Условие мейснера. Эффект мейснера и его практическое применение

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.

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.

Нулевое сопротивление - не единственная особенность сверхпроводимости. Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом в 1933 году.

Эффект Мейснера заключается в «выталкивании» сверхпроводником магнитного поля из занимаемой им части пространства. Это вызвано существованием незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное приложенному внешнему магнитному полю и компенсирующее его.

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, т.к. внутри него намагниченность равна нулю.

Впервые эффект Мейснера объяснили братья Фриц и Хайнц Лондон. Они показали, что в сверхпроводнике магнитное поле проникает на фиксированную глубину от поверхности - лондоновскую глубину проникновения магнитного поля λ . Для металлов l~10 -2 мкм .

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 .

Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Однако, это изменение зависит от рода рассматриваемых сверхпроводников. Так, для сверхпроводников Ι рода в отсутствие магнитного поля при температуре перехода Т С теплота перехода (поглощения или выделения) обращается в нуль, а следовательно терпит скачок теплоёмкость, что характерно для фазового перехода ΙΙ рода. Когда же переход из сверхпроводящего состояния в нормальное осуществляется изменением приложенного магнитного поля, то тепло должно поглощаться (например, если образец теплоизолирован, то его температура понижается). А это соответствует фазовому переходу Ι рода. Для сверхпроводников ΙΙ рода переход из сверхпроводящего в нормальное состояние при любых условиях будет фазовым переходом ΙΙ рода.

Явление выталкивания магнитного поля можно наблюдать в эксперименте, который получил название «гроб Магомета». Если магнит положить на поверхность плоского сверхпроводника, то можно наблюдать левитацию – магнит будет висеть на некотором расстоянии от поверхности, не касаясь её. Даже в полях с индукцией порядка 0,001Тл заметно смещение магнита вверх на расстояние порядка сантиметра. Это объясняется тем, что магнитное поле выталкивается из сверхпроводника, поэтому магнит, приближающийся к сверхпроводнику, «увидит» магнит одинаковой полярности и точно такого же размера, - что и вызовет левитацию.

Название этого эксперимента - «гроб Магомета» - связано с тем, что по преданию, гроб с телом пророка Магомета висел в пространстве без всякой поддержки.

Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1935 году Фрицем и Хайнцем Лондоном. Более общая теория была построена в 1950 году Л.Д. Ландау и В.Л. Гинзбургом. Она получила широкое распространение и известна как теория Гинзбурга - Ландау. Однако эти теории имели феноменологический характер и не раскрывали детальные механизмы сверхпроводимости. Впервые сверхпроводимость на микроскопическом уровне получила объяснение в 1957 году в работе американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера. Центральным элементом их теории, получившей название теории БКШ, являются так называемые куперовские пары электронов.

Хаотичное движение атомов проводника препятствует прохождению электрического тока. Сопротивление проводника уменьшается с уменьшением температуры. При дальнейшем снижении температуры проводника наблюдается полное уменьшение сопротивление и явление сверхпроводимости.

При некоторой температуре (близкой 0 oK) сопротивление проводника резко падает до нуля. Это явление называется сверхпроводимостью. Однако, в сверхпроводниках наблюдается также другое явление — эффект Мейснера. Проводники в сверхпроводящем состоянии обнаруживают необычное свойство. Из объема сверхпроводника полностью вытесняется магнитное поле.

Вытеснение сверхпроводником магнитного поля.

Проводник в сверхпроводящем состоянии, в отличие от идеального проводника, ведет себя как диамагнетик. Внешнее магнитное поле вытесняется из объема сверхпроводника. Тогда если поместить магнит над сверхпроводником, магнит зависает в воздухе.

Возникновение этого эффекта связано с тем, что при внесении сверхпроводника в магнитное поле в нем возникают вихревые токи индукции, магнитное поле которых полностью компенсирует внешнее поле (как в любом диамагнетике). Но индуцированное магнитное поле само также создает вихревые токи, направление которых противоположно токам индукции по направлению и равно по величине. В результате в объеме сверхпроводника отсутствуют и магнитное поле и ток. Объем сверхпроводника экранируется тонким приповерхностным слоем - скин-слоем - на толщину которого (порядка 10-7-10-8 м) проникает магнитное поле и в котором происходит его компенсация.

