Квантовая левитация (эффект Мейснера): научное объяснение. Эффект мейснера и его практическое применение Условие мейснера

В 1913г. немецкие физики Мейснер и Оксенфельд решили экспериментально проверить, как именно распределяется магнитное поле вокруг сверхпроводника. Результат оказался неожиданным. Независимо от условий проведения эксперимента магнитное поле внутрь проводника не проникало. Поразительный факт заключался в том, что сверхпроводник, охлажденный ниже критической температуры в постоянном магнитном поле, самопроизвольно выталкивает это поле из своего объема, переходя в состояние, при котором магнитная индукция В=0, т.е. состояние идеального диамагнетизма. Это явление получило название эффекта Мейснера.

Многие считают, что эффект Мейснера, является наиболее фундаментальным свойством сверхпроводников. Действительно, существование нулевого сопротивления неизбежно следует из этого эффекта. Ведь поверхностные экранизирующие токи постоянны во времени и не затухают в не измеряющемся магнитном поле. В тонком поверхностном слое сверхпроводника эти токи создают свое магнитное поле, строго равное и противоположное внешнему полю. В сверхпроводнике эти два встречных магнитных поля складываются так, что суммарное магнитное поле становится равным нулю, хотя слагаемые поля существуют совместно, поэтому и говорят об эффекте «выталкивание» внешнего магнитного поля из сверхпроводника.

Пусть в исходном состоянии идеальный проводник охлажден ниже критической температуры и внешнее магнитное поле отсутствует. Внесем теперь такой идеальный проводник во внешнее магнитное поле. Поле в образец не проникает, что схематически изображено на рис. 1. Сразу по появлении внешнего поля на поверхности идеального проводника возникает ток, создающий, по правилу Ленца, свое собственное магнитное поле, направленное навстречу приложенному, и полное поле в образце будет равно нулю.

Это можно доказать используя уравнения Максвелла. При изменении индукции В внутри образца должно возникнуть электрическое поле Е:

Где с - скорость света в вакууме. Но в идеальном проводнике R= 0, так как

E = jс ,

где с -- удельное сопротивление, которое в нашем случае равно нулю, j -- плотность наведенного тока. Отсюда следует, что B =const, но поскольку до внесения образца в поле В = 0, то ясно, что В = 0 и после внесения в поле. Это можно интерпретировать еще и так: поскольку с =0, время проникновения магнитного поля в идеальный проводник равно бесконечно.

Итак, внесенный во внешнее магнитное поле идеальный проводник имеет В = 0 в любой точке образца. Однако того же состояния (идеальный проводник при Т <Т с во внешнем магнитном поле) можно достигнуть и другим путем: сперва наложить внешнее поле на «теплый» образец, а затем охладить его до температуры Т <Т с .

Электродинамика предсказывает для идеального проводника совершенно другой результат. Действительно, образец при Т>Т с имеет сопротивление и магнитное поле в него хорошо проникает. После охлаждения его ниже Т с поле останется в образце. Эта ситуация изображена на рис. 2.

Таким образом, кроме нулевого сопротивления сверхпроводники обладают еще одним фундаментальным свойством - идеальным диамагнетизмом. Исчезновение магнитного поля внутри связано с появлением незатухающих поверхностных токов в сверхпроводнике. Но магнитное поле не может быть вытолкнуто полностью, т.к. это бы означало, что на поверхности магнитное поле падает скачком от конечного значения В до нуля. Для этого необходимо, чтобы по поверхности протекал ток, бесконечной плотности, что невозможно. Следовательно, магнитное поле проникает в глубь сверхпроводника, на некоторую глубину л.

Эффект Мейснера Ї Оксенфельда наблюдается только в слабых полях. При увеличении напряженности магнитного поля до величины Н cm сверхпроводящее состояние разрушается. Это поле получило название критического Н cm .Зависимость между критическим магнитным полем и критической температурой хорошо описывается эмпирической формулой (6).

Н cm (T)= Н cm (0) [1-(T/T c ) 2 ] (6)

Где Н cm (0) - критическое поле экстраполированное к абсолютному нулю.

График этой зависимости приведен на рисунке 3. Этот график также можно рассматривать, как фазовую диаграмму, где каждая точка серой части соответствует сверхпроводящему состоянию, а белой области - нормальному.

По характеру проникновения магнитного поля сверхпроводники делятся на сверхпроводники первого и второго рода. В сверхпроводник первого рода магнитное поле не проникает до тех пор пока, напряженность поля не достигнет значения Н cm . Если поле превышает критическое значении, то сверхпроводящее состояние разрушается и поле полностью проникает в образец. К сверхпроводникам первого рода относятся все химические элементы сверхпроводники, кроме ниобия.

Подсчитали, что при переходе металла из нормального состояния в сверхпроводящее производится некоторая работа. Что, собственно, является источником этой работы? То, что у сверхпроводника энергия ниже, чем у того же металла в нормальном состоянии.

Ясно, что «роскошь» эффекта Мейснера сверхпроводник может себе позволить за счет выигрыша в энергии. Выталкивание магнитного поля будет иметь место до тех пор, пока связанное с этим явлением увеличение энергии компенсируется более эффективным ее уменьшением, связанным с переходом металла в сверхпроводящее состояние. В достаточно магнитных полях энергетически более выгодным оказывается не сверхпроводящее, а нормальное состояние, в котором поле свободно проникает в образец.

Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейснера, заключающийся в вытеснении постоянного магнитного поля из сверхпроводника. Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.

Достаточно сильное магнитное полепри данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. Магнитное поле с напряжённостью Н c , которое при данной температуре вызывает переход вещества из сверхпроводящего состояния в нормальное, называется критическим полем. При уменьшении температуры сверхпроводника величина Н c возрастает. Зависимость величины критического поля от температуры с хорошей точностью описывается выражением

где - критическое поле при нулевой температуре. Сверхпроводимость исчезает и при пропускании через сверхпроводник электрического тока сплотностью, большей, чем критическая, поскольку он создаёт магнитное поле, большее критического.

Разрушение сверхпроводящего состояния под действием магнитного поля отличается у сверхпроводников I и II рода. Для сверхпроводников II рода существует 2 значения критических поля: Н c1 при котором магнитное поле проникает в сверхпроводник в виде вихрей Абрикосова и Н c2 - при котором происходит исчезновение сверхпроводимости.

Изотопический эффект

Изотопический эффект у сверхпроводников заключается в том, что температуры Т с обратно пропорциональны квадратным корням из атомных масс изотопов одного и того же сверхпроводящего элемента. Как следствие моноизотопные препараты несколько отличаются по критическим температурам от природной смеси и от друг друга .

Момент Лондона

Вращающийся сверхпроводник генерирует магнитное поле, точно выровненное с осью вращения, возникающий магнитный момент получил название «момент Лондона». Он применялся, в частности, в научном спутнике «Gravity Probe B», где измерялись магнитные поля четырёх сверхпроводящих гироскопов, чтобы определить их оси вращения. Поскольку роторами гироскопов служили практически идеально гладкие сферы, использование момента Лондона было одним из немногих способов определить их ось вращения.

