СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

То, что при температуре абсолютного нуля чистый металл может иметь равное нулю сопротивление, т. е. бесконечно большую проводимость, не следует путать с другим квантово-механическим явлением, а именно со сверхпроводимостью. Явление сверхпроводимости состоит в том, что при температурах, на несколько градусов превышающих абсолютный нуль, проводимость становится бесконечно большой. В действительности лишь очень небольшое число металлов и металлических сплавов обладает этим удивительным свойством. У каждого сверхпроводника есть критическая температура, выше которой металл ведет себя как обычный проводник, а ниже переходит в сверхпроводящее состояние. Насколько известно, максимальная критическая температура составляет около 20 К.

Если в сверхпроводнике создать круговой ток, то он будет течь до тех пор, пока система охлаждения не выйдет из строя. Известны случаи, когда такие токи сохранялись в лаборатории на протяжении нескольких лет. Квантово-механическое объяснение сверхпроводимости представляет собой одну из актуальных теоретических проблем физики твердого тела. В последнее время в понимании этого одного из наиболее замечательных явлений были достигнуты значительные успехи.

В двух словах теория заключается в следующем. Ниже определенной температуры преобладающую роль начинает играть не тепловое движение решетки, возмущающее электрон, а возмущение самой решетки электроном проводимости. При этом возмущение решетки электроном А повлияет на движение электрона В, вследствие чего между электронами А и В возникнет эффективная сила притяжения. В некоторых веществах эта сила превосходит силу электростатического отталкивания. Следовательно, если оба электрона движутся в одном и том же направлении (существует результирующий ток), то этому будет соответствовать состояние с наинизшей энергией, причем электроны должны и далее оставаться в этом состоянии, поскольку для них не существует состояний с более низкой энергией. Отсюда мы делаем вывод, что будет существовать вечный результирующий ток в направлении движения электронов.

В настоящее время разрабатывается ряд интересных проектов практического применения сверхпроводимости. Мы обсудим три из них: 1) магниты, создающие сильные поля, 2) линии электропередач с малыми потерями и 3) высокоскоростные транспортные устройства.

Уже создано множество электромагнитов со сверхпроводящими обмотками. Эти магниты обеспечивают поля до ~ 100000 гаусс (10 тесла) при полном отсутствии электрических потерь в обмотках. Имеются лишь затраты энергии на охлаждающие системы.

Как известно, основные потери энергии в линиях электропередачи составляют / ²R. Сверхпроводящие линии передач постоянного тока будут свободны от потерь электроэнергии поскольку в них R = 0. Учеными сконструирован сверхпроводящий кабель для передачи переменного тока мощностью 4-10⁹Вт. Такой кабель должен быть дешевле традиционного подземного кабеля и обеспечивать более низкие потери энергии. Если когда-либо пустынный район США будет использован для снабжения страны энергией, получаемой здесь из солнечных лучей, то для передачи ее из этого района на очень большие расстояния потребуются сверхпроводящие линии электропередачи. Когда стоимость солнечной энергии станет сравнима со стоимостью энергии, производимой атомными или тепловыми станциями, окончательное решение проблемы может быть получено на основе использования солнечной энергии и сверхпроводящих линий электропередачи. При этом возникает ряд экономических вопросов, как, например, необходимость в больших количествах жидкого гелия, идущего на охлаждение. В настоящее время газообразный гелий выпускают в атмосферу, и он в конечном счете покидает Землю (тепловые скорости молекул гелия сравнимы со второй космической скоростью). На Земле запасы гелия весьма ограничены, и в настоящее время не существует приемлемой программы его сбережения.

Не менее важный вопрос о применении сверхпроводимости на транспорте. Один из проектов высокоскоростного наземного транспорта для перевозки пассажиров требует, чтобы транспортное средство парило над дорогой. В этом случае возможны скорости до 500 км/ч. Предположим, что каждый пассажирский вагон снабжен сверхпроводящими обмотками, расположенными поблизости от полотна "дороги" из проводящего материала. Тогда, как только вагон достигнет определенной скорости, между током, наводимым в полотне дороги, и током в сверхпроводящих обмотках возникнет сила отталкивания, достаточная для того, чтобы вагон оказался парящим в воздухе. В настоящее время такие системы разрабатываются главным образом в Японии.