Жидкий гелий (стр. 7 )

В случае малых амперных токов реакция магнитной стрелки не наблюдалась, проверялось только сопротивление проводника. А оно равно нулю. И это все говорит об очень малой величине создаваемого сверхпроводником магнитного поля. Точнее о его отсутствии как и нагревания до возникновения критического тока, или малой скорости охлаждения например быстрой прокачкой. Жидкий гелий кипит и испаряется, но почему при сверхпроводимости он должен испаряться и кипеть – особых причин нет - ведь сверхпроводимость же…. Кипеть и испаряться начинает при критическом токе. И это уже имеет смысл – критический ток уничтожает сверхпроводящее состояние.!!!! А вместе с тем и возникает магнетизм.

В одном из вариантов опыта используется два кольца из сверхпроводящего металла. Большее из колец неподвижно закрепляется, а меньшее концентрически подвешивается на упругой нити таким образом, что когда нить не закручена, плоскости колец образуют между собой некоторый угол. Кольца охлаждаются в присутствии магнитного поля ниже температуры Ткр, после чего поле выключается. При этом в кольцах возбуждаются токи, взаимодействие между которыми стремится уменьшить первоначальный угол между плоскостями колец. Нить закручивается, а наблюдаемое постоянство угла закручивания показывает, что токи в кольцах являются незатухающими. Опыты такого рода позволили, установить, что сопротивление металла в сверхпроводящем состоянии меньше, чем 10 -22ОмЧсм (сопротивление чистых образцов Cu или Ag составляет около 10 -9 ОмЧсм при температуре жидкого гелия).

Величина токов наведенных в кольцах неизвестна. Но по закону Ампера кольца должны не просто изменять угол, но должны притягиваться(обязательно притягиваться) и сила притяжения даже при малых наведенных токах должна быть достаточна для значительного смещения сразу всей плоскости подвешенного кольца к неподвижному, а не закручивания нити на малый угол. А отсутствие такого смещения говорит о невыполнении в данном случае закона Ампера, то есть об отсутствии сильного магнитного поля. Закручивание нити скорее всего происходит совершенно по другой причине, связанной по-видимому с изменением ее свойств в охлажденном состоянии и при изменении магнитного воздействия..

Вчистую с двумя проводниками опыт, аналогичный опыту Ампера не ставился. И понятно почему. Охлаждающая жидкость моментально выкипит.

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.

Однако при исследовании затухания тока в магнитном кольце 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.

И тут дело опять в невыполнении закона Ампера и отсутствии больших растягивающих сил.

В противном случае следует считать, что для сверхпроводящего соленоида энергия на создание магнитного поля не тратится, то есть происходит нарушение закона сохранения энергии.

Вывод только один. Магнитное поле появляется на короткое время, в момент перехода сверхпроводника в нормальное состояние, так как ток критический. Ток падает. При этом выделяется тепло и магнитное излучение. Охладитель резко начинает вскипать и испаряться, чем снова уменьшает температуру проводника, что опять ведет к увеличению тока. Таким образом, имеем пульсацию и частота ее зависит от скорости охлаждения. Великолепный пример пульсации это эм излучение получаемое в опыте Джозефсона.

По принятой на сегодня схеме:

Проникновение магнитного поля в сверхпроводник 2-го рода происходит в виде так называемых абрикосовских вихрей — несверхпроводящий участок материала с кольцевым током размером о, который несет в себе квант магнитного потока Ц0.

Но сначала немного теории от квантовой механики. Важными характеристиками сверхпроводящего состояния являются длина когерентности о (то есть расстояние, на котором электроны взаимодействуют друг с другом, создавая сверхпроводящее состояние) и лондоновская глубина проникновения (см. London penetration depth) магнитного поля в сверхпроводник л. Понятие длины когерентности было введено английским физиком Альфредом Пиппардом (Alfred Pippard) еще до создания теории БКШ (Бардина–Купера–Шриффера) и, как выяснилось с созданием микроскопической теории сверхпроводимости, грубо говоря означает размер куперовской пары. Понятие лондоновской глубины проникновения появилось в результате теоретических исследований братьев Хайнца и Фрица Лондонов (Heinz London и Fritz London) по электродинамике сверхпроводящего состояния, и дало возможность объяснить эффект Мейснера — явление выталкивание магнитного поля из сверхпроводника.

Рис. 2. Основные элементы конструкции сверхпроводящего магнита: 1 — контакт для присоединения к внешним цепям; 2 — многожильный сверхпроводящий провод в изоляционном покрытии, припаянный к контакту; 3 — рабочий объем соленоида, максимальная напряженность поля создается в его центре; 4 — текстолитовый диск для монтажа контактов и закрепления соленоида в криостате; 5 — металлический каркас соленоида; 6 — сверхпроводящая обмотка; 7 — силовой бандаж обмотки; 8 — изолирующие прокладки между слоями обмотки. Рис. с сайта bse.

