Сила разуплотнения поверхностного слоя воды и ее роль в геологических процессах (стр. 11 )

При понижении температуры электрическое сопротивление металла уменьшается вследствие ослабления колебаний атомов решетки и уменьшения электрон-фононного взаимодействия. Ско­рость изменения сопротивления металла уменьшается при пони­жении температуры. При достаточно малой, но не сверхнизкой температуре она становится практически равной нулю, а сопро­тивление практически постоянно и не зависит от температуры. Это сопротивление называется остаточным, т. е. это еще не сверхпро­водимость.

Для возникновения сверхпроводимости необходимо, чтобы электроны, осуществляющие электрический ток, двигались без по­терь энергии, что возможно только при сверхнизких температурах (около 4 °К, т. е. на несколько градусов выше абсолютного нуля), а до этого в проводниках существует остаточное сопротивление.

Особенностью сверхпроводящего тока является эффект Мейсснера. Сущность его заключается в том, что внутри сверхпро­водящего тела частично или полностью отсутствует магнитное поле. Из этого следует, что в сверхпроводниках протекает только поверхностный ток в слое толщиной порядка 10 –8 м.

Для объяснения причины сверхпроводимости в 30-х годах 20‑го в. была предложена феноменологическая двухжидкостная модель, основанная на предположении, что вся совокупность электронов распадается на две взаимопроникающие жидкости, состоящие из нормальных и сверхпроводящих электронов. В дальнейшем была выдвинута микроскопическая теория сверхпро­водимости, основанная на идее Бозе-конденсации куперовских пар электронов, где предполагается, что, благодаря спариванию элек­тронов с разными спинами и электрон-фононному взаимодейст­вию, электронная масса приобретает сверхтекучесть в виде элек­тронной жидкости – Бозе-конденсата. Значит, по своей физической природе сверхпроводимость является аналогом сверхтекучей жид­кости, состоящей из электронов.

Отсюда можно видеть, что поведение электронной массы рассматривается учеными как аналог поведения жидкости. Но для жидкостей и газов должно проявляться действие температурной составляющей СРПС. Значит, она проявляется и в поведении электронной массы. На этом основании у меня возникла идея дать новое объяснение причины сверхпроводимости.

Поток электронов внутри проводника ведет себя как газ или жидкость и, протекая вдоль проводника, он сталкивается с колеб­лющимися атомами кристаллической решетки металла. Эти коле­бания при обычных температурах создают большое сопротивле­ние его движению. Но все же единая электронная масса, как лю­бой газ или жидкость, создает на своей поверхности разуплотнен­ный слой, который благодаря этому частично выходит за пределы поверхности проводника и начинает течь вдоль нее, не встречая сопротивления. Это, по моему мнению, подтверждается существо­ванием в некоторых случаях поверхностных эффектов, когда в по­перечном сечении обычного проводника наибольшая плотность тока сосредоточена на его поверхности (Малов, 1959). Но толщина этого слоя, выходящего за пределы поверхности, и количество электронов очень незначительно, так что при обычных температу­рах это не создает сверхпроводимости, потому что подавляющая часть электронов течет внутри проводника.

При определенном понижении температуры частота и, веро­ятно, диапазон колебания атомов решетки снижаются и меньше тормозят движение массы электронов. Поэтому сопротивление снижается, но еще сохраняется как остаточное. Вследствие уменьшения влияния колебаний атомов, масса электронов ведет себя как более свободный газ или жидкость. Поэтому поверхност­ный разуплотненный слой все более увеличивает толщину и все более выходит за пределы поверхности проводника, создавая по­верхностный ток, обладающий свойствами сверхпроводимости. Но все же большая часть электронов протекает еще внутри провод­ника, обладая определенным сопротивлением.

Картина резко меняется при сверхнизких температурах, когда атомы практически перестают колебаться и электронная масса, приобретая свойства свободного газа или жидкости, создает дос­таточный разуплотненный слой с повышенным по толщине и ско­рости потоком электронов на поверхности проводника. Затем на­чинается действие по принципу пылесоса. Этот быстрый поверх­ностный поток электронов, двигающихся с большой скоростью, как насосом, втягивает в себя более медленно двигающиеся элек­троны из глубины проводника, и почти все они оказываются на по­верхности проводника, двигаются с большими скоростями без со­ударения с атомами кристаллической решетки, создавая таким образом явление сверхпроводимости. Это и подтверждается эф­фектом Мейсснера. Иначе говоря, Т-СРПС электронной массы за счет поверхностного разуплотнения создает сначала небольшой поверхностный сверхтекучий ток, который затем, достигнув опре­деленной силы при сверхнизких температурах, как пылесос втяги­вает в себя большую часть или все электроны из глубины провод­ника, создавая явление сверхпроводимости.

