- Большинство химических элементов приобретают свойства сверхпроводимости при достаточно низкой температуре
- Сверхпроводимость позволяет проводить электрический ток без сопротивления и потери энергии
- Поезда, которые парят над рельсами, магнитоэнцефалография высокой точности, а также создание менее объемных и более легких двигателей, генераторов и трансформаторов — вот лишь некоторые примеры применения явления сверхпроводимости в нашей жизни.
Сверхпроводники, разработанные в лабораториях ЦЕРН для передачи тока свыше 20 000 ампер.
Немного истории
В начале XX века голландский физик Хейке Каммерлинг-Оннес со своими ассистентами занялись изучением свойств веществ при сверхнизких температурах, от -271 °C до -259 °C. В 1911 году они обнаружили, что электрическое сопротивление ртути практически равно нулю (исчезает) при температуре около 4,2 К (-269 °C).Так было открыто явление сверхпроводимости. Вклад в исследования в этой области принес ученому Нобелевскую премию по физике в 1913 году.
Еще две Нобелевских премии ученым, внесшим вклад в дальнейшее развитие теории сверхпроводимости
В 1957 году Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Р. Шриффер объявили о создании новой теории, получившей название БКШ, которая впервые объяснила почти все свойства сверхпроводящих веществ, а ее создатели были удостоены Нобелевской премии по физике в 1972 году. Суть теории БКШ заключается в том, что в состоянии сверхпроводимости возникает притяжение между электронами, свободно проходящими между атомами кристаллической решетки, что приводит к образованию пар электронов (куперовских пар). Такие пары способны проводить ток без электрического сопротивления.
В 1986 году Г. Берднорц и К. А. Мюллер, работающие в лаборатории IBM в Швейцарии, открыли явление сверхпроводимости в керамических материалах при температурах, превышающих критический минимум. Полученные результаты стали революционным открытием: вскоре были обнаружены многочисленные вещества, приобретающие свойства сверхпроводимости при температурах выше точки кипения жидкого азота (-196 °C), что облегчает охлаждение и позволяет сократить затраты. Открытие принесло ученым Нобелевскую премию по физике в 1987 году. Это семейство веществ, получивших название высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), пробудило интерес со стороны прикладной технологии к практическому использованию явления сверхпроводимости.
Закон Джоуля и куперовские пары
При протекании электрического тока по проводу последний нагревается (об этом свидетельствует, например, покраснение спирали нагревателя или нити в лампочке накаливания). Это явление, получившее название эффекта Джоуля, вызвано электрическим сопротивлением и происходит вследствие столкновения движущихся электронов с атомами вещества. В сверхпроводниках, в свою очередь, электроны образуют пары (куперовские пары), которые перемещаются сквозь вещество (синхронизируя свое движение с колебаниями атомов) и проводят электроэнергию, не вызывая электрического сопротивления .
Другими словами:
- когда сопротивляемость равна нулю, электрический ток может проходить через вещество без потери энергии, поскольку вещество отсутствует сопротивление электрическому току;
- куперовские пары движутся внутри твердых веществ, не вызывая трения.
Эффект Мейснера
Сверхпроводники способны не только проводить электрическую энергию без образования сопротивления, но и вытесняют магнитное поле — это явление получило название эффект Мейснера.
Какое применение сверхпроводимость получает в повседневной жизни?
Производство и передача электричества с очень низкими энергетическими потерями
- Использование кабелей из сверхпроводящих материалов в электросети позволяет передавать то же напряжение при меньших энергетических затратах, что благотворно влияет на окружающую среду.
- Создание намного более легких и менее объемных двигателей, генераторов и трансформаторов. Например, двигательные установки для кораблей и ветрогенераторов.
Создание огромного магнитного поля
- Совершенствование оборудования для магнитно-резонансной терапии: через сверхпроводящие провода диаметром менее 1 мм проходит ток силой в сотни ампер без энергетических потерь, благодаря чему такие провода идеально подходят для использования в катушках, создающих высокоинтенсивное магнитное поле (свыше 2 тесл).
Система магнитов в детекторе ATLAS в лабораториях ЦЕРН имеет восемь сверхпроводящих магнитов огромного размера (серые трубы)
Путешествие в ЦЕРН (ATLAS) за 10 минут
- Огромные магниты, используемые в работе ускорителей частиц, например Большого андронного коллайдера, находящегося в ЦЕРН (Европейском центре ядерных исследований).
Новые транспортные системы
Способность сверхпроводников создавать сильное магнитное поле позволяет использовать их в строительстве путей из постоянных магнитов, над которыми транспорт буквально левитирует. Речь прежде всего идет о поездах-маглевах (от англ. magnetic levitation — «магнитная левитация»), которые благодаря отсутствию трения с поверхностью рельсов способны развить скорость до 580 км/ч на участке между Токио и Осакой. Предполагается, что первая пассажирская линия будет введена в эксплуатацию в 2025 году.
Поездка в поезде на магнитной подушке — Маглеве — со скоростью свыше 500 км/ч
Разработка новых электронных устройств
Высокочувствительные электронные устройства могут обнаруживать самые слабые магнитные поля и используются в приборах для высокоточных научных измерений. В частности, они могут обнаруживать магнитное поле, вызываемое взаимодействием нейронов головного мозга, что уже нашло свое применение в магнитоэнцефалографии.
Источники:
ICMA, Институт материаловедения Арагона (CSIC, Высший совет по научным исследованиям Испании — Университет Сарагосы)
Благодарность:
Благодарим руководителя группы по исследованию сверхпроводимости Института материаловедения Арагона Луиса Альберто Ангуреля за содействие при подготовке этой статьи.