Применение сверхпроводимости

Достигнуты значительные успехи в получении высокотемпературной сверхпроводимости. На базе металлокерамики, например, состава YBa 2 Cu 3 O x , получены вещества, для которых температура Т c перехода в сверхпроводящее состояние превышает 77 К (температуру сжиженияазота). К сожалению, практически все высокотемпературные сверхпроводники не технологичны (хрупки, не обладают стабильностью свойств и т. д.), вследствие чего в технике до сих пор применяются в основном сверхпроводники на основе сплавов ниобия.

Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей (например, в циклотронах), поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Однако в связи с тем, что магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости, для получения сильных магнитных полей применяются т. н. сверхпроводники II рода, в которых возможно сосуществование сверхпроводимости и магнитного поля. В таких сверхпроводниках магнитное поле вызывает появление тонких нитей нормального металла, пронизывающих образец, каждая из которых несёт квант магнитного потока (вихри Абрикосова). Вещество же между нитями остаётся сверхпроводящим. Поскольку в сверхпроводнике II рода нет полного эффекта Мейснера, сверхпроводимость существует до гораздо больших значений магнитного поля H c 2 . В технике применяются, в основном, следующие сверхпроводники:

Существуют детекторы фотоновна сверхпроводниках. В одних используется наличие критического тока, используют такжеэффект Джозефсона,андреевское отражениеи т. д. Так, существуют сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SSPD) для регистрации единичных фотонов ИК диапазона, имеющие ряд преимуществ перед детекторами аналогичного диапазона (ФЭУи др.), использующими другие способы регистрации.

Сравнительные характеристики наиболее распространенных детекторов ИК-диапазона, основанные не на свойствах сверхпроводимости (первые четыре), а также сверхпроводниковые детекторы (последние три):

Вид детектора	Максимальная скорость счета, c −1	Квантовая эффективность, %	, c −1	NEP Вт
InGaAs PFD5W1KSF APS (Fujitsu)
R5509-43 PMT (Hamamatsu)
Si APD SPCM-AQR-16 (EG\&G)
Mepsicron-II (Quantar)

			менее 1·10 -3	менее 1·10 -19
			менее 1·10 -3

Вихри в сверхпроводниках второго рода можно использовать в качестве ячеек памяти. Подобное применение уже нашли некоторые магнитные солитоны. Существуют и более сложные дву- и трёхмерные магнитные солитоны, напоминающие вихри в жидкостях, только роль линий тока в них играют линии, по которым выстраиваются элементарные магнитики (домены).

Отсутствие потерь на нагревание при прохождении постоянного тока через сверхпроводник делает привлекательным применение сверхпроводящих кабелей для доставки электричества, так как один тонкий подземный кабель способен передавать мощность, которая традиционным методом требует создания цепи линии электропередачс несколькими кабелями много большей толщины. Проблемами, препятствующими широкому использованию является стоимость кабелей и их обслуживания - через сверхпроводящие линии необходимо постоянно прокачивать жидкий азот. Первая коммерческая сверхпроводящая линия электропередачи была запущена в эксплуатацию фирмой American Superconductor наЛонг-АйлендевНью-Йоркев конце июня 2008 года . Энергосистемы Южной Кореи собираются создать к 2015 году сверхпроводящие линии электропередачи общей длиной в 3000 км .

Важное применение находят миниатюрные сверхпроводящие приборы-кольца - сквиды, действие которых основано на связи изменения магнитного потока и напряжения. Они входят в состав сверхчувствительных магнитометров, измеряющихмагнитное поле Земли, а также используемых в медицине для получения магнитограмм различных органов .

Сверхпроводники также применяются в маглевах.

Явление зависимости температуры перехода в сверхпроводящее состояние от величины магнитного поля используется в криотронах- управляемых сопротивлениях.

Магнит в сверхпроводящей чашке политой жидким азотом парит как Гроб Магомета...

Легендарный «Гроб Магомета» вписался в «научную» картину мира в 1933 году как «Эффект Мейснера» : находящийся над сверхпроводником, магнит воспаряет и начинает левитировать. Научный факт. А «научная картина» (т.е. миф тех, кто занимается объяснением научных фактов) такова: «постоянное не слишком сильное магнитное поле выталкивается из сверхпроводящего образца» - и все сразу стало ясно и понятно. Но тем, кто строит свою собственную картину мира не возбраняется думать, что он имеет дело с левитацией. Кому что нравится. Кстати, тот кто не зашорен «научной картиной мира», тот в науке более продуктивен. Вот об этом сейчас мы и поговорим.

И случай бог, изобретатель…

В общем-то наблюдать «эффект Мейсснера-Магомета» было запросто не просто: нужен был жидкий гелий. Но вот в сентябре 1986 г, когда появилось сообщение Г. Беднорца и А. Мюллера о том, что в керамических образцах на основе Ba-La-Cu-O возможна высокотемпературная сверхпроводимость. Это полностью противоречило «научной картине мира» и ребят быстро бы с этим отшили, но помог именно «Гроб Магомета»: явление сверхпроводимости теперь свободно можно было демонстрировать кому угодно и где угодно, а так все иные объяснения «научной картине мира» противоречили еще больше, то сверхпроводимость при высоких температурах быстро признали, и свою Нобелевскую премию эти парни получили уже на следующий год! – Сравните с зачинателем теории сверхпроводимости - Петр Капица, который открыл сверхпроводимость пятьдесят лет назад, а «нобелевку» получил всего на восемь лет раньше этих ребят…

Прежде чем продолжить, полюбуйтесь на левитацию Магомета-Мейсснера на следюущем видео.

Перед началом опыта сверхпроводник из специальной керамики (YBa 2 Cu 3 O 7-х ) охлаждают, поливая его жидким азотом, для того, чтобы он приобрел свои «волшебные» свойства.

В 1992-м году в Университет города Тампере (Финляндия) российский учёный Евгений Подклетнов проводил исследования свойств экранировки сверхпроводящей керамикой различных электромагнитных полей. Однако в процессе экспериментов, совершенно случайно, был обнаружен эффект не вписывающийся в рамки классической физики. Подклетнов назвал его - «экранирование гравитации» и, с соавтором, опубликовал предварительное сообщение.

Подклетнов вращал «обмороженный» сверхпроводящий диск в электромагнитном поле. И вот однажды, кто-то в лаборатории закурил трубку и дым, попавший в зону над вращающимся диском, вдруг устремился вверх! Т.е. дым, над диском терял в весе! Измерения с предметами из других материалов подтвердили догадку, не перпендикулярную, а вообще противоположную «научной картине мира»: оказалось что защититься от «всепроникающей» силы всемирного тяготения можно!
Но, в отличие, от наглядного эффекта Мейсснера-Магомета здесь наглядность была куда ниже: потеря в весе составляла максимум где-то 2%.

Отчёт об эксперименте был закончен Евгением Подклетновым в январе 1995-го года и послан Д. Моданезе, который и попросил его дать наименование, необходимое для цитирования в своей работе «Theoretical analysis…» появившейся в мае библиотеке препринтов Лос-Аламоса (hep-th/9505094) и подводящую теоретическую основу к экспериментам. Так появился идентификатор МSU - chem 95 (или в транскрипции МГУ - химия 95 год).

Статью Подклетнова отвергли несколько научных журналов, пока, наконец, она не была принята к публикации (на октябрь 1995-го года) в престижный «Журнал прикладной физики», издаваемый в Англии (The Journal of Physics-D: Applied Physics, a publication of England»s Institute Physics) . Казалось, открытие вот-вот обеспечит себе если не признание, то хотя бы интерес научного мира. Однако вышло не так.

