Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

В то время как теоретическое объяснение сверхпроводимости заставило себя ждать долгое время, экспериментальные исследования шли вперед. Помимо ртути, сверхпроводимость была обнаружена и в других металлах, например, таких как свинец и олово. Сверхпроводимость проявлялась в них также привесьма низких температурах: самую высокую критическую температуру среди чистых металлов, как оказалось, имеет ниобий ( T к = 9,2 K, то есть –264,15 °C!). Ученым были понятны заманчивые перспективы практических применений этого явления, такие как передача энергии без потерь или создание сверхмощных электромагнитов (см. главу 25). Однако на этом пути возникло два серьезных препятствия. Во-первых, необходимость экстремально низких температур требовала постоянного охлаждения устройства. Второе препятствие, с которым вскоре столкнулся Камерлинг-Оннес, заключалось во внезапном исчезновении сверхпроводящего состояния, когда протекающий по образцу ток становился слишком сильным. Такой же разрушающий эффект производило и превышающее определенный порог магнитное поле. Наблюдаемая на эксперименте величина этого разрушающего поля, называемого критическим, была невелика. Так, для ртути критическое магнитное поле составляет 0,03 Тл (сравните эту величину с полем, создаваемым обычными стержневыми магнитами: от 0,1 до 1 Тл).

2. Опыт Камерлинг-Оннеса, доказывающий отсутствие затухания тока в сверхпроводнике. Электрическая батарея создает в цепи ток (постоянный), при этом верхний ключ остается замкнут. Затем его размыкают, отключив тем самым батарею, и одновременно замыкают нижний ключ. Наличие тока в сверхпроводящей катушке проявляется его воздействием на магнитную стрелку, которая ориентируется по линиям магнитного поля

В 1933 году немецкие физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд, изучая влияние внешнего магнитного поля на сверхпроводник, обнаружили, что внутрь помещенного в магнитное поле сверхпроводника оно не проникает. Это явление, называемое эффектом Мейснера – Оксенфельда, связано с возникновением на поверхности сверхпроводника бездиссипативных токов, которые, создавая в объеме сверхпроводника свое магнитное поле, компенсируют внешнее поле (илл. 3). Все происходит так, как будто сверхпроводник «вытесняет» магнитное поле из своего объема наружу.

Каковы микроскопические причины существования сопротивления протеканию электрического тока в нормальных металлах?

Напомним, что электрический ток обусловлен перемещением свободных электронов под действием разности потенциалов, приложенных к концам проводника (см. главу 28, «Управляемые электроны в полупроводниках»): в проводнике возникает электрическое поле, и электроны устремляются в область, обладающую наибольшим потенциалом. В произвольной точке электрической цепи электроны в среднем имеют проекцию скорости вдоль электрического поля, параллельной оси проводника и по модулю равной v ; если сечение проводника равно S , то сила электрического тока равна I = nevS , где e – заряд электрона и n – количество электронов на единицу объема.

Если бы металл был идеальным кристаллом, то при нулевой разнице потенциалов электрон распространялся бы с постоянной скоростью, как в вакууме. Это следует из теоремы, доказанной французским математиком Гастоном Флоке (1847–1920) и примененной к электронам Феликсом Блохом (1905–1983). Однако реальные металлы почти всегда содержат различные дефекты (например, внедренные в кристаллическую решетку примесные атомы), которые нарушают симметрию решетки и рассеивают электроны. После ряда таких рассеяний электрон отклоняется от первоначального направления, а его скорость, усредненная по всем частицам, становится равной нулю. Это полуклассическая картина происхождения электрического сопротивления металлов при низких температурах. Когда температура повышается, то к рассеянию электронов на примесях и других дефектах решетки добавляется еще один механизм: это рассеяние электронов на тепловых колебаниях ионов решетки. Короче говоря, электрическое сопротивление R складывается из двух частей: одна от температуры не зависит, но зависит от концентрации примесей и степени, с которой они рассеивают электроны; другая зависит от температуры.