Сверхпроводимость

Прошло чуть более века с момента открытия замечательного явления сверхпроводимости. Из его названия уже можно догадаться, что что-то будет проводить кого-то необычно, не так как мы привыкли.

Ток в проводнике

Ток в проводнике

Представим движение тока по обыкновенному проводу (допустим, медному). При определенном токе, текущем по проводу (проводнику), можно почувствовать, что этот проводник нагревается, а это значит, что часть энергии, которая передается по нему, теряется на нагрев. Почему же так происходит? Чтобы ответить на этот вопрос, спустимся на пару ступенек ниже по нашей Лестнице Масштабов и заглянем в структуру проводника. Все дело в том, что провод – это материал, который  имеет кристаллическую решетку.  Представьте решетку, у которой пересечения образуют узлы. Эти узлы обладают положительным зарядом и называются ионами.

Структура проводника

Структура проводника

От иона к иону летают отрицательно заряженные электроны, которые и переносят электрический ток в проводнике. С другой стороны, мы знаем, что противоположно заряженные частицы притягиваются, поэтому и наши ионы притягивают летящие мимо электроны. Те, в свою очередь, изменяют направление своего движения, сталкиваются по инерции с ионами и "шатают" кристаллическую решетку проводника. Именно эти колебания решетки и приводят к нагреву, который мы можем почувствовать пальцами. А это особое свойство проводника "сбивать с пути" летящие электроны, называется сопротивлением (и измеряется в Омах).

Но есть некоторые металлы (алюминий, свинец, ртуть, олово, цинк и другие) обладающие нулевым сопротивлением при определенных условиях. Если мы возьмем, например, свинец и доведем его до температуры 7,22 К (то есть -265 градусов Цельсия!), тогда однажды запущенный в этом металле ток будет двигаться по нему вечно, так как электроны не будут терять энергию на столкновения с ионами. Такой эффект наблюдается и при дальнейшем охлаждении, вплоть до абсолютного нуля температур (-273 градуса Цельсия - жуткий холод!). А все потому, что электронам тоже «становится холодно» и они объединяются в пары (можно представить, что так они греют друг дружку) и дальше движутся как единое целое, не сталкиваясь с ионами.

Но можно задать вопрос – как же частицы с одноименным зарядом притягиваются друг к другу и образуют пары?

А ответ таков: вспомним про кристаллическую решетку, положительный заряд притягивает электрон и в этой же области оказывается второй электрон, который, может быть, был притянут соседним положительным ионом. Ионы можно представить себя, как большие ленивые частицы, которые не хотят смещаться со своего места навстречу электрону. Поэтому быстрые и легкие электроны, отталкиваясь от ионов, невольно приближаются друг к другу, образуют связанное состояние и в дальнейшем двигаются вместе. Поток таких пар (называемых также "куперовскими парами" в честь открывшего их ученого) и называется сверхпроводящим током.

Эту самую сверхпроводимость обнаружил в 1911 году голландский ученый по имени Хейке Камерлинг-Оннес. И за это открытие, имевшее важные последствия, он был удостоин Нобелевской премии по физике. Но о применениях сверхпроводимости и ее наиболее важных свойствах мы поговорим как-нибудь в другой раз.

Комментарии: