Штурм абсолютного нуля
Шрифт:
С тех пор в науку вошло новое понятие — сверхпроводимость — явление скачкообразного исчезновения электрического сопротивления металла при охлаждении его до достаточно низкой температуры.
Вскоре оказалось, что явление сверхпроводимости присуще не только ртути, но и олову, свинцу, некоторым другим металлам и сплавам, причем каждый из них имеет свою температуру перехода в сверхпроводящее состояние, которую принято называть критической температурой.
Открытие
Так завершился продолжавшийся почти сто лет марш первопроходцев в область абсолютного нуля.
Камерлинг — Оннес, первый проникший в эту область, сделал одно из самых выдающихся открытий XX века. Он обнаружил совершенно новое свойство вещества, скрытое ранее в области очень низких температур, — сверхпроводимость.
В 1913 году Оннесу была присуждена Нобелевская премия по физике «За исследование свойств материи при низких температурах, которое привело, между прочим, к получению жидкого гелия». В 1925 году он был избран членом — корреспонден- том Академии наук СССР.
4. Как измерить «ничего». Вечное движение. Привередливые сверхпроводники. «Гроб Магомета». Заколдованный круг.
Мы говорим, что сверхпроводимость характеризуется исчезновением электрического сопротивления. Но если сопротивление «исчезает», то как его измерить?
Физики на слово не верят. Между тем каждый, даже самый точный физический прибор обладает некоторой погрешностью измерения. Если, к примеру, стрелка амперметра, включенного в электрическую цепь, стоит на нуле, то не спешите делать вывод, что в цепи нет никакого электрического тока. Вы можете только сказать, что ток в цепи не превышает некоторую, пусть очень малую величину, определяемую чувствительностью прибора (эта величина обычно указывается в паспорте прибора).
Каким же образом Камерлинг — Оннесу удалось измерить исчезновение электрического сопротивления?
Оннес изготовил катушку из свинцового провода и поместил ее в сосуд Дьюара, заполненный жидким гелием. Катушка охладилась до сверхпроводящего состояния. Она была подключена через первый ключ к электрической батарее, а с помощью второго, сверхпроводящего ключа катушку можно было замыкать накоротко. В начале эксперимента первый ключ был замкнут, а второй разомкнут. При этом ток, возбуждаемый батареей, проходил через катушку, создавая вокруг нее магнитное поле. Под влиянием этого поля отклонялась стрелка магнитного компаса, расположенного вне сосуда Дьюара. Затем второй ключ замыкался, а первый размыкался. Таким образом, свинцовая обмотка оказалась замкнутой накоротко. Однако стрелка компаса оставалась отклоненной, показывая, что ток все еще протекал через обмотку, хотя она теперь от батареи не питалась.
Если бы обмотка обладала
Но ничего подобного не произошло. В свинцовой обмотке все время циркулировал электрический ток. И до тех пор пока через несколько часов жидкий гелий в сосуде Дьюара полностью не испарился и обмотка перестала быть сверхпроводящей, не было ни малейшего изменения отклонения стрелки.
Исчезновение электрического сопротивления: 1 — батарея; 2 — первый ключ; 3 — жидкий гелий; 4— второй ключ; 5— свинцовая катушка; 6— стрелка магнитного компаса. В сверхпроводящей катушке при замкнутом ключе 4 циркулирует незатухающий электрический ток.
«Незатухающий», как его принято называть, электрический ток оставался неизменным.
В дальнейшем Оннес сделал свой эксперимент еще более простым и наглядным.
Представьте себе свинцовое кольцо. Введите в него постоянный магнит, и в отверстии кольца возникнет магнитное поле. Теперь охладите кольцо до состояния сверхпроводимости. Стоит вам вынуть магнит из кольца, как в результате изменения внешнего магнитного поля в сверхпроводящем кольце возникнет незатухающий электрический ток. В этом можно убедиться с помощью той же стрелки компаса.
Оннес повторял свои эксперименты, повторяли после него и другие исследователи. Но у них была более совершенная аппаратура, применялись более чувствительные измерительные приборы и опыты длились более продолжительное время.
Еще в пятидесятых годах нынешнего века в одной из зарубежных лабораторий наблюдали циркуляцию незатухающего тока в сверхпроводящем кольце в течение двух с половиной лет. По истечении этого периода эксперимент пришлось прервать. Из-за забастовки транспортных рабочих прекратилось снабжение лаборатории жидким гелием.
Даже спустя два с половиной года после начала эксперимента не было зафиксировано ни малейшего ослабления тока в кольце.
По современным оценкам удельное электрическое сопротивление сверхпроводника в 100 миллионов триллионов раз меньше, чем у медного провода при комнатной температуре. Это значит, что ток, возбужденный в сверхпроводящем кольце, способен протекать без затухания в течение 15 миллиардов лет.
Поэтому мы очень близки к истине, считая, что электрическое сопротивление сверхпроводника равно нулю.
Уже первые опыты со сверхпроводящими цепями убедили исследователей в том, что они столкнулись с удивительным явлением, практическое использование которого обещает сказочные перспективы.
Казалось, что по сверхпроводящим проводам и кабелям можно передавать электрический ток на сколь угодно большие расстояния без потерь.
Мыслилось, что свинцовая сверхпроводящая обмотка, подобная использованной в первых экспериментах Камерлинг — Оннеса по сверхпроводимости, идеально подходит для создания сильных магнитных полей. Ведь в случае обычного проводника с током мощность расходуется на тепловые потери.