Первыми статью опубликовали далекие от науки издания , которые не блюдут чистоты «научной картины мира» - сегодня будут писать про зеленых человечков и летающие тарелочки, а завтра про антигравитацию – было бы интересно читателю, не важно, вписывается это или не вписывается в «научную» картину мира.
Представитель Университета в Тампере заявил, что в стенах этого учреждения вопросами антигравитации не занимались. Соавторы статьи Levit и Vuorinen, которые обеспечивали техническую поддержку, испугавшись скандала, от лавров первооткрывателей откресились, и Евгений Подклетнов вынужден был снять в журнале подготовленный текст.

Однако любопытство ученых победило. В 1997-м году группа NASA в Huntsville, Штат Алабама, повторили эксперимент Подклетного, используя свою установку. Статический тест (без вращения ВТСП- диска) эффект экранирования гравитации не подтвердил.

Впрочем, иного и быть не могло: упомянутый ранее итальянский физик - теоретик Джованни Моданезе, в своём докладе, представленном в октябре 1997 года на 48-м конгрессе IAF (Международной Федерации Астронавтики), проходившем в Турине, отмечал, подкреплённую теорией, необходимость использования для получения эффекта именно двухслойного керамического ВТСП-диска с разной критической температурой слоёв (Впрочем об этом писал и Подклетнов). В дальнейшем эта работа получила развитие в статье «Gravitational Anomalies by HTC superconductors: a 1999 Theoretical Status Report.». Кстати, там же представлен интересный вывод, о невозможности построения летательных аппаратов, использующих эффект «экранирования гравитации», хотя и осталась теоретическая возможность построения гравитационных лифтов - «подъёмников

Вскоре вариации тяжести были обнаружены китайскими учёными в ходе измерения изменения гравитации в процессе полного солнечного затмения, очень немного, но косвенно подтверждает возможность «экранирования гравитации». Так начала меняться «научная» картина мира, т.е. создаваться новый миф.

В связи с произошедшим, уместно задать следующие вопросы:
- а где были пресловутые «научные предсказания» - почему наука не предсказала антигравитационного эффекта?
- Почему все решает Случай? Более того – вооруженные научной картиной мира ученые, даже после того, как им разжевали и в рот положили, не смогли повторить опыта? Что же это за Случай такой, который в одну голову приходит, а в другую его просто не вдолбить?

Еще круче отличились российские борцы с лженаукой, которыми у нас до конца своих дней руководил воинствующий материалист Евгений Гинзбург. Профессор из Института физических проблем им. П.Л. Капицы РАН Максим Каган заявил:
Опыты Подклетнова выглядят довольно странно. На двух недавних международных конференциях по сверхпроводимости в Бостоне (США) и Дрездене (Германия), где я принимал участие, его опыты не обсуждались. Специалистам он широко не известен. Уравнения Эйнштейна, в принципе, допускают взаимодействие электромагнитных и гравитационных полей. Но для того, чтобы такое взаимодействие стало заметным, нужна колоссальная электромагнитная энергия, сравнимая с эйнштейновской энергией покоя. Нужны электрические токи на очень много порядков выше тех, что достижимы в современных лабораторных условиях. Поэтому у нас нет реальных экспериментальных возможностей изменять гравитационное взаимодействие.
- А как же NАSА?
- У NАSА есть большие деньги на научные разработки. Они проверяют многие идеи. Проверяют даже идеи весьма сомнительные, но привлекательные для широкой аудитории… Мы изучаем реальные свойства сверхпроводников…. »

– Вот так вот: мы реалисты-материалисты, а там полуграмотные америкосы могут швыряться деньгами направо и налево в угоду любителям оккультизма и прочей лженауки, это, мол, их дело.

Подробнее с работой желающие могут позанакомиться.

Антигравитационная пушка Подклетнова-Моданезе

Схема "Антигравитационной Пушки"

Оттоптался на реалистах-соотечественниках Подклетнов по полной. Совместно с теоретиком Моданезе им была создана, образно говоря, антигравитационная пушка.

В предисловии к публикации Подклетнов написал следующее: «Я не публикую работы по гравитации на русском, чтобы не ставить в неудобное положение своих коллег и администрацию. В нашей стране хватает других проблем, а наука никого не интересует. Вы можете свободно использовать текст моих публикаций в грамотном переводе…
Просьба не связывать эти работы с летающими тарелками и инопланетянами, не потому, что их нет, а потому, что это вызывает улыбку и никто не захочет финансировать смешные проекты. Мои работы по гравитации - это очень серьезная физика и тщательно выполненные эксперименты.. Мы оперируем с возможностью модификации локального гравитационного поля опираясь на теорию флуктуаций энергии вакуума и теорию квантовой гравитации ».

И так, работы Подклетнова, в отличие от российских всезнаек, не показались смешными, например, компании Боинг, которая развернула широкие исследования по данной «смешной» тематике.

А Подклетнов и Моданезе создали некое устройство, которое позволяет управлять гравитацией, точнее – антигравитацией . (Отчет на сайте Лос-Аламосской лаборатории можно). «Управляемый гравитационный импульс» позволяет оказывать кратковременное ударное воздействие на любые предметы на расстоянии в десятки и сотни километров, что обеспечивает возможность создания новых систем перемещения в пространстве, систем связи и пр » . В тексте статьи это не бросается в глаза, но следует обратить внимание на то, что этот импульс отталкивает, а не притягивает предметы. По-видимому, учитывая что термин «экранирование гравитации» не является приемлемым в данном случае, только тот факт, что слово «антигравитация» является «табу» для науки , заставляет авторов избегать его использования в тексте.

На расстоянии от 6-ти до 150 метров от установки, в другом здании, были установлены измерительные

Вакуумная колба с маятником

устройства, представляющие собой обычные маятники в вакуумных колбах.

Для изготовления сфер маятников использовались различные материалы: металл, стекло, керамика, древесина, каучук, пластмасса. Установка была отделена от измерительных приборов расположенных на расстоянии 6 м.- 30-ти сантиметровой кирпичной стеной и стальным листом 1х1.2х0.025 м. Измерительные системы, расположенные на расстоянии 150 м., были дополнительно ограждены кирпичной стеной толщиной 0.8 м. В эксперименте использовалось не более пяти маятников, расположенных на одной линии. Все их показания совпадали.
Для определения характеристик гравитационного импульса - в особенности его спектра частот -использовался конденсаторный микрофон. Микрофон был связан с компьютером и находился в пластмассовой сферической коробке, заполненной пористым каучуком. Он был размещён по прицельной линии после стеклянных цилиндров и имел возможность различной ориентации к направлению оси разряда.
Импульс запускал маятник, что наблюдалось визуально. Время запаздывания начала колебаний маятника было очень мало и не замерялось Затем собственные колебания постепенно затухали. Технически можно было сравнить сигнал от разряда и полученный с микрофона отклик, имеющий типичное поведение идеального импульса:
Следует отметить что за пределами области прицела не было обнаружено никакого сигнала и похоже что «пучок силы» имел чётко очерченные границы.

Была обнаружена зависимость силы импульса (угла отклонения маятника) не только от напряжения разряда, но и от типа эмиттера.

