Что такое сверхпроводимость в физике и кто открыл этот феномен

Сверхпроводимость – это явление, открытое в начале XX века, при котором некоторые материалы, при охлаждении до очень низких температур, теряют сопротивление электрическому току. Для сверхпроводников характерно нулевое электрическое сопротивление и магнитное поле, проникающее внутрь материала, исключительно слабое или полностью отсутствующее.

Открытие сверхпроводимости представляет собой важное достижение в физике, так как это свойство противоречит основным законам классической электродинамики. Этот феномен был впервые обнаружен в животном холодной крови – ртутном снимке – в 1911 году голландским физиком Хеике Камерлингх-Оннесом.

Основная черта сверхпроводимости заключается в том, что электрический ток в сверхпроводниках потоком носителей – электронов или ионов – не рассеивается на препятствиях, как это происходит в обычных проводниках. Вместо этого, электроны образуют так называемые "Куперовские пары", которые движутся синхронно и без сопротивления в сверхпроводящей среде. Это дает сверхпроводникам свойство нулевого электрического сопротивления.

Сверхпроводимость в физике: открытие и феномен

Основной феномен сверхпроводимости заключается в том, что электроны в сверхпроводнике формируют прочную пару, называемую "Куперовской парой". Эта пара обладает нулевым собственным импульсом и образуется при сотрудничестве электронов с противоположной спиновой ориентацией. Когда электрону требуется преодолеть препятствие в сверхпроводнике, он передает свою энергию от одного электрона к другому, что позволяет электронам свободно двигаться без рассеяния электрического тока.

Особая характеристика сверхпроводников - это их критическая температура, ниже которой они обретают сверхпроводящие свойства. У разных веществ эта температура может варьироваться: от сотен градусов цельсия до нескольких милликельвинов близких к абсолютному нулю. В настоящее время исследователи стараются найти сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, чтобы практически применять это явление в различных технологиях, таких как энергетика и магнитное резонансное изображение.

Открытие сверхпроводимости

Феномен сверхпроводимости был открыт в 1911 году голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом. В ходе своих экспериментов, он обнаружил, что некоторые вещества при охлаждении до очень низких температур теряют сопротивление электрическому току.

Камерлинг-Оннес подозревал, что сопротивление исчезает в ультранизком диапазоне температур, и провел эксперименты с ртутью и ртутными сплавами. В результате он обнаружил, что при очень низких температурах ртуть становится сверхпроводником, и это состояние сохраняется даже при удалении всего внешнего магнитного поля.

Открытие сверхпроводимости вызвало огромный интерес ученых и открыло новую область исследований в физике. В дальнейшем были найдены и изучены множество материалов, обладающих сверхпроводимостью, и ученые продолжают исследовать явление для более полного понимания его природы и возможных приложений.

Основные черты сверхпроводимости

1. Полное отсутствие электрического сопротивления. При достижении критической температуры материал становится полностью сверхпроводящим и электрический ток может проходить по нему без каких-либо потерь.

2. Эффект Мейсснера. Сверхпроводник полностью выталкивает магнитные поля из своего внутреннего объема. Это значит, что сверхпроводник обладает свойством "отталкивания" магнитов или магнитных полей. Это явление называется эффектом Мейсснера и является одной из наиболее известных черт сверхпроводимости.

3. Критическое поле. Критическое поле – это значение внешнего магнитного поля, при котором сверхпроводник переходит из сверхпроводящего состояния в нормальное состояние, теряет свои сверхпроводящие свойства. Критическое поле зависит от свойств материала и температуры.

4. Критическая температура. Критическая температура – это температура, ниже которой материал становится сверхпроводящим. Критическая температура также зависит от свойств материала.

Эти основные черты сверхпроводимости помогают понять и объяснить уникальные свойства сверхпроводников и дают возможность использовать их в широком спектре приложений, например, в создании суперпроводящих магнитов и сенсоров магнитных полей.

Температурная зависимость сверхпроводимого перехода

Существует два типа зависимостей сверхпроводимого перехода от температуры:

• Падение критической температуры с увеличением внешнего давления. В этом случае, с увеличением давления критическая температура понижается и достигает своего минимума на определенном значении давления.
• Повышение критической температуры с увеличением концентрации примесей. При добавлении примесей в проводящий материал, критическая температура может повышаться и достигать своего максимума при определенной концентрации примесей.

