Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!
Свръхпроводимостта е явление, при което електрическото съпротивление на твърдо тяло пада до нула и от вътрешността му се изтласква магнитно поле.
Свръхпроводимостта е вълнуващ електрически феномен и голяма надежда за много клонове на технологиите. Оказва се, че при ниски температури съпротивлението на някои материали изведнъж пада до нула. Този ефект е известен от над 100 години, но механизмът му все още крие тайни. Въпреки че това явление е чисто квантово, можете да разберете (много грубо) какво представлява.
Протичането на електрически ток през различни материали е придружено от появата на електрическо съпротивление. Това се дължи на взаимодействието на електрони с атоми или молекули от кристалната решетка на проводника.
Оказва се обаче, че някои материали при много ниски температури могат да преминат в състояние, в което изобщо нямат електрическо съпротивление. Това явление, наречено свръхпроводимост, е открито през 1911 г. от холандския физик Хайке Камерлинг Оннес (фиг. 1.). Материалът, в който възниква това явление, се нарича свръхпроводник.
Ориз. 1. Портрет на Хайке Камерлинг Оннес. Холандски физик, който получи награда за изследване на свойствата на веществата при най-ниски температури и за втечняване на хелий
В повечето случаи свръхпроводниците, освен че имат нулево електрическо съпротивление, са и идеални диамагнетици. Външното магнитно поле се балансира от електрически токове, протичащи по повърхността, и в резултат на това общото магнитно поле вътре в свръхпроводника е нула. Изглежда, че линиите на магнитното поле се изтласкват от свръхпроводника (вижте фиг.ориз. 2). Това явление се нарича ефект на Майснер. Има обаче свръхпроводници, за които магнитното поле, при определени условия, прониква в свръхпроводника и създава смесено състояние.
Ориз. 2. Графично представяне на ефекта на Майснер, т.е. явление на изхвърляне на магнитно поле от вътрешността на свръхпроводник
За справка. Ефектът на Майснер (от англ. Meissner effect) е изчезването на магнитно поле (изхвърляне на магнитно поле) в свръхпроводник, когато той премине в свръхпроводящо състояние. Това явление е открито през 1933 г. от Валтер Майснер и Робърт Оксенфелд. Това явление е в основата на определянето дали даден проводник с нулево електрическо съпротивление е свръхпроводник.
[1]
Силите, причинени от повърхностни електрически токове, могат да задържат свръхпроводник над или под магнит, т.е. в състояние на левитация. Технически е по-лесно магнитът да левитира над свръхпроводника, както е показано на фигурата (фиг. 3).
Ориз. 3. Магнит, левитиращ над свръхпроводник. Източник, CC BY-SA 3.0
Обобщавайки дискусията, можем да дефинираме свръхпроводимостта.
Свръхпроводимостта е явление, при което електрическото съпротивление на твърдо тяло пада до нула и от вътрешността му се изтласква магнитно поле.
Как да разберем, че електрическото съпротивление на свръхпроводника е нула? Когато в свръхпроводник се индуцира вихров електрически ток, неговият интензитет не се променя в продължение на много години, което наблюдаваме във физическите лаборатории.
Проблемът с използването на свръхпроводимостта на практика е, че това явление възниква при много ниски температури, обикновено под -234oC. Изследователски групи обаче работят върху постигането на този ефект при стайна температура. Не е трудно да си представим как би се променил нашият свят, ако можехме да използваме електричество без загуба на енергия.
Температурата, при която се появява свръхпроводимост за дадено проводящо вещество, се нарича критична температура (Tc). Тези температури са толкова ниски, че е трудно да се достигнат, а поддържането на телата при такива условия във всеки случай е много скъпо. Трябва да се използва специално охлаждане, като течен азот, течен хелий и др. През 20-ти век са открити вещества, за които критичните температури са средно много по-високи от тези за металите (т.нар. керамични агломерати), но дори и в този случай температурите са толкова ниски, че поддържането им е скъпо.
По време на писането рекордно високата температура на свръхпроводимост е само -23oC. Това е постигнато за лантанов хидрид. За да се създаде, лантанът и водородът бяха поставени в камера и подложени на налягане, превишаващо атмосферното с 1,7 милиона (източник [2]).
Материалите, от които може да се направи свръхпроводник, са различни. Това са елементи и сплави, органични и неорганични химични съединения. Случва се свръхпроводящ материал при температура над критичната да е изолатор.
Феноменът свръхпроводимост не може да бъде обяснен въз основа на класическата физика. Това е квантов ефект. Дълго време нямаше убедително обяснение за този феномен. Първата теория, описваща микроскопичния механизъм на ефекта, е разработена през 1957 г. Нейните автори - Джон Бардийн, Леон Купър и Джон Шрифър - са удостоени с Нобелова награда през 1972 г.
Накратко, тази теория се основава на постулата, че: в свръхпроводящо състояние електрическият ток се пренася от двойки електрони с противоположни спинове.
Единичните електрони са фермиони (т.е. частици със спин равен на ½) и не могат да заемат едни и същи енергийни състояния. Въпреки това, двойка електрони вече е бозон (частица с общ спин, в този случай 0) и тази забрана не се отнася за бозоните. Всички те могат да заемат най-ниското квантово енергийно ниво и да не участват в процеса на разсейване на енергия поради взаимодействие с кристалната решетка.Електроните взаимодействат с кристалната решетка, образувайки двойка, така че това се случва само при ниски температури, когато вибрациите на атомите в решетката не пречат на това взаимодействие.
Списък с препратки
- Wikipedia
- Свръхпроводимост при 250 K в лантанов хидрид при високи налягания
- B. Л. Гинзбург, Е. А. Андрюшин. Свръхпроводимост. - М .: Алфа-М, 2006.