Теория сверхпроводимости

Сверхпроводимость, как явление, возникает в результате образования куперовских пар электронов, ведущих себя подобно единой частице.

Сверхпроводимость — вещь странная и, в некоторой мере, даже противоречащая здравому смыслу. Когда электрический ток течет по обычному проводу, то, в результате наличия у провода электрического сопротивления, ток совершает некую работу, направленную на преодоление этого сопротивления со стороны атомов, в результате чего выделяется тепло. При этом каждое соударение электрона — носителя тока — с атомом тормозит электрон, а сам атом-тормоз при этом разогревается — вот почему спираль электрической плитки становится такой красной и горячей. Всё дело в том, что спираль обладает электрическим сопротивлением, и, вследствие этого, при протекании по ней электрического тока, выделяет тепловую энергию (см. Закон Ома).

В 1911 году нидерландский физик-экспериментатор Хейке Камерлинг Оннес (Heike Kammerlingh Onnes, 1853–1926) сделал удивительное открытие. Погрузив провод в жидкий гелий, температура которого составляла не более 4° выше абсолютного нуля (который, напомним, составляет –273°С по шкале Цельсия или –460°F по шкале Фаренгейта), он выяснил, что при сверхнизких температурах электрическое сопротивление падает практически до нуля. Почему такое происходит, он, собственно, не мог даже и догадываться, но факт оказался налицо. При сверхнизких температурах электроны практически не испытывали сопротивления со стороны атомов кристаллической решетки металла и обеспечивали сверхпроводимость.

Но почему всё так происходит? Это оставалось тайной вплоть до 1957 года, когда еще три физика-экспериментатора — Джон Бардин (John Bardeen, 1908–1991), Леон Купер (Leon Cooper, р. 1930) и Джон Роберт Шриффер (John Robert Schrieffer, р. 1931) придумали объяснение этому эффекту. Теория сверхпроводимости теперь так и называется в их честь «теорией БКШ» — по первым буквам фамилий этих физиков.

А суть ее заключается в том, что при сверхнизких температурах тяжелые атомы металлов практически не колеблются в силу их низкого теплового движения, и их можно считать фактически стационарными. Поскольку любой металл только потому и обладает присущими металлу электропроводящими свойствами, что отпускает электроны внешнего слоя в «свободное плавание» (см. Химические связи), мы имеем, что имеем: ионизированные, положительно заряженные ядра кристаллической решетки и отрицательно заряженные электроны, свободно «плавающие» между ними. И вот проводник попадает под действие разности электрических потенциалов. Электроны — волей или неволей — движутся, будучи свободными, между положительно заряженными ядрами. Всякий раз, однако, они вяло взаимодействуют с ядрами (и между собой), но тут же «убегают». Однако, в то самое время, пока электроны «проскакивают» между двумя положительно заряженными ядрами, они как бы «отвлекают» их на себя. В результате, после того как между двумя ядрами «проскочил» электрон, они на недолгое время сближаются. Затем два ядра, конечно же, плавно расходятся, но дело сделано — возник положительный потенциал, и к нему притягиваются всё новые отрицательно заряженные электроны. Тут самое важное — понять: благодаря тому, что один электрон «проскакивает» между атомами, он, тем самым, создает благоприятные энергетические условия для продвижения еще одного электрона. В результате электроны перемещаются внутри атомно-кристаллической структуры парами — по-другому они просто не могут, поскольку это им энергетически не выгодно. Чтобы лучше понять этот эффект можно привлечь аналогию из мира спорта. Велосипедисты на треке нередко используют тактику «драфтинга» (а именно, «висят на хвосте» у соперника) и, тем самым, снижают сопротивление воздуха. То же самое делают и электроны, образуя куперовские пары.

Тут важно понять, что при сверхнизких температурах все электроны образуют куперовские пары. Теперь представьте себе, что каждая такая пара представляет собой связку наподобие вермишели, на каждом конце которой находится заряд-электрон. Теперь представьте себе, что перед вами целая миска подобной «вермишели»: она вся состоит из переплетенных между собой куперовских пар. Иными словами, электроны в сверхпроводящем металле попарно взаимодействуют между собой, и на это уходит вся их энергия. Соответственно, у электронов просто не остается энергии на взаимодействие с ядрами атомов кристаллической решетки. В итоге доходит до того, что электроны замедляются настолько, что им больше нечего терять (энергетически), а окружающие их ядра «остывают» настолько, что они более не способны «тормозить» свободные электроны. В результате электроны начинают перемещаться между атомами металла, практически не теряя энергии в результате соударения с атомами, и электрическое сопротивление сверхпроводника устремляется к нулю. За открытие и объяснение эффекта сверхпроводимости Бардин, Купер и Шриффер в 1972 году получили Нобелевскую премию.