С появлением в 1950 году феноменологической теории сверхпроводимости Гинзбурга–Ландау оказалось, что параметры о и л увеличиваются с ростом температуры по одинаковому закону. Поэтому отношение k = л / о представляет собой константу и, как показал спустя 7 лет Алексей Абрикосов, является критерием деления сверхпроводников на две группы Сверхпроводники 2-го рода, имеющие параметры Гинзбурга – Ландау более 1/√2, – это в основном различные сверхпроводящие сплавы, если меньше, то сверхпроводники 1-го рода.

То есть вообще-то k и не константа!!! А коэффициент.

К сверхпроводникам 1-го рода относятся все чистые элементы-сверхпроводники, кроме ванадия и ниобия, говорят и технеция.

И сразу вопрос, почему только они?

Сплавы, интерметаллические соединения, а также вышеупомянутые ванадий и ниобий — это сверхпроводники 2-го рода. Их важным отличием от сверхпроводников 1-го рода является необычное поведение в магнитном поле. До некоторого значения Bc1 магнитное поле не попадает внутрь сверхпроводника (эффект Мейснера выполняется), при дальнейшем увеличении поля от Bc1 до некоторого значения Bc2 оно проникает в сверхпроводник в виде «нитей» с кольцевыми токами (их называют абрикосовскими вихрями; см. Abrikosov vortex), представляющих собой нормальный, несверхпроводящий участок размером порядка длины когерентности и несущих в себе квант магнитного потока Ц0 (см. рис. 1).

По мере увеличения поля вихри постепенно заполняют весь сверхпроводник. Условно говоря, в образце одновременно сосуществуют сверхпроводящие и нормальные области — чем ближе магнитное поле к Bc2, тем больше нормальных областей. Такое состояние сверхпроводника называют резистивным (также его называют смешанным состоянием или фазой Шубникова). Несмотря на наличие нормальных областей, в целом образец остается сверхпроводящим, то есть по-прежнему проводит ток без сопротивления. Когда же значение магнитного поля достигает Bc2, сверхпроводимость полностью разрушается.

Величины Bc1 и Bc2 называют первым (нижним) и вторым (верхним) критическим полем сверхпроводника. Как правило, значение первого критического поля невысокое и может составлять порядка сотых долей тесла (у Земли магнитное поле приблизительно равно 0,0005 Тл), зато второе поле значительно выше и достигает нескольких тесла (см. рис. 3). Это позволяет на практике использовать сверхпроводники второго рода как важный элемент в конструкции магнитов для создания постоянных сильных полей, не превышающих значение Bc2 (см. на рис. 2 схему сверхпроводящего магнита). Достаточно «запустить» в сверхпроводящую обмотку ток, и создаваемое этой обмоткой поле не будет уменьшаться.

Рис. 3. Параметры некоторых сверхпроводников второго рода. (* — для иттрий-бариевой керамики второе критическое поле в силу анизотропии кристаллической решетки зависит от направленности магнитного поля; первая цифра 70 соответствует случаю, когда силовые линии магнитного поля ориентированы параллельно образцу, вторая — когда перпендикулярно.) Для сравнения: в сверхпроводниках 1-го рода сверхпроводимость разрушается при значениях критического поля Bc, в основном не превышающих 0,1 Тл. Рекордсменом является ниобий, у которого Bc = 0,198 Тл

Эти данные взяты из уважаемого источника, и тут же недоумение по поводу того самого Ниобия в чистом виде. Вообще получение чистых ли металлов мы имеем. А что же, изотопный состав не имеет значения? Если имеет, почему нет об этом упоминаний?

Однако остается открытым вопрос о механической устойчивости магнитов, генерирующих поля с такими гигантскими значениями индукции. Сильные магнитные поля способны запросто деформировать конструкцию магнита. Происхождение этого эффекта связано с действием так называемой силы Ампера — силы, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Зависимость давления магнитного поля (см. Magnetic pressure) от его «силы» (индукции В) является квадратичной: например, если при В = 1 Тл создается давление 4 атмосферы, то увеличение магнитного поля в 100 раз увеличит давление до 40 тыс. атмосфер. Неизвестно, сможет ли выдержать такую нагрузку конструкция со сверхпроводящим магнитом. В любом случае, последнее слово останется за технологами. Удастся ли им создать такие постоянные магниты, покажет время.