Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)

кристаллическую решетку металла. При высоких температурах вследствие теплового

колебания атомов кристаллической решетки вероятность столкновения электронов с

решеткой велика. Это препятствует движению электронов и создает сопротивление

току. При низких температурах, когда амплитуда колебаний атомов в решетке

уменьшается, вероятность столкновения электронов с решеткой становится меньше и

ток встречает, таким образом, меньшее сопротивление. При абсолютном нуле, когда

решетка уже неподвижна, сопротивление проводника равно нулю.

Сопротивление току сохранится и при абсолютном нуле, поскольку и тогда некоторые

электроны будут сталкиваться с решеткой, тем более что кристаллические решетки,

как правило, не являются идеальными — в них всегда есть дефекты и включения

примесей.

Сопротивления металлов при приближении температуры к абсолютному нулю должны

возрастать, так как в силу конденсации электронов на решетке (грубая аналогия —

образование капелек воды на холодной ложке, поднесенной к горячему чаю) их число

при охлаждении непрерывно снижается, вследствие чего электропроводность

(определяемая числом свободных электронов) уменьшается (электропроводность —

величина, обратная удельному сопротивлению).

Действительно, трудно представить себе еще какой-нибудь вариант. Но… Весной

1911 г. Камерлинг-Оннес заморозил ртуть в сосуде Дьюара, содержащем жидкий гелий.

Затем он пропустил через ртуть ток и наблюдал за стрелками измерительных

приборов, показывающих сопротивление, которое, как и следовало ожидать,

постепенно снижалось по мере падения температуры. Такое соотношение между

сопротивлением и температурой сохранялось до тех пор, пока температура не

снизилась до 4,12 К. Внезапно электрическое сопротивление ртути исчезло; не

осталось даже сопротивления, обусловленного столкновениями электронов с

дефектами и примесями решетки.

Камерлинг-Оннес повторил эксперимент. Он взял очень загрязненную ртуть, у

которой остаточное сопротивление, вызываемое примесями, должно быть очень явно

выражено. Однако вблизи той же температуры (4,12 К) сопротивление ртути почти

также внезапно исчезло. Как увеличить сопротивление столбика ртути, довести его

до того значения, которое было бы зарегистрировано приборами? Очевидно, нужно

увеличить длину столбика и уменьшить его сечение. Камерлинг-Оннес изготовил

столбик ртути толщиной менее человеческого волоса и длиной 20 см. Измерив теперь

сопротивление, он поразился: стрелки приборов не сдвинулись с места. Нуль.

Камерлинг-Оннес готовил еще один эксперимент с еще большей точностью измерений.

Из ртути ученый изготовляет кольцо и подвешивает его горизонтально на тонкой

нити. Если в таком кольце навести ток, выключив, например, находящийся

поблизости электромагнит, нить закрутится на некоторый угол. Этот угол можно

измерить с большой точностью, укрепив на нити зеркальце и прослеживая положение

"зайчика". Если в кольце существует какое-нибудь сопротивление, ток в кольце

будет постепенно затухать. Это приведет к ослаблению закручивания нити, и

"зайчик" переместится. Камерлинг-Оннес проделывает этот опыт. "Зайчик" не

трогается с места.

Это могло означать только одно — равенство нулю электрического сопротивления

кольца, т. е. сверхпроводимость ртути при температуре, близкой к абсолютному

нулю.

Камерлинг-Оннес понимал всю ответственность, которая ляжет на него, когда он

объявит, что сопротивление было равно нулю, и много раз повторял измерения, все

время повышая их точность. Опять нуль! Открыта сверхпроводимость!

Понадобилось, однако, более полувека для того, чтобы сверхпроводимость перестала

быть исключительно лабораторным курьезом.

Наиболее известное и, видимо, ценное свойство сверхпроводников — отсутствие

электрического сопротивления постоянному току.

Результаты прямых измерений говорят о том, что оно меньше сопротивления металлов

при нормальной температуре по крайней мере в 1023 раз.

Иногда спрашивают: "Неужели сопротивление сверхпроводников равно нулю? Может

быть, оно просто очень мало, и мы не замечаем его лишь потому, что не обладаем

совершенной измерительной техникой?"

Разрешить этот вопрос попытался американский ученый Коллинс. В марте 1954 г. он

возбудил ток в сверхпроводящем свинцовом кольце и наблюдал за значением этого

тока. Если сопротивление, хотя бы ничтожное, есть, то ток все время будет

уменьшаться, "затухать". Например, для уменьшения тока в серебряном кольце

практически до нуля требуется всего лишь несколько десятых долей секунды. Как же

затухал ток в кольце Коллинса? Измерения, произведенные в сентябре 1956 г.,

показали, что в кольце Коллинса ток абсолютно не изменился, впоследствии этот же

опыт проводился в течение 10 лет. Расчет показал, что ток, возбужденный в

сверхпроводящей цепи, уменьшится на значение, которое можно зафиксировать, за

время, не меньшее 100 тыс. лет.

Однако при исследовании затухания магнитного кольца внутри ниобий-циркониевой

трубки (25 % циркония) было найдено, что поток все-таки затухает. Это затухание

происходит по логарифмическому закону — за первую секунду поток снижается на 1 %,

за следующие 10 с — еще на 1 % и т. д. Полное затухание потока в этой. трубке, т. е.

снижение его до значения, которое уже нельзя измерить современными приборами,

займет 1092 лет. Это время в миллиарды миллиардов раз превышает время

существования нашей Галактики. К результатам таких экспериментов следует,

однако, подходить с осторожностью. Известно, что всякое кольцо, создающее

магнитное поле, испытывает силы, стремящиеся увеличить кольцо в размерах,

попросту разорвать его. Увеличение диаметра кольца хотя бы на одну миллионную

часть сразу же выразится в снижении поля, которое можно приписать наличию в

сверхпроводнике электрического сопротивления.

Если первое основное свойство сверхпроводников — отсутствие сопротивления — было

открыто в 1911 г., то второе важнейшее свойство — лишь спустя 22 года. В 1933 г.

немецкие физики Мейснер и Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники — идеальные

диамагнетики. Что это означает?

Мы постоянно находимся в магнитном поле Земли. Силовыми линиями этого поля

пронизываются все предметы и существа на Земле. Если на пути силовых линий

попадается какой-нибудь ферромагнетик, например, кусок железа, то в этом куске

магнитные линии как бы сгущаются. Если же на пути силовой линии встретится

диамагнетик, в нем, наоборот, создается разрежение, вакуум силовых линий. В