кольцо в размерах,
попросту разорвать его. Увеличение диаметра кольца хотя бы на одну миллионную
часть сразу же выразится в снижении поля, которое можно приписать наличию в
сверхпроводнике электрического сопротивления.
Если первое основное свойство сверхпроводников — отсутствие сопротивления — было
открыто в 1911 г., то второе важнейшее свойство — лишь спустя 22 года. В 1933 г.
немецкие физики Мейснер и Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники — идеальные
диамагнетики. Что это означает?
Мы постоянно находимся в магнитном поле Земли. Силовыми линиями этого поля
пронизываются все предметы и существа на Земле. Если на пути силовых линий
попадается какой-нибудь ферромагнетик, например, кусок железа, то в этом куске
магнитные линии как бы сгущаются. Если же на пути силовой линии встретится
диамагнетик, в нем, наоборот, создается разрежение, вакуум силовых линий. В
сверхпроводник магнитные силовые линии вообще не проникают. Другими словами,
сверхпроводник — абсолютный диамагнетик. Внутренняя область сверхпроводника
идеально экранирована от внешних магнитных полей токами, протекающими в тонком
поверхностном слое сверхпроводника. В этот слой проникает и магнитное поле,
вследствие чего его глубину называют глубиной проникновения и обозначают буквой
K. Диамагнетизмом сверхпроводников можно воспользоваться, например, для того,
чтобы придать силовым линиям магнитного поля заданную конфигурацию. Поле будет
обходить сверхпроводник, а силовые линии принимать очертания, повторяющие контур
сверхпроводника.
Сверхпроводник существенно отличается от идеального проводника с сопротивлением,
равным нулю. В идеальный проводник поле может проникать. Наоборот, никакими
способами нельзя заставить магнитное поле проникнуть внутрь сверхпроводника!
Впрочем, один способ есть: при достижении магнитным полем в какой-либо точке
сверхпроводника значения, превышающего некоторое критическое значение,
сверхпроводник в этой точке выходит из сверхпроводящего состояния. Критические
магнитные поля чистых металлов малы: они не превышают сотых долей тесла.
Ток, протекающий по сверхпроводнику, при превышении им критического значения или
критической плотности также может вызывать потерю сверхпроводимости. Значение
этого тока в чистых сверхпроводниках связано с критическим магнитным полем так
называемым правилом Сильсби: сверхпроводимость уничтожается таким током в
проводнике, который создает на поверхности сверхпроводника поле, равное
критическому. Значение поля на поверхности проводника можно установить,
пользуясь законом полного тока.
У каждого сверхпроводника есть также своя критическая температура, т. е.
температура, выше которой он скачком теряет сверхпроводящие свойства. Эта
температура весьма мала.
На критическую температуру влияют, хотя и слабо, механические напряжения в
образце. Как правило (однако, не всегда), увеличение механических напряжений в
образце влечет за собой повышение критической температуры. Это можно установить
лишь с помощью весьма чувствительных методов.
Аналогичная зависимость существует между механическим напряжением и критическим
магнитным полем. Было показано, в частности, что критическое поле образца олова
при 2 К, составляющее 0,021 Тл, повысилось до 1,5 Тл, после того как в олове
были искусственно созданы механические напряжения.
Уменьшение размеров испытуемого образца примерно до 1 мкм существенно изменяет
свойства сверхпроводника. Такой образец уже не будет диамагнитным, а его
критическое поле и ток сильно возрастут.
Уменьшая толщину образца, можно увеличить его критическое поле в несколько сот
раз. У сверхпроводящей свинцовой пленки толщиной 20 А критическое поле равно 40
Тл. Плотность критического тока в тонких сверхпроводящих пленках также сильно
возрастает.
В слоях толщиной около 100 А плотность тока достигает 107…108 А/см2.
При увеличении частоты магнитного поля или тока сверхпроводник постепенно
начинает приобретать сопротивление. Однако при частоте вплоть до 107 Гц оно еще
практически равно нулю.
Как показал американский ученый Купер, электроны в сверхпроводящем состоянии
образуют пары. Образование этих пар становится возможным, когда взаимодействие
электронов проводимости, имеющих антипараллельные спины (грубо говоря,
вращающиеся в разные стороны), с решеткой приводит к возникновению между ними
сил притяжения, преодолевающих силы электрического отталкивания.
На основании предположения Купера были разработаны теория сверхпроводимости БКШ,
названная по фамилиям авторов Дж. Бардина, Купера, Шриффера, и теория
Н.Н.Боголюбова.
На разрыв куперовских пар требуется затратить некоторую энергию. В результате
этого энергия сверхпроводящих электронов на некоторое значение меньше энергии