Температура маятников, в процессе экспериментов не менялась. Сила воздействующая на маятники не зависела от материала и была пропорциональна только массе образца (в эксперименте от 10 до 50 грамм). Маятники различной массы демонстрировали равное отклонение при постоянном напряжении. Это было доказано большим количеством измерений. Были обнаружены и отклонения в силе гравитационного импульса в пределах области проекции излучателя(эмиттера). Эти отклонения (до 12-15 %) авторы связывают с возможными неоднородностями эмиттера.

Измерения импульса, в интервале 3-6 м, 150 м (и 1200м) от экспериментальной установки дали, в пределах ошибок эксперимента, идентичные результаты. Поскольку эти точки замеров кроме воздуха были отделены ещё и толстой кирпичной стеной можно допустить, что импульс тяжести не был поглощен средой (или потери были незначительны). Механическая энергия «поглощённая» каждым маятником зависела от напряжения разряда. Косвенным доказательством того, что наблюдаемый эффект носит гравитационный характер является установленный факт неэффективности электромагнитной экранировки. При гравитационном эффекте, ускорение любого тела, испытывающего импульсное воздействие должно быть, в принципе, независимо от массы тела.

P.S.

Я скептик, и не очень верю, что такое вообще возможно. Фактом является то, что есть совершенно нелепые объяснения этого феномена, в том числе, в физических журналах, вроде того, что у них так развиты мышцы спины. Почему не ягодиц?!

И так: компания Боинг развернула широкие исследования по данной «смешной» тематике… И смешно ли теперь думать, что у кого-то появится гравитационное оружие, способное, скажем, произвести землетрясение .

А что же наука? Пора понять: наука ничего не изобретает и не открывает. Открывают и изобретают люди, открывают новые явления, открывают новые закономерности, и это уже становится наукой, пользуясь которой и другие люди могут делать предсказания, но лишь в рамках тех моделей и тех условий, для которых открытые модели верны, но выйти за рамки этих моделей наука сама не в состоянии.

Например, чем лучше «научная картина мира», та которую вначале, чем та, которой они стали пользоваться позже? Да только удобством, но какое отношение имеет к реальности та и другая? Одинаковое! И если Карно обосновал пределы КПД теплового двигателя пользуясь понятием теплорода, то, стало быть эта «картина мира» ничуть не хуже той, что это были стукающиеся о стенки цилиндра шарики-молекулы. Чем одна модель лучше другой? Да ничем! Каждая модель верна в каком-то смысле, в каких-то пределах.

На повестке дня вопрос для науки: объяснить как йоги, сидя на жопе, подскакивают ввер на полметра?!

GD Star Rating
a WordPress rating system

Гроб Магомета , 5.0 out of 5 based on 2 ratings

При охлаждении сверхпроводника, находящегося во внешнем постоянном магнитном поле, в момент перехода в сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью вытесняется из его объёма. Этим сверхпроводник отличается от идеального проводника, у которого при падении сопротивления до нуля индукция магнитного поля в объёме должна сохраняться без изменения.

Отсутствие магнитного поля в объёме проводника позволяет заключить из общих законов магнитного поля, что в нём существует только поверхностный ток. Он физически реален и поэтому занимает некоторый тонкий слой вблизи поверхности. Магнитное поле тока уничтожает внутри сверхпроводника внешнее магнитное поле. В этом отношении сверхпроводник ведёт себя формально как идеальный диамагнетик. Однако он не является диамагнетиком, так как внутри него намагниченность равна нулю.

Эффект Мейснера не может быть объяснён только бесконечной проводимостью. Впервые его природу объяснили братья Фриц и Хайнц Лондоны c помощью уравнения Лондонов. Они показали, что в сверхпроводнике поле проникает на фиксированную глубину от поверхности - лондоновскую глубину проникновения магнитного поля λ {\displaystyle \lambda } . Для металлов λ ∼ 10 − 2 {\displaystyle \lambda \sim 10^{-2}} мкм.

Сверхпроводники I и II рода

Чистые вещества, у которых наблюдается явление сверхпроводимости, немногочисленны. Чаще сверхпроводимость бывает у сплавов. У чистых веществ имеет место полный эффект Мейснера, а у сплавов не происходит полного выталкивания магнитного поля из объёма (частичный эффект Мейснера). Вещества, проявляющие полный эффект Мейснера, называются сверхпроводниками первого рода, а частичный - сверхпроводниками второго рода. Однако стоит отметить, что в низких магнитных полях полным эффектом Мейснера обладают все типы сверхпроводников.

У сверхпроводников второго рода в объёме имеются круговые токи, создающие магнитное поле, которое, однако, заполняет не весь объём, а распределено в нём в виде отдельных нитей вихрей Абрикосова. Что же касается сопротивления, оно равно нулю, как и в сверхпроводниках первого рода, хотя движение вихрей под действием текущего тока создаёт эффективное сопротивление в виде диссипативных потерь на передвижение магнитного потока внутри сверхпроводника, чего избегают вводом в структуру сверхпроводника дефектов - центров пиннинга, за которые вихри «цепляются».

«Гроб Магомета»

«Гроб Магомета» - опыт, демонстрирующий эффект Мейснера в сверхпроводниках.

Происхождение названия

По преданию, гроб с телом пророка Магомета висел в пространстве без всякой поддержки, поэтому этот эксперимент называют «Гроб Магомета».

Постановка опыта

Сверхпроводимость существует только при низких температурах (в ВТСП -керамиках - при температурах ниже 150), поэтому предварительно вещество охлаждают, например, при помощи жидкого азота. Далее магнит кладут на поверхность плоского сверхпроводника. Даже в полях,

Впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками Мейснером и Оксенфельдом. В основе эффекта Мейснера лежит явление полного вытеснение магнитного поля из материала при переходе в сверхпроводящее состояние. Объяснение эффекта связано со строго нулевым значением электрического сопротивления сверхпроводников. Проникновение магнитного поля в обычный проводник связано с изменением магнитного потока, которое, в свою очередь создаёт ЭДС индукции и наведённые токи, препятствующие изменению магнитного потока.

Магнитное поле проникает в сверхпроводник на глубину, вытеснения магнитного поля из сверхпроводникаопределяемую постоянной, называемую лондоновской постоянной:

Рис. 3.17 Схема эффекта Мейснера.

На рисунке показаны линии магнитного поля и их вытеснение из сверхпроводника, находящегося при температуре ниже критической.

При переходе температуры через критическое значение, в сверхпроводнике резко изменятся магнитное поле, что приводит к появлению импульса ЭДС в катушке индуктивности.

Рис. 3.18 Датчик, реализующий эффект Мейснера.

Данное явление используется для измерения сверхслабых магнитных полей, для создания криотронов (переключающих устройств).

Рис. 3.19 Устройство и обозначение криотрона.

Конструктивно криотрон состоит из двух сверхпроводников. Вокруг танталового проводника намотана катушка из ниобия, по которой протекает управляющий ток. При увеличении управляющего тока возрастает напряженность магнитного поля, и тантал переходит из состояния сверхпроводимости в обычное состояние. При этом резко изменяется проводимость танталового проводника, и рабочий ток в цепи практически исчезает. На основе криотронов создают, например, управляемые вентили.

Магнит левитирует над сверхпроводником, охлаждённым жидким азотом

Эффект Мейснера - полное вытеснение магнитного поля из материала при переходе в сверхпроводящее состояние (если индукция поля не превышает критического значения). Впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками Мейснером и Оксенфельдом.

