§ 112. Сверхпроводимость

Определения и обозначения

Сверхпроводимость — состояние некоторых веществ, при котором ниже определённой температуры электрическое сопротивление становится равным нулю. Это не просто очень хорошая проводимость: нулевое сопротивление позволяет току течь без обычных потерь энергии на нагрев. Сверхпроводящими становятся не все материалы, а только некоторые при подходящих условиях.

Критическая температура — температура перехода вещества в сверхпроводящее состояние. Для каждого материала она своя, поэтому при охлаждении важно знать именно его характерную границу. Это понятие помогает определить, при какой температуре материал может проявить сверхпроводящие свойства.

Эффект Мейснера — вытеснение магнитного поля из сверхпроводника при переходе в сверхпроводящее состояние. Он показывает, что сверхпроводимость проявляется не только в поведении электрического сопротивления. Эффект важен для понимания взаимодействия сверхпроводника с магнитами.

Критический ток — предельное значение тока, выше которого сверхпроводящее состояние нарушается. Даже при достаточно низкой температуре слишком сильный ток может лишить материал сверхпроводящих свойств. Поэтому для применения сверхпроводника нужно учитывать не только его температуру, но и допустимый ток.

Как это устроено

Сверхпроводимость обнаружили, изучая сопротивление металлов при охлаждении. При постепенном понижении температуры у некоторых материалов сопротивление не просто плавно уменьшается, а резко исчезает при достижении характерного значения. Значит, внутри материала происходит переход в особое состояние, а не только обычное ослабление теплового движения. Температуру такого перехода называют критической.

В обычном металлическом проводнике движущиеся заряженные частицы взаимодействуют с частицами материала. Из-за этих взаимодействий электрическая энергия превращается во внутреннюю энергию проводника, поэтому он нагревается. В сверхпроводящем состоянии сопротивления нет, и обычный механизм потерь на нагрев не действует. Поэтому ток может сохраняться без постоянной подачи энергии для компенсации таких потерь.

Одного нулевого сопротивления недостаточно, чтобы полностью описать сверхпроводящее состояние. При переходе в него материал вытесняет магнитное поле из своей толщи — это и есть эффект Мейснера. Такое поведение связано с тем, что меняется состояние вещества и его взаимодействие с магнитным полем. Поэтому сверхпроводник отличают от обычного проводника не только по электрическим свойствам.

Сверхпроводящее состояние возможно лишь в определённых пределах. Если температура становится выше критической, материал возвращается к обычному состоянию; слишком сильное магнитное поле также способно нарушить сверхпроводимость. Кроме того, важна величина тока: выше критического значения сверхпроводящее состояние не сохраняется. Таким образом, температура, магнитное поле и ток действуют не независимо от свойств материала, а задают условия, в которых он остаётся сверхпроводником.

Для практического применения сверхпроводника нужно сначала охладить его до нужной температуры, а затем поддерживать подходящие условия работы. Это требует оборудования для охлаждения, поскольку само по себе прохождение тока не переводит любой материал в сверхпроводящее состояние. Также необходимо следить, чтобы ток и магнитное поле не превышали допустимые пределы. Если хотя бы одно из условий нарушено, сопротивление может снова появиться и материал начнёт нагреваться.

Проводник в обычном и сверхпроводящем состояниях

Сравнивайте свойства в одной строке: так видно, что электрические и магнитные проявления сверхпроводимости различаются. Последняя строка напоминает, что состояние зависит от условий, а не только от названия материала. При решении задач сначала определите, о каком состоянии проводника идёт речь.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему в обычном металлическом проводнике при прохождении тока выделяется теплота, а в сверхпроводнике в сверхпроводящем состоянии потери энергии на нагрев отсутствуют. Здесь требуется связать нагрев с электрическим сопротивлением. Числовых данных для вычислений нет, поэтому достаточно проследить причинную связь.

1. В обычном проводнике сопротивление препятствует движению зарядов, и часть электрической энергии переходит во внутреннюю энергию вещества.
2. В результате проводник нагревается, то есть при прохождении тока выделяется теплота.
3. В сверхпроводящем состоянии сопротивление равно нулю, поэтому потерь энергии на нагрев из-за сопротивления нет.

Ответ: обычный проводник нагревается из-за сопротивления, а в сверхпроводнике сопротивление отсутствует, поэтому таких потерь на нагрев нет. Это не означает, что любой окружающий элемент установки тоже не нагревается: вывод относится к самому сверхпроводнику в соответствующем состоянии. Чтобы объяснить явление, достаточно установить, есть ли сопротивление.