Также существует связь между сверхпроводимостью и магнитным полем. При наличии магнитного поля, сверхпроводимость может возникать только при определенном значении магнитного поля, называемом критическим значением магнитного поля.

Температурная зависимость сверхпроводимой способности материалов является важным фактором, учитываемым в изучении и применении сверхпроводников в различных областях науки и техники.

Типы сверхпроводников

Сверхпроводники могут быть классифицированы на основе различных критериев таких, как температурная стабильность, магнитное поле и состав. Существует несколько основных типов сверхпроводников:

1. Традиционные сверхпроводники: Традиционные сверхпроводники, такие как свинец, ртуть и цинк, обладают относительно низкой критической температурой сверхпроводимости и неустойчивостью к магнитному полю. Они были первыми открытыми сверхпроводниками и продолжают быть широко изучаемыми и использованными в настоящее время.
2. Высокотемпературные сверхпроводники: Высокотемпературные сверхпроводники, такие как оксиды меди и железа, имеют критическую температуру сверхпроводимости выше жидкого азота, что делает их более практичными для применений в современных технологиях.
3. Ортопроводники: Ортопроводники, такие как ниобий-титан и ниобий-цирконий, обладают высокой критической магнитной индукцией и температурной стабильностью, что делает их полезными для работы в сильных магнитных полях и высокотемпературных условиях.
4. Органические сверхпроводники: Органические сверхпроводники, такие как бедный радикал графита (НОТ) и фулериды, представляют собой специальные органические соединения, которые обладают сверхпроводящими свойствами при низких температурах.

Каждый из этих типов сверхпроводников имеет свои уникальные свойства и применения, что делает их важными исследовательскими и технологическими объектами в области сверхпроводимости.

Критическое поле и магнитное экранирование

Сверхпроводники обладают свойством магнитного экранирования, которое заключается в том, что они смещают магнитные линии поля вокруг себя и не допускают их проникновения внутрь материала. Это происходит благодаря току сверхпроводимости, который образуется внутри материала и создает магнитное поле, направленное противоположно внешнему полю.

Магнитное экранирование в сверхпроводниках приводит к эффекту Мейсснера, когда магнитные линии поля проникают внутрь материала лишь на некоторую глубину, называемую глубиной проникновения. Внутри этой области сверхпроводника магнитное поле практически отсутствует.

Магнитное экранирование сверхпроводниками играет важную роль в различных технических приложениях, таких как магнитные левитационные системы и суперпроводящие магниты для медицинской и научной аппаратуры.

Применения сверхпроводимости в современных технологиях

Одним из основных применений сверхпроводников является создание мощных электромагнитов. В силовой электротехнике сверхпроводящие магниты используются для создания сильных магнитных полей, например, в устройствах ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и магнитно-резонансной томографии (МРТ). Благодаря высокой мощности и стабильности этих магнитов, ученые могут изучать структуру и свойства различных материалов, а врачи получают возможность проводить точные диагностические исследования.

Сверхпроводимость также находит применение в энергетике. Сверхпроводящие кабели исключают потери энергии, так как ток в них может протекать без сопротивления. Это дает возможность передавать электроэнергию на большие расстояния без значительных потерь, что особенно важно для мегаполисов и отдаленных районов. Кроме того, сверхпроводимость используется в создании мощных суперконденсаторов, которые могут хранить энергию на порядки больше, чем обычные конденсаторы.

Еще одним перспективным направлением применения сверхпроводимости является квантовые компьютеры. Сверхпроводящие кубиты, являющиеся основой квантовых вычислений, способны хранить и обрабатывать данные с максимальной скоростью и точностью. Это открывает новые возможности для разработки высокоскоростных алгоритмов и решений сложных задач.

Кроме того, сверхпроводимость применяется в создании суперчувствительных сенсоров и детекторов. Сверхпроводящие детекторы способны обнаруживать и измерять даже самые слабые сигналы, что находит применение в научных исследованиях, астрономии и радиофизике.