Сверхпроводи́мость - свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (электросопротивление не становится близким к нулю, а исчезает полностью). Существует несколько десятков чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. Cверхпроводимость - не только просто отсутствие сопротивления, это также и определенная реакция на внешнее магнитное поле. Эффект Мейснера заключается в том, что постоянное не слишком сильное магнитное поле выталкивается из сверхпроводящего образца. В толще сверхпроводника магнитное поле ослабляется до нуля, сверхпроводимость и магнетизм можно назвать как бы противоположными свойствами.

Кент Ховинд в своей теории предполагает, что до Великого Потопа, планета Земля была окружена большим слоем воды, состоящим из частичек льда, которые удерживались на орбите, выше атмосферы, при помощи эффекта Мейснера.

Данная водная оболочка служила защитой от солнечной радиации и обеспечивала равномерное распределение тепла на поверхности Земли.

Иллюстрирующий опыт

Весьма эффектный опыт, демонстрирующий присутствие эффекта Мейснера, представлен на фотографии: постоянный магнит парит над сверхпроводящей чашечкой. Впервые такой опыт осуществил советский физик В. К. Аркадьев в 1945 году.

Сверхпроводимость существует только при низких температурах (высокотемературный сверхпроводник керамика существует при температурах порядка 150 К), поэтому предварительно вещество охлаждают, например при помощи жидкого азота. Далее магнит кладут на поверхность плоского сверхпроводника. Даже в полях 0,001 Тл заметно смещение магнита вверх на расстояние порядка сантиметра. При увеличении поля вплоть до критического магнит поднимается всё выше.

Объяснение

Одним из свойств сверхпроводников второго рода является выталкивание магнитного поля из области сверхпроводящей фазы. Отталкиваясь от неподвижного сверхпроводника, магнит всплывает сам и продолжает парить до тех пор, пока внешние условия не выведут сверхпроводник из сверхпроводящей фазы. В результате этого эффекта магнит, приближающийся к сверхпроводнику, «увидит» магнит противоположной полярности точно такого же размера, что и вызывает левитацию.

Изотопический эффект

Момент Лондона

Применение сверхпроводимости

Вид детектора	Максимальная скорость счета, c −1	Квантовая эффективность, %	, c −1	NEP Вт
InGaAs PFD5W1KSF APS (Fujitsu)
R5509-43 PMT (Hamamatsu)
Si APD SPCM-AQR-16 (EG\&G)
Mepsicron-II (Quantar)

			менее 1·10 -3	менее 1·10 -19
			менее 1·10 -3

Отсутствие потерь на нагревание при прохождении постоянного тока через сверхпроводник делает привлекательным применение сверхпроводящих кабелей для доставки электричества, так как один тонкий подземный кабель способен передавать мощность, которая традиционным методом требует создания цепи линии электропередачс несколькими кабелями много большей толщины. Проблемами, препятствующими широкому использованию является стоимость кабелей и их обслуживания - через сверхпроводящие линии необходимо постоянно прокачивать жидкий азот. Первая коммерческая сверхпроводящая линия электропередачи была запущена в эксплуатацию фирмой American Superconductor наЛонг-АйлендевНью-Йоркев конце июня 2008 года. Энергосистемы Южной Кореи собираются создать к 2015 году сверхпроводящие линии электропередачи общей длиной в 3000 км.

Сверхпроводники также применяются в маглевах.

Загадочные квантовые явления до сих пор удивляют исследователей своим невообразимым поведением. Ранее мы говорили о , сегодня же рассмотрим другое квантово-механическое явление - сверхпроводимость.

Что такое сверхпроводимость? Сверхпроводимость - это квантовое явление протекания электрического тока в твердом теле без потерь, то есть при строго нулевом электрическом сопротивлении тела.

С введением в физику такого понятия как «абсолютный ноль» ученые стали все больше исследовать свойства веществ при низкой температуре, когда движение молекул практически отсутствует. Для достижения низких температур требуется проведение такого процесса, как «сжижение газа». При испарении такой газ отбирает энергию у тела, которое погружено в этот газ, так как для отрыва молекул от жидкости требуется энергия. Подобные процессы протекают в бытовых холодильниках, где сжиженный газ фреон испарятся в морозилке.

В конце XIX - начале XX столетия уже были получены такие сжиженные газы как кислород, азот, водород. Долгое время не поддавался сжижению гелий, при этом ожидалось, что он поможет достичь минимальной температуры.

Успех в сжижении гелия был достигнут голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесем в 1908-м году, который работал в Лейденском университете (Нидерланды). Сжиженный гелий позволял достичь рекордно низкой температуры - около 4 К. Получив жидкий гелий, ученый начал заниматься изучением свойств разных материалов при гелиевых температурах.

История открытия

Одним из вопросов, которые интересовали Камерлинг-Оннеса, было изучение сопротивления металлов при сверхнизких температурах. Было известно, что с ростом температуры электрическое сопротивление также растет. Следовательно, можно ожидать, что с уменьшением температуры будет наблюдаться обратный эффект.

Экспериментируя с ртутью в 1911-м году, ученый довел ее до замерзания и продолжил понижать температуру. При достижении 4,2 К устройство перестало фиксировать сопротивление. Оннес заменял устройства в исследовательской установке, поскольку побаивался их неисправности, однако устройства неизменно показывали нулевое сопротивление, несмотря на то, что до абсолютного нуля оставалось еще 4 К.

После открытия сверхпроводимости ртути возникло большое количество вопросов. Среди них: «свойственна ли сверхпроводимость другим веществам, помимо ртути?» или «сопротивление снижается до нуля, либо оно настолько мало, что устройства, которые существуют, не могут его измерить.

Оннес предложил оригинальное исследование с непрямым измерением, до какого уровня понижается сопротивление. Возбужденный в полупроводниковой цепи электрический ток, который был измерен при помощи отклонения магнитной стрелки, не затухал несколько лет. Согласно результатам этого эксперимента, полученное посредством расчетов удельное электрическое сопротивление сверхпроводника равнялось 10−25 Ом.м. По сравнению с удельным электрическим сопротивлением меди (1.5۰10−8 Ом.м) данная величина меньше на 7 порядков, что делает ее практически нулевой.

Эффект Мейснера

Помимо сверхпроводимости, сверхпроводники обладают еще одной отличительной чертой, а именно - эффектом Мейснера. Это явление быстрого затухания магнитного поля в сверхпроводнике. Сверхпроводник является диамагнетиком, то есть в магнитном поле в сверхпроводнике индуцируются макроскопические токи, которые создают собственное магнитное поле, которое полностью компенсирует внешнее.

Эффект Мейснера пропадает в сильных магнитных полях. В зависимости от типа сверхпроводника (об этом далее) сверхпроводящее состояние при этом либо пропадает полностью (сверхпроводники I-го рода), либо сверхпроводник сегментируется на нормальные и сверхпроводимые области (II-го рода). Именно этот эффект способен объяснить левитацию сверхпроводника над сильным магнитом, либо магнита над сверхпроводником.

