Электроника:Постоянный ток/Физика проводников и диэлектриков/Сверхпроводимость

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Сверхпроводимость

Проводники теряют все своё электрическое сопротивление при охлаждении до сверхнизких температур (вблизи абсолютного нуля, то есть чуть выше, чем -273°C). Следует понимать, что сверхпроводимость – это не просто экстраполирование тенденции большинства проводников постепенно терять сопротивление при понижении температуры; скорее, это внезапный квантовый скачок удельного сопротивления от хоть и малого, но конечного значения до вообще нулевого. Сверхпроводящий материал имеет абсолютно нулевое электрическое сопротивление, а не просто очень-очень-очень маленькое.

Сверхпроводимость впервые обнаружена Х. Камерлинг-Оннесом в Лейденском университете, что в Нидерландах, в 1911 году. За три года до этого, в 1908 году, Оннес разработал метод сжижения газообразного гелия, ставший той средой, с помощью которой можно было переохлаждать экспериментальные объекты до сверхмалых температур, всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Решив исследовать изменения в электрическом сопротивлении ртути при экстремальном охлаждении, учёный обнаружил, что её сопротивление упало до нуля чуть ниже точки кипения жидкого гелия (жидкий гелий кипит при 4,2 К т.е. при -268,96°C).

Пока что продолжается научная дискуссия, как именно и почему сверхпроводящие материалы становятся сверхпроводниками. Одна теория утверждает, что внутри сверхпроводника электроны группируются и перемещаются по двое (так называемые куперовские пары), а не путешествуют независимо по одному, и это как-то связано с перемещением их потока без трения. Достаточно интересно, что другой феномен сверхнизких температур, сверхтекучесть, наблюдается для некоторых жидкостей (особенно хорошо исследован жидкий гелий), что вызывает движение вообще без трения потока молекул.

Сверхпроводимость обещает необычные возможности для электрических цепей. Если бы сопротивление проводников можно было полностью устранить, не было бы потерь мощности или неэффективности в электроэнергетических системах из-за паразитных сопротивлений. Электродвигатели можно было сделать почти полностью (чуть ли не на 100%) эффективными. Такие компоненты, как конденсаторы и катушки индуктивности, идеальные характеристики которых обычно портятся внутренним сопротивлением проводов, можно было бы сделать идеальными в прямом, а не фигуральном значении этого слова. Уже разработаны некоторые практические сверхпроводящие проводники, двигатели и конденсаторы, но их использование в настоящее время ограничено из-за практических проблем, присущих поддержанию сверхнизких температур.

Пороговая температура для перехода сверхпроводника от нормальной проводимости к сверхпроводимости называется температурой перехода (в русскоязычной научной литературе – критическая температура сверхпроводника).

Температуры перехода для «классических» сверхпроводников находятся в криогенном диапазоне (где-то рядом с абсолютным нулём), но уже достигнут значительный прогресс в разработке «высокотемпературных» сверхпроводников, которые обладают сверхпроводимостью при относительно более высоких температурах. Например, керамическая смесь иттрия, бария, меди и кислорода, имеет температуру перехода аж -160°С. В идеале сверхпроводник должен работать в диапазоне температур окружающей среды или, хотя бы, в диапазоне недорогого холодильного оборудования.

В этой таблице показаны температуры перехода для некоторых распространённых веществ. Температуры даны в кельвинах, которые имеют такой же интервал приращения, что и градусы Цельсия (увеличение или уменьшение на 1 К соответствует той же величине изменения температуры, что и на 1°C), только смещение таково, что 0 K соответствует абсолютному нулю. Таким образом, при работе с температурными значениями не приходится иметь дело с отрицательными числами.

Материал	Элемент / Сплав	Критическая температура (K)
Алюминий	Элемент	1,20
Кадмий	Элемент	0,56
Свинец	Элемент	7,2
Меркурий	Элемент	4,16
Ниобий	Элемент	8,70
Торий	Элемент	1,37
Олово	Элемент	3,72
Титан	Элемент	0,39
Уран	Элемент	1,0
Цинк	Элемент	0,91
Ниобий/Олово	Сплав	18,1
Сульфид меди	Соединение	1,6

Сверхпроводящие материалы также интересным образом взаимодействуют с магнитными полями. Находясь в сверхпроводящем состоянии, сверхпроводящий материал стремится вытеснить все магнитные поля из объёма проводника.

