Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
Шрифт:
Возможно, что в скором времени будут открыты сверхпроводники с еще лучшими
сверхпроводящими свойствами. Так, пределом критической температуры считают 40 К
(достигнуты температуры, превышающие 20 К). Это ограничение относится к
известному типу сверхпроводимости, при котором образование электронной пары,
способной двигаться через решетку без трения, обусловливается полем колебаний
решетки. В этом поле один электрон испускает квант колебания, а другой
его, вследствие чего потерь энергии не происходит и электрическое сопротивление
отсутствует.
Если же механизм сверхпроводимости иной, то возможно получение более высоких
критических температур. Так, в печати обсуждалась возможность сверхпроводимости
в линейных полимерах вплоть до критической температуры 1000 К.
Свойства сверхпроводников 1-го и 2-го рода значительно различаются: например,
переход в сверхпроводящее состояние у сверхпроводников 2-го рода происходит
очень плавно, в широком диапазоне значений магнитного поля.
Поскольку сверхпроводники 2-рода проницаемы для магнитных полей и обладают при
наличии неоднородности состава гистерезисом, питание их переменным током или
помещение их в переменное магнитное поле вызывает потери энергии. Показано, что
эти потери при частоте 50 Гц для ниобий-циркониевого (25 % циркония) сплава
составляют 0,3 кВт, если по сверхпроводнику длиной 1 м проходит ток 10 кА. Эти
потери можно значительно снизить, если уменьшить размеры сверхпроводника,
например, разделив его на тонкие нити или впрессовав в пористый материал.
Такие "синтетические" сверхпроводники обладают по крайней мере двумя
преимуществами: во-первых, при уменьшении размеров сверхпроводника улучшаются
его сверхпроводящие свойства; во-вторых, снижаются потери на вихревые токи в
несверхпроводящих областях синтетического сверхпроводника…
Если вспомнить Камерлинг-Оннеса, то, будучи скорее инженером, чем чистым
физиком, он уже в 1913 г. решил построить сверхпроводящий электромагнит на 10 Тл,
не потребляющий энергии. Поскольку, рассуждал Камерлинг-Оннес, сопротивление
сверхпроводника равно нулю, ток в сверхпроводящем кольце будет циркулировать
вечно, не затухая. Всякий ток, как известно, создает магнитное поле. Так почему
бы не сделать из сверхпроводящей проволоки мощный электромагнит, не нуждающийся
в питании энергией? Это было бы революцией в электротехнике, и человечество
сэкономило бы миллионы киловатт электроэнергии, растрачиваемой понапрасну не
только в обмотках магнитов, но и в обмотках электрических машин и
трансформаторов. Наконец, можно было бы передавать электроэнергию
сверхпроводящим линиям передачи без потерь.
К сожалению, мечте Камерлинг-Оннеса о сверхпроводящем соленоиде на 10 Тл не
суждено было сбыться по крайней мере при его жизни. Как только Камерлинг-Оннес
пробовал пропускать по сверхпроводнику значительный ток, сверхпроводимость
исчезала. Вскоре оказалось, что и слабое магнитное поле (индукция самое большее
в несколько сотых долей тесла) также уничтожает сверхпроводимость. Поскольку
такие слабые поля можно было гораздо проще получить с помощью постоянных
магнитов, реализацией идеи создания сверхпроводящих магнитов никто тогда
серьезно не занялся. Это довольно грустное открытие сделало с того времени
разговоры о сверхпроводящих магнитах беспредметными.
Надежды на постройку мощных сверхпроводящих магнитов возродились почти через
двадцать лет, в начале 30-х годов, когда голландские физики Де Гааз и Вуугд,
преемники Камерлинг-Оннеса по Лейденской лаборатории (Камерлинг-Оннес умер в
1926 г., так и не дожив до начала практического использования своего открытия),
установили, что сплав свинца с висмутом остается сверхпроводящим в магнитных
полях, превышающих 1,5 Тл. Это открытие давало возможность строить
сверхпроводящие магниты по крайней мере с таким полем. Однако эти магниты так
никто и не построил. Известный физик Кеезом, бывший в то время директором
Лейденской лаборатории, объявил, что максимальные токи, которые при наличии
магнитного поля выключают сверхпроводимость в сплаве свинца с висмутом, ничтожно
малы. Приговор был вынесен.
В истории сверхпроводящих магнитов произошло, быть может, самое драматическое
событие. Впоследствии оказалось, что Кеезом сделал то, чего не имел права
делать: он экстраполировал данные, полученные им в слабых полях, на область
сильных полей. К несчастью, Кеезом был слишком авторитетен. Едва узнав о его
результатах, физики оставили надежду построить сверхпроводящий магнит и занялись
другими проблемами. Между тем в настоящее время известно, что критический ток
для сплава свинец-висмут в полях до 2 Тл достаточно высок для того, чтобы
создать довольно мощные сверхпроводящие магниты. Авторитет Кеезома стоил физике
очень дорого: постройка сверхпроводящих магнитов была отложена почти на 30 лет.
Лишь после того, как в 1961 г. Кунцлер и его сотрудники объявили, что кусочек
проволоки из сплава ниобия с оловом (Nb3Sn) оставался сверхпроводящим в поле 8,8