Теоретическое объяснение эффекта сверхпроводимости

Феноменологический подход. Хоть Камерлинг-Оннес и является первооткрывателем сверхпроводимости, первая теория сверхпроводимости впервые была предложена в 1935-м году немецкими физиками и братьями Фрицом и Гайнцом Лондонами. Ученые стремились математически записать такие свойства сверхпроводника как сверхпроводимость и эффект Мейснера, не вникая в микроскопические причины сверхпроводимости, феноменологически. Выведенные уравнения позволяли объяснить эффект Мейснера так, что внешнее магнитное поле могло проникать в сверхпроводник только на определенную глубину, зависящую от так называемой лондоновской глубины проникновения. Для объяснения сверхпроводимости, потребовалось предположение о том, что носителями тока в сверхпроводнике, как и в металле, являются электроны. При этом, нулевое сопротивление означает то, что электрон не испытывает столкновений во время своего движения. Так как это относится ко всем электронам проводимости, то имеет место ток электронов без сопротивления.

Очевидно, что данная теория не объясняет саму природу данного явления, а лишь описывает его и позволяет предсказывать его поведение в ряде случаев. Более глубокая, но также, феноменологическая теория была предложена в 1950-м году советскими физиками-теоретиками Левом Ландау и Виталием Гнизбургом.

Теория БКШ. Первое качественное объяснение явлению сверхпроводимости было предложено в рамках так называемой теории БКШ, построенной американскими физиками Джоном Бардином, Леоном Купером и Джоном Шриффером. Эта теория выходит из предположения, что между электронами при определенных условиях может возникать притяжение. Притяжение, которое обусловлено различными возбуждениями, в первую очередь - колебаниями кристаллической решетки, способно создавать «куперовские пары» — связанные состояния двух электронов в кристалле. Такая пара может двигаться в кристалле, не рассеиваясь ни на колебания кристаллической решетки, ни на примеси. В веществах с температурой, далекой от нуля, достаточно энергии, чтобы «разорвать» такую пару электронов, в то время как при низких температурах система не обладает достаточной энергией. В результате этого возникает поток связанных электронов - куперовских пар, которые практически не взаимодействуют с веществом. В 1972-м году Д. Бардин, Л. Купер и Д. Шриффер получили Нобелевскую премию по физике.

Позднее советский физик-теоретик Николай Боголюбов усовершенствовал теорию БКШ. В своих работах ученый подробно описал условия, при которых могут образовываться куперовские пары (энергия близкая к энергии Ферми, определенные спины и др.) в результате квантовых эффектов. По отдельности электроны представляют собой частицы с полуцелым спином (фермионы), которые неспособны образовывать и переходить в сверхтекучее состояние. Когда же имеется куперовская пара электронов, то она представляет собой квазичастицу с целым спином и является . При определенных условиях бозоны способны формировать конденсат Бозе-Эйнштейна, то есть вещество, частицы которого занимают одно и то же состояние, что приводит к возникновению сверхтекучести. Такая сверхтекучесть электронов и объясняет эффект сврехпроводимости.

Сверхпроводники в переменном электрическом поле

Кроме сверхпроводимости и эффекта Мейснера, сверхпроводники обладают рядом других свойств. Стоит отметить следующее — нулевое сопротивление сверхпроводников характерно только при постоянном токе. Переменное электрическое поле делает сопротивление сверхпроводника ненулевым и оно растет, с увеличением частоты поля.

Также как двухжидкостная модель разделяет сверхтекучий материал на область сверхтекучести и область обычного вещества, так разделяется и поток электронов на сверхпроводящие и обычные. Постоянно поле ускоряло бы сверхпроводящие электроны до бесконечности (учитывая их нулевое сопротивление), что невозможно, потому оно обращается в ноль при попадании в сверхпроводник. Так как постоянное электрическое поле не действует на сверхпроводники, то и обычные электроны не подвержены его воздействию (оно просто выталкивается наружу), а значит движение представлено лишь сверхпроводящими электронами.

В случае с переменным электрическим полем происходит процесс ускорения электронов с последующим замедлением, что физически возможно. В таком случае имеет место и ток обычных электронов, которые обладают свойством сопротивления. Чем выше частота такого поля, тем большее проявляются эффекты, связанные с обычными электронами.

Момент Лондона

Еще одно интересное свойство сверхпроводника - момент Лондона. Суть феномена заключается в том, что вращающийся сверхпроводник создает магнитное поле, которое выравнивается точно вдоль оси вращения проводника.

Дальнейшее исследование этого явления привело к открытию гравити магнитного момента Лондона. В2006-м году исследователи Мартин Таджмар из института ARC Seibersdorf Research, Австрия, и Кловис де Матос из Европейского космического агентства (ESA) обнаружили, что вращающийся с ускорением сврехпроводник генерирует также и гравитационное поле. Однако такое гравитационное поле слабее земного примерно в 100 миллионов раз.

Классификация сверхпроводников

Существует несколько классификаций сверхпроводников, которые опираются на такие критерии:

Реакция на магнитное поле. Это свойство делит сверхпроводники на две категории. Сверхпроводники I-го рода имеют некоторое одно критическое значение магнитного поля, превысив которое, они теряют сверхпроводимость. II-го рода - имеют два предельных значения магнитного поля. При применении магнитного поля, ограниченного этими значениями, к сверхпроводникам этой категории, поле частично проникает внутрь, при этом сохраняя сверхпроводимость.
Критическая температура. Различают низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники. Первые обладают свойством сверхпроводимости при температурах ниже −196 °C или 77 К. Высокотемпературным сверхпроводникам достаточно температуры выше указанной. Такое разделение имеет место, так как высокотемпературные сверхпроводники могут применяться на практике в качестве охладителей.
Материал. Здесь выделяют такие разновидности как: чистый химический элемент (вроде ртути или свинца), сплавы, керамика, органические или на основе железа.
Теоретическое описание. Как известно, любая физическая теория имеет определенную область применения. По этой причине, для дальнейшего применения, имеет смысл разделять сверхпроводники по теориям, которые способны описать их природу.

Сверхпроводимость графена

За последние несколько лет известность графена значительно возросла. Напомним, что графен представляет собой слой модифицированного углерода, толщиной в один атом. В первую очередь, этому поспособствовало открытие углеродных нанотрубок - специфическому сверхпрочному материалу, который создается посредством сворачивания одного или нескольких слоев графена.

В 2018-м году группа исследователей из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета под руководством профессора Пабло Джарилло-Эрреро, обнаружила, что при вращении под определенном («магически») углом, два листа графена полностью лишены электропроводимости. Когда исследователи применили к материалу напряжение, добавив небольшое количество электродов к этой графеновой конструкции, они обнаружили, что на определенном уровне электроны вырвались из исходного изолирующего состояния и протекали без сопротивления. Важнейшей особенностью данного явления является то, что сверхпроводимость указанной графеновой конструкции была получена при комнатной температуре. И хотя объяснение данного эффекта все еще остается под вопросом, его потенциал в сфере энергоснабжения довольно высок.

Применение сверхпроводников

Сверхпроводники еще не получили широкое применение, однако разработки в этой области активно ведутся. Так благодаря эффекту Мейснера возможны «парящие» над дорогой поезда на магнитной подушке - маглевы.

На основе сверхпроводников уже создаются сверхмощные турбогенераторы, которые могут применяться на электростанциях.

