4. Как измерить «ничего». Вечное движение. Привередливые сверхпроводники. «Гроб Магомета». Заколдованный круг.

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 каким?нибудь, даже очень малым электрическим сопротивлением, то ток в катушке постепенно уменьшался бы во времени, или, как говорят физики, затухал, вплоть до его полного исчезновения.

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.

Мощные сверхпроводящие магниты и трансформаторы без потерь, так же как и другие виды электрических машин, имеющих сверхпроводящие обмотки, сулили грандиозные возможности.

Однако, оказалось, стоит напряженности магнитного поля превысить некоторое «критическое» значение, как явление сверхпроводимости исчезает; катушка становится обычным проводником.

Поскольку всякий ток создает магнитное поле, существует критическая величина тока, текущего по сверхпроводнику, при которой происходит разрушение сверхпроводимости. При этом критическое магнитное поле для чистых металлов обычно не превышало сотых долей тесла — величину, меньшую той, которая требуется даже для небольших электрических машин.

Но интерес исследователей к такому удивительному явлению, как сверхпроводимость, не ослаб.

К ртути, свинцу и олову вскоре прибавились новые сверхпроводники: индий, галлий и таллий. Эти металлы по своим физическим свойствам похожи друг на друга: они мягки, их температуры плавления невысоки.

Вскоре сверхпроводники были обнаружены и среди более тугоплавких и твердых металлов… Это тантал, ниобий, титан и торий.

Когда был сжижен гелий, газ с самой низкой температурой кипения, и откачаны над ним пары, казалось, что самая низкая возможная температура уже достигнута.

Однако, после того как в 1926 году был открыт так называемый метод магнитного охлаждения, появилась возможность проникнуть в область еще более низких температур. Здесь исследователей ждали новые открытия.

Но прежде разберем вкратце, в чем заключается сущность метода магнитного охлаждения.

Частицы (атомы, ионы, молекулы) парамагнитного вещества ведут себя как маленькие магнитики.

Из?за теплового движения эти магнитики ориентированы совершенно беспорядочно.

Правда, при низких температурах, когда тепловое движение ослаблено в значительной степени, силы взаимодействия между магнитиками могут заставить их расположиться правильным образом. Но если магнитики находятся далеко друг от друга, то силы взаимодействия не хватает для наведения порядка и магнитный беспорядок сохраняется до самых низких температур.

Такие явления наблюдаются в очень сложных по своему составу парамагнитных солях, в которых, кроме магнитных частиц, есть много других немагнитных частиц, например в цериевомагниевом нитрате. В этом веществе магнитиками являются только ионы церия. Но на каждый ион церия приходится примерно 60 других, немагнитных атомов.

Магнитики так сильно разбавлены немагнитными частицами, что беспорядок в ориентации ионов церия сохраняется даже при очень низких температурах.

В парамагнитном веществе беспорядок может изменяться не только при изменении его температуры, но и при изменении его магнитного состояния.

Если парамагнитную соль поместить в постоянное магнитное поле, то все магнитики — ионы выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля. Таким образом, наводится порядок в ориентации ионов. Если это поле убрать, снова создается беспорядок.

Практически магнитное охлаждение осуществляется следующим образом (см. схему на стр. 72).

Парамагнитную соль, находящуюся в ампуле а, заполненной газообразным гелием, помещают в сосуд с жидким гелием, температура которого равна примерно 1К, расположенный в магнитном поле между полюсами электромагнита (1).

Газообразный гелий в ампуле обеспечивает хороший тепловой контакт с жидким гелием. Таким образом, температура парамагнитной соли совпадает с температурой окружающего жидкого гелия.

Затем из ампулы откачивают газообразный гелий, обеспечив тем самым теплоизоляцию соли от окружающей среды (2).

Потом отключают магнитное поле, что ведет к разориентации магнитиков (3).

На разориентацию магнитиков расходуется энергия теплового движения ионов, что приводит к дальнейшему охлаждению соли.

С помощью этого метода можно получить температуры, лишь на тысячные доли кельвина отличающиеся от абсолютного нуля. В современной технике чаще применяется другой, более удобный способ охлаждения до температур, приближающихся к абсолютному нулю, о котором вы прочтете в главе седьмой.

В интервале «магнитных температур» (от 1К и ниже) была обнаружена новая серия сверхпроводников: кадмий, иридий, рутений, титан и другие.

Магнитное охлаждение: а — ампула; А — жидкий гелий; Б — газообразный гелий; В — вакуум. 1 — под действием магнитного поля магнитики — ионы парамагнитной соли, охлажденной жидким гелием, выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля; 2— откачкой газообразного гелия достигается теплоизоляция соли от окружающей среды; 3— при отключении магнитного поля происходит разориентация магнитиков и дальнейшее охлаждение соли.

