4. Сверхпроводники и криопроводники

В 1911 г. нидерландский физик X.Камерлинг-Оннес, неза­долго перед тем (в 1908 г.) впервыеполучивший жидкий гелий (ге­лий был последним газом, который до того еще не удавалосьпере­вести в жидкое состояние), исследовалэлектропроводность металлов при«гелиевых» температурах (температура сжижения гелия при нормальномдавлении около 4,2 К; еще более низкие температуры могут быть получены при испарении жидкого гелия). При этом Ка­мерлинг-Оннессделал поразительное открытие: он обнаружил, что при охлаждении до температуры, примерно равной температуре сжи­жениягелия, сопротивление кольца из замороженной ртути вне­запно, резким скачком падает до чрезвычайно малого, не подда­ющегося измерению, значения.

Такое явление, т. е. наличие у веществапрактически бесконечной удельной проводимости, было названосверхпроводимостью, тем­пература Т_с, при охлаждении до которой веществопереходит в сверхнроводящее состояние, —температурой сверхпроводящего пе­рехода, а вещества, переходящие всверхпроводящие состояние, — сверхпроводниками.

Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым;при повышении температуры до значения Т_ссверхпроводимость наруша­ется и вещество переходит в нормальноесостояние с конечным зна­чением удельной проводимости g .

Рис.4-1. Общий вид диаграммы состояния сверхпроводника первого рода

Внастоящее время известно уже 35 сверхпроводниковых металлов и более тысячисверхпроводниковых сплавов и химических соеди­нений различных элементов. В тоже время многие вещества, в том числе итакие, обладающие весьма малыми значениями r при нормаль­ной температуреметаллы, как серебро, медь, золото,платина и другие, при наиболеенизких достигнутых в настоящее времятемпературах (около милликельвина) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Явлениесверхпроводимости связано с тем, что электрический ток,однажды наведенный в сверх проводящем контуре, будет дли­тельно(годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, ипритом без всякого подвода энергии извне (конечно, если неучитывать неизбежного расхода энергии на работу охлаждающего устройства,которое должно поддерживать температуру сверхпроводящего контураниже значения Т_с, харак­терного для данногосверхпроводникового материала); такой сверхпроводящий контур создает вокружающем пространстве магнитное поле, подобно постоянному магниту. Поэтомуобтекаемый электри­ческим током сверх проводящий соленоид долженпредставлять собой сверхпроводниковый электромагнит, нетребующий питания от ис­точника тока. Однако первоначальные попытки изготовитьпракти­чески пригодный сверхпроводниковый электромагнит,создающий в окружающем пространстве магнитное поле с достаточновысокими напряженностью Н и магнитной индукцией В, закончилисьнеуда­чей. Оказалось, что сверхпроводимость нарушается нетолько при повышении температуры до значений, превышающих Т_с,но и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитногополя с магнитной индукцией, превышающей индукцию перехода В₀(в первом приближении, по крайней мере для чистых сверхпроводниковыхметаллов, безразлично, создается ли индукция В_с током, идущимпо самому сверхпроводнику, или же сторонним источником магнитногополя). Это поясняется диаграммой состояния сверх­проводника,изображенной на рис. 4-1. Каждому значению тем­пературы Т данногоматериала, находящегося в сверх проводящем состоянии, соответствуетсвое значение индукции перехода В_с. Наибольшая возможная температураперехода Т_с (критическая температура) данногосверхпровод­никового материала достигается при ничтожно малоймагнитной индукции, т. е. для сверхпроводни­кового электромагнита — при весьма