<<< Цветные металлы >>>

Медь и сверхпроводимость

 

«Один идет по темному лабиринту ощупью — может быть, на что-нибудь полезное наткнется, а может быть, лоб разобьет. Другой возьмет хоть маленький фонарик и светит себе в темноте. И по мере того, как он идет, его фонарь разгорается все ярче, наконец, превращается в электрическое солнце, которое ему все кругом освещает, все разъясняет. Так я вас спрашиваю, где ваш фонарь?»

Д.М. Менделеев

 

Сверх! Слова с этой приставкой, обозначающие самые разные явления, не сходят сегодня с уст ученых. Пожалуй, нет для исследователей слов притягательнее, чем "сверхпроводимость", "сверхтекучесть", "сверхпластичность". Они все чаще обращаются к инженерам: "Дайте нам сверхвысокие или сверхнизкие температуры, сверхвысокие давления или сверхглубокий вакуум, и мы покажем, какие фантастические, невиданные доселе способности скрывают самые обыкновенные, всем известные вещества". Инженеры не остаются в долгу, они вместе с учеными конструируют и создают особые установки, где можно изучить вещества в экстремальных условиях.

Прорыв в область "сверхусловий" состоялся в начале второго десятилетия XX века. Газеты во всем мире запестрели заголовками вроде: "Вечный двигатель системы Камерлинг-Оннеса — работает!!!" В строгих научных изданиях авторы-ученые хотя и были не столь категоричны в своих высказываниях, но и их восторгу и почти фантастическим пророчествам о будущем замечательного открытия, казалось, нет предела.

Произошло вот что Заветной научной мечтой голландского исследователя Г. Камерлинг-Оннеса было достижение для физических тел температуры абсолютного нуля. Он с поразительным упорством шел к своей цели, сжижая воздух. В 1908 году в физической лаборатории Лейденского университета ему сдался последний из газов, составляющих воздух: ему удалось получить жидкий гелий, у которого при нормальном давлении самая низкая температура кипения: - 269°С.

Современная физика металлов тогда только зарождалась, исследователей же не могло не интересовать поведение этих веществ при столь необычных условиях и в первую очередь — зависимость электрического сопротивления от температуры. В 1911 году великий физик решил измерить электрическое сопротивление ртути при температуре, близкой к 4 градусам по Кельвину. Он возбудил ток в ртутном кольце, охлаждаемом жидким гелием, и сопротивления току…не обнаружил! Самые точные измерения показывали, что при такой температуре электрическое сопротивление ртути скачком обращается в нуль. Тогда ученый сделал вывод: "Не осталось сомнений в существовании нового состояния ртути, в котором сопротивление фактически исчезает… Ртуть перешла в новое состояние, которое в соответствии с его необыкновенными электрическими свойствами можно назвать сверхпроводящим состоянием".

Физики стали открывать все новые металлы-сверхпроводники, у которых при очень низкой температуре электросопротивление практически исчезало и ток, не затухая, циркулировал по ним бесконечно долго. Пожалуй, самым впечатляющим доказательством этого почти невероятного явления был опыт, поставленный в 1959 году американским физиком Коллинзом. В кольце, сделанном из металла сверхпроводника, он не зарегистрировал никакого уменьшения тока спустя два с половиной года после первоначального его возбуждения!

Около полувека смысл явления сверхпроводимости оставался полнейшей загадкой. Величайшие физики, среди которых были Альберт Эйнштейн и Вернер Гейзенберг, работали над ее разрешением. Гениальный творец теории относительности предполагал, что некие силы взаимодействия в металле приводят к образованию своеобразных электронных "туч", которые способны двигаться при сверхнизких температурах без трения. А один из создателей квантовой механики пробовал объяснить сверхпроводимость своеобразием электростатического взаимодействия электронов в столь необычных условиях. Были и другие теории…

Неожиданный и даже парадоксальный факт установили ученые в самом начале исследований по сверхпроводимости. Сколько ни бились экспериментаторы, как ни понижали температуру в своих опытах, но прекрасный проводник электричества — медь не становился сверхпроводником ни при каких условиях, создаваемых техникой низких температур!...

Судьба вновь как будто отворачивается от этого металла. Действительно, совершено великое открытие, причем, как раз в той области, где у меди почти не было конкурентов, а она вопреки своему электрическому призванию оказывается, мягко говоря, не у дел.

Но даже отрицательный результат исследований часто приносит большую пользу. Именно так и случилось с несостоявшейся сверхпроводимостью меди.

Еще на заре исследования этого явления замечательные советские физики Я.Г. Дорфман и И.К. Кикоин написали в своей книге "Физика металлов": "То обстоятельство, что ... ни Сu, ни другие наилучшие проводники не переходят в сверхпроводящее состояние, но, наоборот."… плохие проводники… обладают этой удивительной особенностью, свидетельствует о том, что механизм сверхпроводимости совершенно отличен от механизма обычной проводимости". Это была чрезвычайно важная догадка: искать механизм сверхпроводимости вопреки обычному, объясняющему электропроводность при нормальных температурах. Лишь к концу 50-х годов нашего века в трудах выдающихся физиков современности было дано достаточно полное объяснение сверхпроводимости. Попробуем пояснить существо этого явления. Нам уже известно, что электрическое сопротивление металлов обусловлено взаимодействием движущегося электронного потока с колеблющейся кристаллической решеткой, составленной ионами, и еще с инородными ионами других элементов, которые в небольшом количестве всегда присутствуют даже в очень чистых металлах. Столкновения электронов с этими препятствиями ведут к рассеянию энергии в металле, или, как говорят ученые, к диссипации.

В сверхпроводниках наблюдается совершенно парадоксальная картина: здесь взаимодействие электронов с кристаллической решеткой ведет не к росту сопротивления, а к полному… отсутствию электрического сопротивления!

Эффект сверхпроводимости возникает благодаря… притяжению электронов! Да, мы не оговорились: именно благодаря притяжению электронов. В особых условиях сверхнизких температур нарушается знаменитый закон Кулона об отталкивании одноименно заряженных частиц с силой, пропорциональной квадрату расстояния между г ними. У меди электроны слабо взаимодействуют с кристаллической решеткой, оттого и мало электрическое сопротивление. О любом сверхпроводнике можно сказать совсем противоположное — вблизи абсолютного нуля температуры взаимодействие его электронов с кристаллической решеткой столь велико, что создаются условия для межэлектронного притяжения, преодолевающего обычное кулоновское отталкивание.

Появление сил притяжения можно представить себе следующим образом. В результате деформации решетки электрон оказывается окруженным своеобразной шубой положительного заряда, притягивающегося к электрону. Величина этого положительного заряда может превышать электронный заряд и "одетый" надлежащим образом электрон представляет собой уже положительно заряженную систему, которая будет притягиваться к другому электрону.

При высоких температурах достаточно интенсивное тепловое движение отбрасывает частицы друг от друга, размывает ионную "шубу", что, разумеется, уменьшает силы притяжения. При низких же температурах силы притяжения начинают играть очень заметную роль.

Этот необычный характер взаимодействия между электронами и кристаллической решеткой металла-сверхпроводника и приводит к удивительному явлению: электрическое сопротивление исчезает!

Помните, в самом начале этой главы мы говорили о сенсационных заголовках газет с упоминанием пресловутого вечного двигателя? Разумеется, никакого "перпетуум мобиле" сверхпроводимость создать не обещает. Во-первых, электрическое сопротивление — пусть ничтожно малое — у сверхпроводников все-таки есть. Во-вторых, изрядное количество энергии нужно затрачивать на постоянное охлаждение сверхпроводника. Сейчас известно, что сверхпроводимость существует при сверхнизких температурах, и ученые уже полвека прилагают колоссальные усилия, дабы найти вещества, сохраняющие это свойство при относительно больших температурах. Сейчас едва перейден предел двадцати градусов по шкале Кельвина и большим достижением считают поднятие порога на десятые и даже сотые доли градуса!

И все-таки инженеры соглашаются с любыми трудностями на пути применения даже далеко не совершенных современных сверхпроводников — слишком большие выгоды они сулят.

Уже построены первые электронно-вычислительные машины, у которых элементы памяти и переключающие устройства работают на основе сверхпроводимости. Эти ЭВМ отличаются чрезвычайной компактностью, быстродействием и малым расходом энергии.