Теперь остается представить читателю известные на сегодня сверхпроводящие элементы.

Для этого рядом с названием элемента указываются два числа: критическая температура в кельвинах (К) и критическое магнитное поле в теслах (Т), в тех случаях, когда оно известно.

Но почему около галлия стоят сразу три пары чисел?

Оказывается, некоторые элементы существуют в виде двух или большего количества простых веществ, отличающихся друг от друга, например, структурой кристаллической решетки. В науке это явление известно под названием аллотропии (от греческого — «другое свойство»).

Разные аллотропические формы одного и того же элемента могут иметь разные критические температуры перехода в сверхпроводящее состояние и разное критическое магнитное поле.

Но продолжим наш «парад».

Следующий элемент мог бы по праву занять место правофлангового. Ведь именно с него началась история сверхпроводимости.

Замыкают нашу «колонну»:

У читателя, впервые ознакомившегося со списком сверхпроводящих элементов, может мелькнуть мысль, что в нем кое?что пропущено.

Действительно, где такой элемент, как серебро, удельное сопротивление которого меньше, чем у всех других веществ? А где медь, которая благодаря своему низкому электрическому сопротивлению является прекрасным материалом для электрических проводов? А золото?..

Но увы! По данным, которыми располагают ученые сегодня, ни серебро, ни медь, ни золото, ни некоторые другие металлы и сплавы, являющиеся хорошими проводниками при комнатной температуре, никаких признаков сверхпроводимости не проявляют даже при охлаждении до сколь угодно низкой, доступной нам температуры.

Кроме рассмотренных элементов, существуют и другие, более «привередливые» сверхпроводники. Им низкой температуры мало! Для перевода в сверхпроводящее состояние одновременно с охлаждением их необходимо подвергнуть давлению. К таким сверхпроводникам относятся, например, германий и кремний.

В 1933 году ученый мир потрясло открытие в области сверхпроводимости, сделанное берлинскими физиками В. Мейснером и Р. Оксенфель- дом, получившее название эффекта Мейснера.

Чтобы понять сущность эффекта Мейснера, вспомним, что обычный металл, находящийся в магнитном поле, пронизывается силовыми линиями магнитного поля.

Иная картина наблюдается у сверхпроводящего металла, помещенного в слабое магнитное поле. При температуре ниже критической силовые линии магнитного поля полностью выталкиваются из сверхпроводника. Индукция поля в толще сверхпроводника равна нулю. В этом и заключается эффект Мейснера.

Эффект Мейснера: 1 — при температуре выше критической магнитные силовые линии пронизывают толщу сверхпроводника; 2 — при температуре ниже критической магнитные силовые линии выталкиваются из толщи сверхпроводника.

Изучая эффект Мейснера, следует обратить внимание на то, что магнитная индукция равна нулю именно в толще сверхпроводника. В его поверхностном слое толщиной от 10 до 100 нанометров (один нанометр равен одной миллиардной доли метра) возникает постоянный электрический ток, текущий без сопротивления.

Собственное магнитное поле тока, текущего в поверхностном слое сверхпроводника, противоположно внешнему магнитному полю. Происходит полная компенсация, что приводит к нулевому значению индукции поля в толще сверхпроводника.

Представьте себе сверхпроводящую свинцовую чашу с жидким гелием.

Магнитик парит над сверхпроводящей чашей, подобно гробу Магомета из старинного предания.

Вы опускаете в чашу закрепленный на цепочке небольшой брусковый магнит.

Ниже… Еще ниже. Постепенно словно какая?то неведомая сила подхватывает магнитик, и он уже самостоятельно «парит» над чашей.

В чем причина этого явления?

Магнитное поле магнитика индуцирует незатухающий ток на поверхности сверхпроводящей свинцовой чаши, который в свою очередь возбуждает магнитное поле. По закону Ленца это поле стремится оттолкнуть магнитик. Когда сила отталкивания сравнивается с силой тяжести, магнитик начинает парить в воздухе.

Этот остроумный эксперимент, впервые в мире проведенный в 1945 году профессором Московского государственного университета Владимиром Константиновичем Аркадьевым, получил шуточное название «гроб Магомета», по аналогии со старинной легендой о гробе Магомета, который парил в воздухе без всякого подвеса.

Впрочем, настоящий гроб Магомета вряд ли мог парить над сверхпроводящей свинцовой чашей, каких бы она ни была размеров. Чем больше вес магнита, тем более сильное магнитное поле должно его удерживать, а читатель уже знает, что существует критическая величина напряженности магнитного поля, при которой сверхпроводимость разрушается, и эта величина для свинца достаточно мала.

Сверхпроводящее кольцо, по которому протекает незатухающий ток, оказалось «заколдованным кругом». Увеличение тока развеивало «чары» сверхпроводимости.

