Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
Надпровідність - це явище, при якому електричний опір твердого тіла падає до нуля, а магнітне поле виштовхується з його внутрішньої частини.
Надпровідність - це захоплююче електричне явище та велика надія для багатьох галузей техніки. Виявляється, що за низьких температур опір деяких матеріалів раптово падає до нуля. Цей ефект відомий вже понад 100 років, але його механізм і досі приховує таємниці. Хоча це явище чисто квантове, ви можете зрозуміти (дуже приблизно), що це таке.
Протікання електричного струму через різні матеріали супроводжується виникненням електричного опору. Це відбувається через взаємодію електронів з атомами або молекулами кристалічних ґрат провідника.
Виявляється, однак, що деякі матеріали за дуже низьких температур можуть переходити в стан, в якому вони взагалі не мають електричного опору. Це явище, зване надпровідністю, було відкрито в 1911 голландським фізиком Хейке Камерлінг Оннесом (рис. 1.). Матеріал, в якому відбувається це явище, називається надпровідником.
Мал. 1. Портрет Хайке Камерлінг Оннес. Голландський фізик, який отримав нагороду за вивчення властивостей речовин за найнижчих температур і зрідження гелію
У більшості випадків надпровідники, крім того, що мають нульовий електричний опір, також є ідеальними діамагнетиками. Зовнішнє магнітне поле врівноважується електричними струмами, що протікають поверхнею, і в результаті повне магнітне поле всередині надпровідника дорівнює нулю. Це виглядає так, ніби лінії магнітного поля виштовхуються із надпровідника (див.Мал. 2). Це називається ефектом Мейснера. Однак існують надпровідники, для яких магнітне поле за певних умов проникає у надпровідник і створює змішаний стан.
Мал. 2. Графічне уявлення ефекту Мейсснера, тобто. явища викиду магнітного поля зсередини надпровідника
Для довідки. Ефект Мейснера (від англ. Meissner effect) - це зникнення магнітного поля (викид магнітного поля) у надпровіднику, коли він переходить у надпровідний стан. Це явище було відкрито в 1933 Вальтером Майснером і Робертом Оксенфельдом. Це є основою визначення того, чи є даний провідник з нульовим електричним опором надпровідником.
[1]
Сили, викликані поверхневими електричними струмами, можуть утримувати надпровідник над чи під магнітом, тобто. у стані левітації. Технічно простіше змусити магніт левітувати над надпровідником, як показано на малюнку (рис. 3.).
Мал. 3. Магніт, що левітує над надпровідником. Джерело, CC BY-SA 3.0
Підсумовуючи обговорення, ми можемо дати визначення надпровідності.
Надпровідність - це явище, при якому електричний опір твердого тіла падає до нуля, а магнітне поле виштовхується з його внутрішньої частини.
Звідки ми знаємо, що електричний опір надпровідника дорівнює нулю? Коли в надпровіднику індукується вихровий електричний струм, його інтенсивність не змінюється протягом багатьох років, що ми і спостерігаємо у фізичних лабораторіях.
Проблема використання надпровідності на практиці полягає в тому, що це явище виникає за дуже низьких температур, зазвичай нижче -234oC. Проте дослідні групи працюють над отриманням цього ефекту за кімнатної температури. Неважко уявити, як змінився б наш світ, якби ми могли використовувати електрику без втрат енергії.
Температура, при якій з'являється надпровідність для даної провідної речовини, називається критичною температурою (Tc). Ці температури настільки низькі, що їх важко досягти, а вміст тіл у таких умовах у будь-якому випадку дуже дорогий. Необхідно використовувати спеціальне охолодження, наприклад рідким азотом, рідким гелієм і т.д. У 20 столітті були знайдені речовини, для яких критичні температури в середньому набагато вищі, ніж ті ж температури для металів (так звані керамічні агломерати), але навіть у цьому випадку температури настільки низькі, що їхня підтримка вимагає великих витрат.
На момент написання статті рекордно висока температура надпровідності складає всього - 23oC. Це було досягнуто для гідриду лантану. Для його створення - лантан і водень були поміщені в камеру і піддані тиску, що перевищує атмосферний на 1,7 мільйона (джерело [2]).
Матеріали, з яких може бути виготовлений надпровідник, різноманітні. Це і елементи, і сплави, органічні та неорганічні хімічні сполуки. Буває, що надпровідний матеріал при температурі вище критичної є ізолятором.
Явлення надпровідності неможливо пояснити на основі класичної фізики. Це квантовий ефект. Довгий час цього явища був переконливого пояснення. Перша теорія, що описує мікроскопічний механізм ефекту, було розроблено 1957 року. Його автори - Джон Бардін, Леон Купер і Джон Шріффер - були удостоєні Нобелівської премії у 1972 році.
У двох словах, ця теорія заснована на постулаті, що: у надпровідному стані електричний струм переноситься парами електронів із протилежно спрямованими спинами.
Одиночні електрони є ферміонами (тобто частинками зі спином, рівним ½) і не можуть займати однакові енергетичні стани. Однак пара електронів вже є бозоном (часткою з повним спином, у даному випадку 0), а на бозони ця заборона не поширюється. Всі вони можуть займати найнижчий квантовий рівень енергії і не брати участь у процесі дисипації енергії через взаємодію з кристалічними ґратами.Електрони взаємодіють з кристалічною решіткою, утворюючи пару, тому це відбувається тільки при низьких температурах, коли коливання атомів у решітці не заважають цій взаємодії.
Список використаної літератури
- Вікіпедія
- Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures
- В. Л. Гінзбург, Є. А. Андрюшин. Надпровідність. - М: Альфа-М, 2006.