Криотрон - еще одно применение сверхпроводимости, которое может быть полезно для техники и электронных приборов. Это такое устройство, которое может переключать состояние сверхпроводника из обычного в сверхпроводящее за очень короткое время (от 10⁻⁶ до 10⁻¹¹с). Криотроны могут быть использованы в информационных системах, связанных с запоминанием и кодированием. Так впервые они применялись как запоминающие устройства в ЭВМ. Также криотроны могут помочь в области криоэлектроники, среди задач которой - повысить чувствительность приемников сигнала и сохранить форму сигнала как можно лучше. Здесь достижению поставленных целей способствуют низкие температуры и эффект сверхпроводимости.

Также, в силу отсутствия сопротивления в сверхпроводниках, кабели из такого вещества доставляли бы электричество без потерь на нагревание, что значительно бы повысило эффективность электроснабжения. Сегодня такие кабели требуют охлаждения посредством жидкого азота, что повышает цену на их эксплуатацию. Однако, исследования в этой сфере ведутся, и первая электропередача на основе сверхпроводников была приведена в эксплуатацию в Нью-Йорке 2008-м году компанией American Superconductor. В 2015-м году Южная Корея объявила о намерении создать несколько тысяч километров сверхпроводящих линий электропередач. Если добавить к этому недавнее открытие сверхпроводимости графена при комнатной температуре, то в ближайшее время следует ожидать глобальные изменения в области электроснабжения.

Кроме указанных областей применения, сверхпроводимость применяется в измерительной технике, начиная от детекторов фотонов и заканчивая измерением геодезической прецессии посредством сверхпроводящих гироскопов на космическом аппарате «Gravity Probe B». Это измерение подтвердило предсказание Эйнштейна о наличии таковой прецессии по причинам, изложенным в Общей теории относительности. Не углубляясь в механизм измерения, следует отметить, что данные о геодезической прецессии Земли позволяют точно калибровать искусственные спутники Земли.

Подводя итоги написанного выше, напрашивается вывод о перспективности эффекта сверхпроводимости во множестве областей, и большом потенциале сверхпроводников, в первую очередь в сферах электроснабжения и электротехники. Ожидаем в ближайшее время множество открытий в данной области.

Начало XX века в физике вполне можно назвать эпохой предельно низких температур. В 1908 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес впервые получил жидкий гелий, имеющий температуру всего на 4,2° выше абсолютного нуля. А вскоре ему удалось достичь температуры менее одного кельвина! За эти достижения в 1913 году Камерлинг-Оннес был удостоен Нобелевской премии. Но он вовсе не гнался за рекордами, его интересовало, как вещества меняют свои свойства при столь низких температурах, — в частности, он изучал изменение электрического сопротивления металлов. И вот 8 апреля 1911 года произошло нечто невероятное: при температуре чуть ниже температуры кипения жидкого гелия электрическое сопротивление ртути внезапно исчезло. Нет, оно не просто стало очень малым, оно оказалось равным нулю (насколько это было возможно измерить)! Ни одна из существовавших на тот момент теорий ничего подобного не предсказывала и объяснить не могла. В следующем году подобное свойство было обнаружено у олова и свинца, причем последний проводил ток без сопротивления и при температурах даже чуть выше температуры кипения жидкого гелия. А к 1950−1960-м годам были открыты материалы NbTi и Nb 3 Sn, отличающиеся способностью сохранять сверхпроводящее состояние в мощных магнитных полях и при протекании больших токов. Увы, они все еще требуют охлаждения дорогим жидким гелием.

1. Установив «летающий вагон» с начинкой из сверхпроводника, с обкладками из пропитанной жидким азотом меламиновой губки и оболочкой из фольги на магнитный рельс через прокладку из пары деревянных линеек, заливаем в него жидкий азот, «вмораживая» магнитное поле в сверхпроводник.

2. Дождавшись охлаждения сверхпроводника до температуры меньше -180°С, аккуратно вынимаем из-под него линейки. «Вагон» стабильно парит, даже если мы расположили его не совсем по центру рельса.

Следующее великое открытие в области сверхпроводимости произошло в 1986 году: Йоханнес Георг Беднорц и Карл Александр Мюллер обнаружили, что совместный оксид меди-бария-лантана обладает сверхпроводимостью при очень высокой (по сравнению с температурой кипения жидкого гелия) температуре — 35 К. Уже в следующем году, заменив лантан на иттрий, удалось достичь сверхпроводимости при температуре 93 К. Конечно, по бытовым меркам это все еще довольно низкие температуры, -180°С, но главное, что они выше порога в 77 К — температуры кипения дешевого жидкого азота. Кроме огромной по меркам обычных сверхпроводников критической температуры, для вещества YBa2Cu3O7-x (0 ≤ x ≤ 0,65) и ряда других купратов достижимы необычайно высокие значения критического магнитного поля и плотности тока. Такое замечательное сочетание параметров не только позволило куда шире применять сверхпроводники в технике, но и сделало возможными множество интересных и зрелищных опытов, которые можно проделать даже в домашних условиях.

Нам не удалось зафиксировать никакого падения напряжения при пропускании через сверхпроводник тока более 5 А, что говорит о нулевом электрическом сопротивлении. Ну, по крайней мере, о сопротивлении меньше 20 мкОм — минимума, который можно зафиксировать нашим прибором.

Какой выбрать

Для начала нужно раздобыть подходящий сверхпроводник. Открыватели высокотемпературной сверхпроводимости запекали смесь оксидов в специальной печи, но для простых опытов мы рекомендуем купить готовые сверхпроводники. Они выпускаются в виде поликристаллической керамики, текстурированной керамики, сверхпроводящих лент первого и второго поколения. Поликристаллическая керамика стоит недорого, но и параметры у нее далеки от рекордных: уже небольшие магнитные поля и токи могут разрушить сверхпроводимость. Ленты первого поколения тоже не поражают своими параметрами. Совсем другое дело — текстурированная керамика, она имеет наилучшие характеристики. Но для развлекательных опытов она неудобна, хрупка, деградирует со временем, и самое главное — найти ее в свободной продаже довольно сложно. А вот ленты второго поколения оказались идеальным вариантом для максимального числа наглядных опытов. Этот высокотехнологичный продукт умеют производить всего четыре компании в мире, в том числе российская «СуперОкс». И, что весьма важно, свои ленты, сделанные на основе GdBa2Cu3O7-x, они готовы продавать в количестве от одного метра, чего как раз хватает для проведения наглядных научных экспериментов.

Сверхпроводящая лента второго поколения имеет сложную структуру из множества слоев различного назначения. Толщина некоторых слоев измеряется нанометрами, так что это самые настоящие нанотехнологии.

Равно нулю

Наш первый опыт — измерение сопротивления сверхпроводника. Действительно ли оно нулевое? Измерять его обычным омметром бессмысленно: он покажет нуль и при подключении к медному проводу. Столь малые сопротивления измеряются иначе: через проводник пропускают большой ток и измеряют падения напряжения на нем. В качестве источника тока мы взяли обычную щелочную батарейку, которая при коротком замыкании дает около 5 А. При комнатной температуре как метр сверхпроводящей ленты, так и метр медного провода показывают сопротивление в несколько сотых ома. Охлаждаем проводники жидким азотом и сразу наблюдаем интересный эффект: еще до того как мы пустили ток, вольтметр уже показал примерно 1 мВ. По всей видимости, это термо-ЭДС, поскольку в нашей схеме много различных металлов (медь, припой, стальные «крокодильчики») и перепады температуры в сотни градусов (вычтем это напряжение при дальнейших измерениях).