Задача 2. Сверхпроводник охлаждают ниже критической температуры, а затем нагревают выше неё. Опишите, как изменятся его сопротивление и магнитные свойства при переходе через критическую температуру. Нужно применить определения критической температуры и эффекта Мейснера. Направление изменения температуры позволяет определить, в какую сторону происходит переход.

1. Ниже критической температуры материал находится в сверхпроводящем состоянии, если остальные условия допустимы.
2. В этом состоянии сопротивление равно нулю, а материал вытесняет магнитное поле — проявляется эффект Мейснера.
3. При нагревании выше критической температуры сверхпроводящее состояние разрушается: сопротивление перестаёт быть нулевым, а характерное вытеснение поля при переходе в него прекращается.

Ответ: при нагревании через критическую температуру сопротивление становится ненулевым, а сверхпроводящие магнитные свойства исчезают. При охлаждении в обратном направлении материал может снова перейти в сверхпроводящее состояние, если не нарушены другие условия. Для ответа важно не путать направление перехода с тем, что происходит при самом охлаждении.

Задача 3. Сверхпроводник охлаждён ниже критической температуры, но по нему пропускают ток, превышающий критическое значение. Объясните, почему сверхпроводящее состояние не сохранится, и укажите, какие условия нужно контролировать для его поддержания. В условии температуры недостаточно, чтобы гарантировать сверхпроводимость. Следует проверить и другие ограничения.

1. Критический ток — предельное значение, после превышения которого сверхпроводящее состояние нарушается.
2. Поэтому низкая температура не компенсирует чрезмерную величину тока: материал утрачивает сверхпроводящие свойства.
3. Для поддержания состояния нужно контролировать температуру, силу тока и магнитное поле, не допуская выхода за допустимые для материала пределы.

Ответ: сверхпроводимость не сохранится, потому что ток выше критического. Необходимо поддерживать температуру ниже критической и учитывать ограничения по току и магнитному полю. Проверять нужно все условия одновременно, а не только температуру.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что охлаждение сделает сверхпроводником любое вещество. Так можно подумать, потому что сопротивление многих металлов уменьшается при охлаждении. Но сверхпроводимость возникает лишь у определённых материалов и при подходящих условиях. Проверьте себя: в определении говорится о некоторых веществах, а не обо всех проводниках.

Ошибка: путать нулевое сопротивление с эффектом Мейснера. Эти явления связаны с одним состоянием, поэтому их легко принять за одно и то же. Однако нулевое сопротивление описывает электрические свойства, а эффект Мейснера — поведение магнитного поля. Чтобы проверить ответ, спросите себя, говорится ли в нём о токе и нагреве или о магнитном поле.

Ошибка: считать, что сверхпроводимость сохраняется при любой температуре, токе и магнитном поле. Нулевое сопротивление может создать впечатление, что состояние неограниченно устойчиво. На деле превышение критических значений нарушает его. Проверяйте, учтены ли температура, ток и магнитное поле, а не только одно из этих условий.

Ошибка: утверждать, что ток в сверхпроводнике обязательно требует постоянного источника энергии. В обычной цепи источник компенсирует потери, связанные с сопротивлением, поэтому это рассуждение переносят и на сверхпроводник. Но при нулевом сопротивлении потерь энергии на нагрев нет, и ток может существовать без их постоянной компенсации. Проверьте, не приписали ли вы сверхпроводнику сопротивление обычного проводника.

Связь с другими темами

Для понимания сверхпроводимости нужны знания об электрическом токе, сопротивлении проводника и законе Ома: они помогают объяснить нагрев и потери энергии. Понятия магнитного поля и магнитной индукции позволяют разобраться в эффекте Мейснера и понять работу сверхпроводящих магнитов. На практике сверхпроводники используют в мощных электромагнитах и медицинских томографах, где требуются сильные магнитные поля. Их свойства также важны при изучении передачи и хранения электрической энергии.

Что запомнить

• Сверхпроводимость — особое состояние некоторых веществ.
• При переходе в сверхпроводящее состояние сопротивление становится равным нулю.
• Переход происходит ниже критической температуры.
• Сверхпроводник вытесняет магнитное поле — это эффект Мейснера.
• Сверхпроводящее состояние ограничено критическими значениями температуры, тока и магнитного поля.
• Сверхпроводники применяют там, где нужны большие токи и сильные магнитные поля.