Данное явление, известно как эффект Мейснера. Однако, если напряжённость магнитного поля превысит критический уровень, сверхпроводящий материал перестанет быть сверхпроводящим. Другими словами, сверхпроводящие материалы теряют свою сверхпроводимость (независимо от того, до какой температуры они охлаждены), если подвергнуть их воздействию достаточно сильного магнитного поля. Фактически, присутствие любого магнитного поля понижает критическую температуру любого сверхпроводящего материала: чем больше магнитное поле, тем до более низкой температуры нужно охладить материал, прежде чем он станет сверхпроводящим.

Это ещё одно препятствие для использования сверхпроводников в схемотехнике. Ведь электрический ток, проходящий через любой проводник, создаёт магнитное поле. Несмотря на то, что сверхпроводящий проводник будет иметь нулевое сопротивление для противодействия току, всё равно будет существовать предел того, сколько тока может практически пройти через этот проводник из-за его предела критического магнитного поля.

Уже сейчас существует несколько промышленных применений сверхпроводников, особенно после недавнего (в 1987 г.) появления керамической смеси иттрий-барий-медь-кислород, для охлаждения которой годится «всего лишь» жидкий азот, а не крайне труднополучаемый жидкий гелий. У поставщиков образовательных услуг можно даже заказать наборы для сверхпроводимости, которые можно использовать в школьных лабораториях (впрочем, сам жидкий азот в такие комплекты не входит, его нужно доставать отдельно). Как правило, эти комплекты демонстрируют сверхпроводимость за счет эффекта Мейснера, когда крошечный магнит левитирует в воздухе над сверхпроводящим диском, охлаждаемым в ванночке с жидким азотом.

Нулевое сопротивление сверхпроводящих цепей приводит к уникальным следствиям. При сверхпроводящем коротком замыкании можно бесконечно поддерживать большие токи при нулевом приложенном напряжении!

Рис. 1. Кольцо из сверхпроводящего материала, по которому течёт вечный ток.

Экспериментально доказано, что по кольцу из сверхпроводящего материала непрерывный ток течёт в течение многих лет без приложенного напряжения. Насколько известно, в современной физике не существует теоретического ограничения по времени, в течение которого ток без влияние извне может поддерживаться в сверхпроводящей цепи. Если вы подумали, что это же вечный двигатель, то так оно и есть! Вопреки распространенному мнению, нет законов физики, запрещающих вечное движение; скорее, запрет наложен на существование любых механизмов или систем, когда производится больше энергии, чем потребляется (для такой гипотетически невозможной машины даже специальное название есть – сверхединичное устройство). В, общем, может это кого и разочарует, но в лучшем случае вечный двигатель (например, созданный на основании сверхпроводящего кольца) был бы хорош только для хранения энергии, а не для её бесконечной и свободной генерации!

Сверхпроводники также предлагают некоторые удивительные возможности, не имеющие ничего общего с законом Ома. Одной из таких возможностей является создание наноустройства, называемого джозефсоновским переходом (или джозефсоновским контактом). Оно работает как своего рода реле, в котором один ток управляется с помощью другого тока (конечно же, в таком «реле» движущихся частей нет, токи закольцованы в двух сверхпроводниках, разделённых тончайшим слоем диэлектрика). Небольшие (квантовые) размеры и быстрое время переключения в джозефсоновских переходах могут привести к созданию революционных компьютерных схем, что может стать альтернативой использованию полупроводниковых транзисторов.

Итог

• Сверхпроводники – это материалы с абсолютно нулевым электрическим сопротивлением.
• Все известные в настоящее время сверхпроводящие материалы необходимо охлаждать намного ниже температуры окружающей среды, чтобы они стали сверхпроводниками. Максимальная температура, при которой это происходит, называется температурой перехода или критической температурой сверхпроводника.