Не столь далеко от реальности и создание своего рода "перпетуум мобиле" на принципе сверхпроводимости. Сверхпроводник обладает еще и таким удивительным свойством: в толщу его не проникает магнитное поле, так как он постоянно окружен магнитной "подушкой". Принцип непрерывного и довольно мощного механического отталкивания, когда движущиеся части механизма совершенно не касаются друг друга, лежит в основе действия электрических машин с коэффициентом полезного действия, близким к 100 %! Для достижения такой работоспособности вращающуюся часть машины — ротор делают в виде шестиугольного стаканчика из сверхпроводящего материала. Два магнита, которые вращаются по окружности статора, постоянно отталкивают от себя сверхпроводящий ротор и заставляют его раскручиваться до скорости 20 тысяч оборотов в минуту и даже больше!

Появились сообщения о том, что ведутся работы по созданию транспорта, использующего сверхпроводники и магнитную "подушку", где поезда помчатся над трассой, совсем ее не касаясь, причем скорость их превысит полторы тысячи километров! Теоретически же скорость этих необыкновенных поездов может быть и больше. Но вблизи земной поверхности, где плотность воздуха сравнительно велика, поезда будут испытывать огромное аэродинамическое сопротивление. Поэтому уде в первых проектах нового транспорта предусмотрено, что поезда будут курсировать внутри трубы-туннеля, из которого откачали воздух.

Группа советских ученых из Института атомной энергии им. И.В. Курчатова АН СССР была удостоена Государственной премии за создание уникального, самого сильного в мире постоянного магнита. Напряженность поля, которое на нем получают, в полмиллиона раз больше, чем напряженность магнитного поля Земли! Чтобы сделать электромагнит, генерирующий такой ток, нужно на каждый сантиметр длины электромагнита намотать почти по двести пятьдесят тысяч витков проволоки и пропустить по ним ток силой в один ампер! А чтобы работал холодильник, остужающий такой соленоид, ему одному потребуется столько электроэнергии, сколько нужно городу с населением в 60 тысяч человек… Такое решение очень сложно, и его трудно осуществить. Но соленоид именно такой силы все-таки сделали, правда, используя другой принцип — явление сверхпроводимости. Для этого предстояло научиться поддерживать обмотку в сверхпроводящем состоянии при огромных величинах силы тока и напряженности магнитного поля в условиях поистине неземного мороза — при температуре — 268°С. Подсчитали: для надежного поддержания состояния сверхпроводимости в проволочке из ниобиевого сплава ее диаметр не должен превышать полутора миллиметров. В охлаждающей среде жидкого гелия она станет столь хрупка, что для ее разрушения достаточно малейшего воздействия.

Сверхпроводнику понадобилась особая упрочняющая упаковка. Какая? Прочная на космическом морозе. Теплопроводная — ведь она должна беспрепятственно, с минимальными потерями передавать сверхпроводящей проволоке холод жидкого гелия. Электропроводная, потому что она непосредственно соприкасается со сверхпроводником, по которому циркулирует ток. Если электропроводность упаковки будет низкой, то она разогреется сама, нагреет сверхпроводник, и сверхпроводимость исчезнет. Упаковка должна быть выполнена из материала-диамагнетика, отталкивающего магнитное поле, возбуждаемое током, так как магнитное поле также губительно для сверхпроводимости. Мы помним, что и сам сверхпроводник выталкивает из себя магнитное поле. Упаковка должна помогать ему в создании магнитной "подушки", экранировать поле.

Упаковку сделали из меди. Она удовлетворила абсолютно всем требованиям. Так как намотать большую катушку из тончайшей сверхпроводниковой проволоки практически невозможно — слишком велик риск случайного обрыва, сделали из нее многожильный комбинированный провод и погрузили жилы в медь.

И все равно магнита-рекордсмена не получилось бы, если бы внутрь катушки сверхпроводящего соленоида не вставили обычную, намотанную из медной проволоки! Внутренний соленоид усиливает до рекордных величин начальное магнитное поле, которое создает соленоид сверхпроводящий.

Так ученые создали уникальный сверхмагнит, уже используемый для раскрытия самых потаенных секретов микромира.

  В служении ремеслу и музам   Медь и сверхпроводимость