Практически сверхпроводники необходимы для создания тер­моядерных электростанций. Использование же обычных сверхпро­водников экономически невыгодно, так как весьма существенная часть энергии этих электростанций уйдет на охлаждение самих сверхпроводников до сверхнизких температур. Поэтому сейчас в мире ведутся работы по решению проблемы так называемой вы­сокотемпературной сверхпроводимости: поиск материалов, обла­дающих свойствами сверхпроводимости при температурах хотя бы на несколько десятков градусов выше абсолютного нуля, т. е. при температурах сжижения азота. Но эта проблема еще далека от своего решения и ученые все еще задают себе вопрос: «Есть ли свет в конце тоннеля?» (Максимов, 2000).

Предложенное мной объяснение сверхпроводимости позво­ляет под новым углом зрения взглянуть на эту проблему. В част­ности, необходимо обратить внимание на поиски материалов, в которых тепловые колебания атомов кристаллической решетки имеют минимальное влияние на поведение электронов. Атомы мо­гут колебаться вдоль одной линии, или вдоль нескольких линий, или в плоскости по кругу, как пропеллер, или в сферическом объ­еме, иметь длинные или короткие колебания, различаться по час­тоте и т. д., или прекращать колебания при не очень низких темпе­ратурах. Все это зависит от особенностей кристаллической ре­шетки и влияет на сверхпроводимость. Самыми высокотемпера­турными должны быть сверхпроводники, где это влияние минимально. Конкретным решением этих вопросов, похоже, еще никто не занимался.

Роль в аэродинамике при контакте газов с крыльями самолетов

Заголовок этого раздела я написал для того, чтобы привлечь внимание специалистов по аэродинамике, так как эта отрасль науки для меня незнакома и сам я не знаю как подойти к этой про­блеме. Ясно только одно, что существование разуплотненного слоя и СРПС в контакте воздуха с крыльями самолетов, ракет и других летательных аппаратов должно влиять на их аэродинами­ческие свойства. Поэтому особенности возникновения и действия СРПС необходимо учитывать в аэродинамических исследованиях.

1.3. Механизм возникновения Т-СРПС в водной среде

1.3.1. Отличие жидкостей от газов

В газах молекулы обладают большими скоростями движения и, соответственно, большими кинетическими энергиями. Распре­деление скоростей и энергии молекул осуществляется в соответ­ствии с правилом Максвелла – Больцмана (см. рис. 3) Молекулы соударяются друг с другом и отскакивают в разные стороны, про­должая свой полет. Большие скорости и энергии не позволяют им соединяться. Но по мере уменьшения температуры кинетическая энергия поступательного движения молекул газа уменьшается, и при некоторой температуре она уже не в состоянии преодолеть дальнодействующие ван-дер-ваальсовы силы межмолекулярных нековалентных взаимодействий. Поэтому молекулы собираются вместе, образуя компактную плотную массу – жидкость, но сохра­няют возможность перемещаться относительно друг друга, что яв­ляется основной характеристикой жидкости.

Ван-дер-ваальсовы силы стремятся сблизить молекулы жид­кости друг с другом. В то же время соединению этих молекул пре­пятствуют так называемые короткодействующие силы отталкива­ния их электронных атомных оболочек. Энергия взаимодействия первых уменьшается пропорционально шестой степени расстоя­ния между молекулами, а вторых – в среднем двенадцатой сте­пени этого расстояния (Лопаткин, 1983). Это взаимодействие опи­сывается энергетическим потенциалом Леннарда-Джонса:

,

где φ – потенциальная энергия взаимодействия между молеку­лами; А – константа притяжения; В – константа отталкивания; r – расстояние между молекулами.

Рис. 17. Диаграммы изменения потенци­альной энергии (φ) и силы (F) межмолеку­лярного взаимодействия в зависимости от расстояния (r) между молекулами (r0 = r1 + r2 – равновесное расстояние ме­жду молекулами, равное сумме ван-дер-ваальсовых радиусов молекул, где энергия взаимодействия минимальна, а сила взаи­модействия равна 0)

На диаграмме это выражается кривой, имеющей минимум внизу, так называемую потенциальную яму, со­ответствующую равновесному распо­ложению молекул, когда притяжение и отталкивание взаимно выравниваются (рис. 17). Равновесное расстояние между молекулами определяет так называемые ван-дер-ваальсовы раз­меры молекул, оно равно двум радиусам взаимодействующих мо­лекул, т. е. две молекулы, сближаясь на расстояние ван-дер-ва­альсовых размеров, попадают, образно говоря, в капкан: сбли­зиться дальше им не позволяет упруго сжимающаяся электронная оболочка атомов, а удалению препятствуют ван-дер-ваальсовы силы притяжения. И только собственная кинетическая энергия движения молекул разрывает этот капкан, и они разлетаются, пре­одолевая силу притяжения. Но если кинетическая энергия дви­жения молекул газа мала, например, при температурах меньше критических, или внешнее давление заставляет молекулы сбли­жаться за счет сжатия в сосуде, то тепловое движение молекул происходит большей частью в  поле  действия этих межмолеку­лярных сил как бы в среднем около равновесного расстояния ме­жду ними. В результате этого газы превращаются в жидкости или твердые тела, так как молекулы за счет внешних сил оказались запертыми в «капкане» энергетических сил межмолекулярного взаимодействия.