а - нормальный проводник, обладающий отличным от нуля сопротивлением при любой температуре (1), внесен в магнитное поле. В соответствии с законом электромагнитной индукции возникают токи, которые сопротивляются проникновению магнитного поля в металл (2). Однако если сопротивление отлично от нуля, они быстро затухают. Магнитное поле пронизывает образец нормального металла и практически однородно (3);

б - из нормального состояния при температуре выше T c есть два пути: Первый: при понижении температуры образец переходит в сверхпроводящее состояние, затем можно наложить магнитное поле, которое выталкивается из образца. Второй: сначала наложить магнитное поле, которое проникнет в образец, а затем понизить температуру, тогда при переходе поле вытолкнется. Выключение магнитного поля дает ту же картинку;

в - если бы не было эффекта Мейснера, проводник без сопротивления вел бы себя по-другому. При переходе в состояние без сопротивления в магнитном поле он бы сохранял магнитное поле и удерживал бы его даже при снятии внешнего магнитного поля. Размагнитить такой магнит можно было бы, только повышая температуру. Такое поведение, однако, на опыте не наблюдается

В 1933 году немецкий физик Вальтер Фриц Мейснер совместно со своим коллегой Робертом Оксенфельдом открыл эффект, который впоследствии назвали его именем. Эффект Мейснера заключается в том, что при переходе в сверхпроводящее состояние, наблюдается полное вытеснение магнитного поля из объема проводника. Наглядно это можно наблюдать с помощью опыта, которому дали название “Гроб Магомета” (по легенде, гроб мусульманского пророка Магомета висел в воздухе без физической поддержки). В этой статье мы расскажем об Эффекте Мейснера и его будущему и настоящему практическому применению.

В 1911 году Хейке Камерлинг-Оннес сделал важное открытие – сверхпроводимость. Он доказал, что если охладить некоторые вещества до температуры 20 К, то они не оказывают сопротивление электрическому току. Низкая температура “успокаивает” случайные колебания атомов, и электричество не встречает сопротивление.

После этого открытия началась настоящая гонка по нахождению таких веществ, которые не будут оказывать сопротивление без охлаждения, например при обычной комнатной температуре. Такой сверхпроводник сможет передавать электричество на гигантские расстояния. Дело в том, что обычные линии электропередач теряют значительное количество электрического тока, как раз из-за сопротивления. Пока же физики ставят свои опыты с помощью охлаждения сверхпроводников. И одним из самых популярных опытов, является демонстрация Эффекта Мейснера. В сети можно встретить множество роликов, показывающих этот эффект. Мы выложили один, который лучше всего демонстрирует это.

Для демонстрации опыта левитации магнита над сверхпроводником нужно взять высокотемпературную сверхпроводящую керамику и магнит. Керамика охлаждается с помощью азота до уровня сверхпроводимости. К ней подключается ток и сверху кладется магнит. В полях 0,001 Тл магнит смещается вверх и левитирует над сверхпроводником.

Объясняется эффект тем, что при переходе вещества в сверхпроводимость, магнитное поле выталкивается из его объема.

Как можно применить эффект Мейснера на практике? Наверное, каждый читатель этого сайта видел множество фантастических фильмов, в которых автомобили парили над дорогой. Если удастся изобрести вещество, которое превратится в сверхпроводник при температуре, скажем не ниже +30, то это уже не окажется фантастикой.

А как же сверхскоростные поезда, которые тоже парят над железной дорогой. Да они существуют уже сейчас. Но в отличие от Эффекта Мейснера, там действуют другие законы физики: отталкивание однополюсных сторон магнитов. К сожалению, дороговизна магнитов не позволяет широко распространить эту технологию. С изобретение сверхпроводника, которого не нужно охлаждать, летающие машины станут реальностью.

Ну а пока Эффект Мейснера взяли на свое вооружение фокусники. Одно из таких представлений мы раскопали для вас в сети. Свои трюки показывает труппа “Эксос”. Никакой магии – только физика.

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.

Понравилась статья? Поделитесь ей

Распечатать статью