Это было очень досадно, и исследователи продолжали «колдовать» над сверхпроводимостью.

В начале 30–х годов иностранным ученым, работающим в области низких температур, стало известно, что наряду с такими центрами криогенной техники, как Лейден, Кембридж, Берлин, существует и… Харьков.

Здесь в марте 1931 года при Украинском физико — техническом институте по инициативе и с участием его директора, выдающегося советского физика, впоследствии академика, Ивана Васильевича Обреимова, была организована первая в Советском Союзе специализированная криогенная лаборатория.

Ее возглавил молодой физик Л. В. Шубников.

Лев Васильевич Шубников родился 29 сентября 1901 года в Петербурге. В 1926 году он окончил Ленинградский политехнический институт, получив квалификацию инженера — физика.

Еще в студенческие годы Шубников проявил незаурядные способности к проведению исследовательских работ. После окончания института его направляют по путевке Наркомпроса в Лейденскую криогенную лабораторию имени Камерлинг — Оннеса.

С трепетом переступил молодой исследователь порог этого старинного центра криогенной техники, где свято хранились традиции его основателя, человека, первым вступившего в область абсолютного нуля температуры.

Как здесь встретят вчерашнего студента, приехавшего познавать азы криогенной техники?

Шубников совместно с голландским физиком Де Хаазом приступил к исследованиям электрических свойств кристалла висмута в магнитном поле при низких температурах. Они открыли новое, ранее неизвестное явление — периодическое изменение электрического сопротивления висмута в зависимости от магнитного поля. Это явление получило название «эффект Шубникова — Де Хааза».

По возвращении на родину Шубников приложил немало усилий, чтобы обеспечить харьковскую лабораторию современным криогенным оборудованием. Были установлены водородный и гелиевый ожижители и другая аппаратура. В новом криогенном центре начались интенсивные исследования проблемы сверхпроводимости.

В 1934 году Лев Васильевич Шубников и Юрий Николаевич Рябинин независимо от Мейснера и Оксенфельда открыли эффект равенства нулю магнитной индукции в толще сверхпроводника.

«Ну и что же? — может спросить читатель. — Ведь они были не первыми».

Немецкие исследователи открыли этот эффект, изучая картину магнитного поля в окрестности сверхпроводника. Харьковским физикам удалось измерить магнитное поле внутри сверхпроводника, впервые предоставив неопровержимое доказательство существования эффекта Мейснера.

В то время некоторые исследователи, разочаровавшись в попытках получить достаточно сильные магнитные поля с помощью сверхпроводников из чистых металлов, решили обратиться к сплавам. Тут неожиданный успех сопутствовал голландским физикам Де Хаазу и Винду. В 1930 году они получили сплав свинец — висмут с критическим магнитным полем 2 тесла. Это была уже существенная величина.

Но эксперименты не всегда давали одинаковые результаты. Сплав, о котором было известно, что он имеет относительно высокое критическое поле, при повторных экспериментах вдруг начинал «капризничать». Критическое магнитное поле оказывалось неожиданно низким.

Считалось, что чем чище каждый отдельный сверхпроводящий металл, тем у него выше критическое магнитное поле. По аналогии пытались создавать возможно более чистые сплавы. Однако, как потом выяснилось, этот путь был ошибочным.

Шубников был первым ученым, пришедшим к мысли о существовании разницы между сверхпроводимостью чистых металлов и сверхпроводимостью сплавов.

Тщательные экспериментальные исследования, проведенные Шубниковым и его сотрудниками в 1934–1937 годах, подтвердили эту догадку.

Разрушение сверхпроводимости сплавов происходит при значительно более сильных магнитных полях, чем у чистых металлов.

В 1938 году молодой московский физик — экспериментатор, впоследствии академик, Александр Иосифович Шальников сделал еще одно интересное открытие в области сверхпроводимости.

Осадив методом распыления металл на поверхность стеклянной пластины, охлажденной жидким гелием, ученый получил сверхпроводящую пленку с большим критическим током.

Виртуозно поставленными экспериментами Шальников продемонстрировал способность сверхпроводящих пленок выдерживать значительно более сильные магнитные поля, чем массивные сверхпроводники.

Работами Шубникова, Шальникова и ряда других советских и иностранных ученых в конце тридцатых годов были заложены основы технической сверхпроводимости.

Однако говорить о практическом применении сверхпроводников тогда было еще рано.

Предстояло глубоко осмыслить процессы, происходящие в удивительном мире сверхпроводимости. К тому же сама физическая природа сверхпроводимости продолжала оставаться неясной.

Между тем произошло событие, по своей значимости сопоставимое с открытием сверхпроводимости.

О нем — в следующей главе.