Штурм абсолютного нуля
Шрифт:
К сожалению, сплав ниобий — олово очень хрупкий. Намотать на катушку провод из такого сплава весьма трудно.
Поэтому сплав изготавливается чаще всего непосредственно на катушке соленоида. На нее наматываются образцы исходных материалов сплава: ниобия и оловянной бронзы. При нагревании до температуры 700 °C олово из бронзы диффундирует в ниобий. Получается искомый сплав.
Еще большее верхнее критическое поле — 35 тесла — имеет сплав ниобий — германий. Его критическая температура 23,4К до недавнего времени считалась рекордной.
Ученые и инженеры успешно освоили технологию
Сверхпроводящий соленоид представляет собой охлаждаемую жидким гелием катушку сверхпроводящего провода, оба конца которой замкнуты накоротко. Циркулирующий в катушке незатухающий электрический ток создает мощное магнитное поле. Сейчас уже часто используются сверхпроводящие соленоиды с магнитным полем 10 тесла.
Для создания такого поля с помощью катушки с медным проводом требуется мощный генератор и громоздкая система водяного охлаждения. Такая установка представляет собой сложное инженерное сооружение.
А катушка одного из образцов сверхпроводящего соленоида с полем 10 тесла имеет диаметр всего 6 сантиметров. Затрата мощности при эксплуатации такого соленоида, определяемая в основном затратой энергии для поддержания катушки при температуре жидкого гелия, составляет всего 5 киловатт. Это в тысячу раз меньше энергии, затрачиваемой для получения аналогичного поля с помощью обычного соленоида.
В нашей стране создаются сверхпроводящие соленоиды с полем в 30 тесла. Но это не предел. Поиски сверхпроводящих материалов с возможно большим критическим полем продолжаются.
Большие критические магнитные поля достигнуты в сверхпроводящих соединениях на основе сульфидов молибдена. У одного из таких соединений критическое поле превышает 60 тесла.
Преимущества сверхпроводящих магнитов не ограничиваются возможностью получения мощных полей при минимальной затрате энергии. Наведенный в короткозамкнутой обмотке ток сохраняет свою величину сколь угодно долгое время. Создаваемое при этом магнитное поле отличается высокой стабильностью и однородностью в достаточно большей области пространства, что особенно важно для ряда научных и практических применений.
«Зарядка» сверхпроводящих катушек осуществляется с помощью небольших низковольтных источников, снабженных устройством для регулирования электрического тока. Когда ток в катушке достигает требуемой величины, она замыкается накоротко и источник может быть отключен.
Представьте себе, что по каким-либо причинам происходит превышение критических параметров сверхпроводника и провод внезапно переходит из сверхпроводящего в нормальное состояние. Тогда колоссальная магнитная энергия, заключенная в катушке, вырывается на волю в виде тепла. При этом не только испаряется жидкий гелий, но и расплавляется сама катушка.
Понадобился материал, способный принять этот удар на себя. Такую роль призвана сыграть чистая медь, обладающая, как известно, хорошей теплопроводностью.
В современных промышленных образцах сверхпроводящие провода окружаются медными проволоками. Так как сверхпроводящий ток течет по поверхности, сверхпроводник обычно расщепляется
Здесь медь играет роль не только теплоотвода, но и изолятора. Это утверждение может показаться на первый взгляд парадоксальным. Ведь мы привыкли к тому, что медь является хорошим проводником электрического тока. Однако по сравнению со сверхпроводником, имеющим нулевое сопротивление, даже такой материал, как медь, с низким, по представлениям обычной электротехники, сопротивлением, является прекрасным изолятором.
Сечение сверхпроводящего провода (кабеля, шины) меняется от долей квадратного миллиметра до нескольких квадратных сантиметров, а диаметр сечения единичных жил и волокон собственно сверхпроводника — от долей микрометра до десятка микрометров. В каждом сверхпроводящем проводе может содержаться от единиц до сотен тысяч волокон.
Все больше и больше громоздких и дорогих охлаждаемых водой соленоидов с медными проводами заменяют относительно небольшими сверхпроводящими магнитами. Внедряются сверхпроводящие трансформаторы, работающие без потерь и отличающиеся исключительной компактностью.
Такие трансформаторы могут работать вообще без железного сердечника. Разрабатывается много других типов сверхпроводящих машин, аппаратов и приборов. Подробно об этом вы сможете прочесть в последующих главах.
Познакомимся еще с одним интересным открытием в области сверхпроводимости.
Сверхпроводник и магнитные вещества являются в некоторой степени антиподами. Сверхпроводник, как известно, стремится вытолкнуть магнитное поле из своей толщи.
Исследование, проведенное А. А. Абрикосовым и Л. П. Горьковым, однако, заставило по — иному отнестись к этой проблеме.
Оказывается, магнитные примеси действуют на сверхпроводник неожиданным образом.
Читатель уже знает, что сверхпроводящий ток переносится спаренными электронами, так называемыми куперовскими парами.
Для разрыва куперовских пар требуется затрата некоторой энергии. Из-за этого энергия электронов, участвующих в процессе сверхпроводимости, на некоторую величину меньше энергии нормальных электронов. Эта разница называется энергетической щелью.
При налички в сверхпроводнике магнитных примесей у части куперовских пар в результате взаимодействия с атомами этих примесей энергия связи уменьшается. С повышением концентрации примесей число таких пар увеличивается, а минимальная энергия их связи уменьшается. Наконец, при определенной концентрации примесей наименьшая энергия связи пар становится равной нулю. В таком сверхпроводнике всегда есть пары, для разрыва которых достаточно сколь угодно малой энергии.
А это значит, что энергетическая щель исчезает, но сверхпроводимость сохраняется до тех концентраций примеси, пока есть пары с большей энергией связи.
Один из основоположников современной теории сверхпроводимости Джон Бардин по поводу сверхпроводников второго рода и сверхпроводников с магнитными примесями сказал, что некогда была открыта сверхпроводимость, затем был открыт эффект Мейснера и долгое время спустя открыта энергетическая щель. Затем русские закрыли эффект Мейснера, а потом закрыли энергетическую щель.