Тонкий дисковый магнит прекрасно подходит для создания левитирующей платформы над сверхпроводником. В случае сверхпроводника-снежинки он легко «вдавливается» в горизонтальном положении, а в случае сверхпроводника-квадрата его стоит «вмораживать».

А теперь пропускаем ток через охлажденную медь: тот же провод показывает сопротивление уже всего в тысячные доли ома. А что же со сверхпроводящей лентой? Подключаем батарейку, стрелка амперметра мигом устремляется к противоположному краю шкалы, а вот вольтметр своих показаний не меняет даже на десятую милливольта. Сопротивление ленты в жидком азоте в точности равно нулю.

В качестве кюветы для сверхпроводящей сборки в форме снежинки отлично подошла крышка от пятилитровой бутыли с водой. В качестве теплоизоляционной подставки под крышку стоит использовать кусок меламиновой губки. Доливать азот приходится не чаще одного раза в десять минут.

Летательные аппараты

Теперь перейдем к взаимодействию сверхпроводника и магнитного поля. Малые поля из сверхпроводника вообще выталкиваются, а более сильные проникают в него не сплошным потоком, а в виде отдельных «струй». Кроме того, если мы двигаем магнит возле сверхпроводника, то в последнем наводятся токи, и их поле стремится вернуть магнит назад. Все это делает возможной сверхпроводящую или, как ее еще называют, квантовую левитацию: магнит или сверхпроводник могут висеть в воздухе, стабильно удерживаемые магнитным полем. Чтобы убедиться в этом, достаточно маленького редкоземельного магнитика и кусочка сверхпроводящей ленты. Если же иметь хотя бы метр ленты и неодимовые магниты покрупнее (мы использовали диск 40 x 5 мм и цилиндр 25 x 25 мм), то можно сделать эту левитацию весьма зрелищной, подняв в воздух дополнительный груз.

В первую очередь нужно нарезать ленту на кусочки и скрепить их в пакет достаточной площади и толщины. Скреплять можно и суперклеем, но это не слишком надежно, так что лучше спаять их обычным маломощным паяльником с обычным оловянно-свинцовым припоем. По результатам наших опытов можно рекомендовать два варианта пакетов. Первый — квадрат со стороной в три ширины ленты (36 x 36 мм) из восьми слоев, где в каждом следующем слое ленты укладываются перпендикулярно лентам предыдущего слоя. Второй — восьмилучевая «снежинка» из 24 отрезков ленты длиной 40 мм, уложенных друг на друга так, что каждый следующий отрезок повернут на 45 градусов относительно предыдущего и пересекает его в середине. Первый вариант немного проще в изготовлении, намного компактнее и прочнее, зато второй обеспечивает лучшую стабилизацию магнита и экономичный расход азота за счет его впитывания в широкие щели между листами.

Сверхпроводник может висеть не только над магнитом, но и под ним, да и вообще в любом положении относительно магнита. Равно как и магнит совсем не обязан висеть именно над сверхпроводником.

Кстати, о стабилизации стоит сказать отдельно. Если заморозить сверхпроводник, а потом просто поднести к нему магнит, то висеть магнит не будет — упадет в стороне от сверхпроводника. Чтобы стабилизировать магнит, нам нужно заставить поле проникнуть внутрь сверхпроводника. Сделать это можно двумя способами: «вмораживанием» и «вдавливанием». В первом случае мы размещаем магнит над теплым сверхпроводником на специальной опоре, затем наливаем жидкий азот и убираем опору. Такой метод отлично работает с «квадратом», он же подойдет и для монокристаллической керамики, если вы ее найдете. Со «снежинкой» метод тоже работает, хоть и чуть хуже. Второй метод предполагает, что вы будете силой приближать магнит к уже охлажденному сверхпроводнику, пока тот не захватит поле. С монокристаллом керамики такой метод почти не работает: слишком большие усилия нужны. А вот с нашей «снежинкой» работает великолепно, позволяя стабильно подвесить магнит в разных положениях (с «квадратом» тоже, но положение магнита невозможно сделать произвольным).

Чтобы увидеть квантовую левитацию, достаточно даже небольшого отрезка сверхпроводящей ленты. Правда, удерживать в воздухе получится лишь маленький магнитик и на небольшой высоте.

Свободное парение

И вот магнит уже висит в полутора сантиметрах над сверхпроводником, напоминая о третьем законе Кларка: «Любая достаточно развитая технология неотличима от магии». Почему бы не сделать картину еще более магической — разместить на магните свечку? Прекрасный вариант для романтического квантово-механического ужина! Правда, надо учесть пару моментов. Во‑первых, свечи в металлической гильзе стремятся сползти к краю диска-магнита. Чтобы избавится от этой проблемы, можно использовать подсвечник-подставку в виде длинного винта. Вторая проблема — выкипание азота. Если попробовать долить его просто так, то идущий из термоса пар гасит свечу, так что лучше использовать широкую воронку.

Восьмислойный пакет сверхпроводящих лент может легко удержать весьма массивный магнит на высоте 1 см и более. Увеличение толщины пакета повысит удерживаемую массу и высоту полета. Но выше нескольких сантиметров магнит в любом случае не поднимется.

Кстати, а куда именно доливать азот? В какую емкость поместить сверхпроводник? Проще всего оказались два варианта: кювета из сложенной в несколько слоев фольги и, в случае «снежинки», крышечка от пятилитровой бутыли с водой. В обоих случаях емкость ставится на кусок меламиновой губки. Эта губка продается в супермаркетах и предназначена для уборки, она — хороший теплоизолятор, который прекрасно выдерживает криогенные температуры.

В целом жидкий азот достаточно безопасен, однако при его использовании все-таки необходимо действовать аккуратно. Также очень важно не закрывать емкости с ним герметично, иначе при испарении в них повышается давление и они могут взорваться! Хранить и транспортировать жидкий азот можно в обычных стальных термосах. По нашему опыту в двухлитровом термосе он сохраняется как минимум двое суток, а в трехлитровом — еще дольше. На один день домашних экспериментов, в зависимости от их интенсивности, уходит от одного до трех литров жидкого азота. Стоит он недорого — примерно 30−50 рублей за литр.

Наконец, мы решили собрать рельс из магнитов и пустить по нему «летящий вагон» с начинкой из сверхпроводника, с обкладками из пропитанной жидким азотом меланиновой губки и оболочкой из фольги. С прямым рельсом проблем не возникло: взяв магниты 20 x 10 x 5 мм и укладывая их на листе железа подобно кирпичам в стене (горизонтальной стене, поскольку нам нужно горизонтальное направление магнитного поля), легко собрать рельс любой длины. Только нужно торцы магнитов смазывать клеем, чтобы они не разъезжались, а оставались плотно сжатыми, без зазоров. По такому рельсу сверхпроводник скользит совершенно без трения. Еще интереснее собрать рельс в форме кольца. Увы, здесь без зазоров между магнитами уже не обойтись, а на каждом зазоре сверхпроводник немного тормозится… Тем не менее хорошего толчка вполне хватает на пару-тройку кругов. При желании можно попробовать обточить магниты и изготовить специальную направляющую для их установки — тогда возможен и кольцевой рельс без стыков.

Редакция выражает благодарность компании «СуперОкс» и лично ее руководителю Андрею Петровичу Вавилову за предоставленные сверхпроводники, а также интернет-магазину neodim.org за предоставленные магниты.