С тех пор прошло немало лет, и сверхпроводимость из разряда явлений уникальных и лабораторно-курьезных превратилась в общепризнанный факт и источник многомиллиардных доходов предприятий электронной индустрии. А дело всё в том, что любой электрический ток возбуждает вокруг себя магнитное поле (см. Закон электромагнитной индукции Фарадея). Поскольку сверхпроводники долгое время проводят ток практически без потерь, если поддерживать их при сверхнизких температурах, они представляют собой идеальный материал для изготовления электромагнитов. И, если вы когда-нибудь подвергались медико-диагностической процедуре, которая называется электронная томография и проводится на сканере, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), то вы, сами того, возможно, не подозревая, находились в считанных сантиметрах от сверхпроводящих электромагнитов. Именно они создают поле, позволяющее врачам получать высокоточные образы тканей человеческого тела в разрезе без необходимости прибегать к скальпелю.

Современные сверхпроводники сохраняют свои уникальные свойства при нагревании вплоть до температур порядка 20K (двадцать градусов выше абсолютного нуля). Долгое время это считалось температурным пределом сверхпроводимости. Однако в 1986 году сотрудники швейцарской лаборатории компьютерной фирмы IBM Георг Беднорц (Georg Bednorz, р. 1950) и Александр Мюллер (Alexander Müller, р. 1927) открыли сплав, сверхпроводящие свойства которого сохраняются и при 30K. Сегодня же науке известны материалы, остающиеся сверхпроводниками даже при 160К (то есть чуть ниже –100°C). При этом общепринятой теории, которая объясняла бы этот класс высокотемпературной сверхпроводимости, до сих пор не создано, но совершенно ясно, что в рамках теории БКШ ее объяснить невозможно. Практического применения высокотемпературные сверхпроводники на сегодняшний день не находят по причине их крайней дороговизны и хрупкости, однако разработки в этом направлении продолжаются.

Джон БАРДИН
Джон БАРДИН
John Bardeen, 1908–91

Американский физик, один из немногих дважды лауреатов Нобелевской премии. Родился в Мэдисоне, штат Висконсин в семье профессора-патологоанатома. Образование получил в Мэдисонском и Принстонском университетах. В перерыве между учебой в первом и втором несколько лет проработал в нефтяной компании Gulf Oil в качестве сейсмолога-разведчика нефтяных залежей. В годы второй мировой войны служил в навигационной лаборатории ВМФ США в Вашингтоне, по окончании войны работал в радиолаборатории телефонной компании Bell, где стал соавтором изобретения транзистора, за что в 1956 году был удостоен своей первой Нобелевской премии по физике. После этого Бардин стал профессором Университета штата Иллинойс, где занялся разработкой теории БКШ, за которую, вместе с соавторами, в 1972 году получил Нобелевскую премию во второй раз.


19
Показать комментарии (19)
Свернуть комментарии (19)

  • Alexandrushka  | 08.04.2006 | 14:37 Ответить
    спасибо большое
    Ответить
  • mikad  | 10.07.2008 | 12:42 Ответить
    ВТСП очень даже используется на практике. В статье про джозефсоновский переход автор дал описание СКВИДа. Ну вот они и используются, и высокотемпературный СКВИД оказывается удобнее низкотемпературного. Благо жидкий азот дешевле и приятнее жидкого гелия.
    Ответить
  • eon  | 14.08.2008 | 14:40 Ответить
    Хорошо, куперовская пара. Но почему двойная система не может налететь на тот же самый атом. Ведь силы притяжения между атомом и "парой" возрастают. Паре энергетически выгодносвязка с атомом, чтобы сбросить лишнюю энергию.
    Если даже абсолютно исключить тепловой шум, но ведь никто еще не отменял закон Кулона. Он будет фигурировать всегда.
    Если честно, что-то слишком сложное обьяснение БКШ. Уверен, что должно быть проще. Природа любит пошутить.
    Ответить
    • ExpertSC > eon | 29.08.2008 | 11:50 Ответить
      Полностью с Вами согласен, что в Природе все проще. Уральскими учеными из Екатеринбурга (УГТУ-УПИ), наконец, раскрыт механизм сверхпроводимости. Оказалось, что за сверхпроводимость отвечает новая квантовая частица - мультиэлектрон. Куперовская пара из двух электронов - частный случай мультиэлектрона, который обладает свойствами простейшей водородоподобной системы. Кинетическая энергия двух электронов в ней переходит в энергию вращения вокруг общей оси и уравновешивается силой беззарядового притяжения по аналогии с мезонным взаимодействием по закону Юкавы в нуклонах. Поэтому по отношению к атомам решетки кристалла мультиэлектрон имеет нулевую скорость и малые размеры и с атомами не сталкивается, так как находится с ними в состоянии электростатического равновесия. При наложении электрического поля мультиэлектрон, если он находится в зоне проводимости, становится носителем тока без сопротивления.
      Открытие Новой частицы объясняет тот большой спектр свойств, который открыт исследователями у высокотемпературных сверхпроводников.
      Естественно, на основе свойств новой частицы были определены технологические требования к выбору материала и изготовлению комнатнотемпературного сверхпроводника.
      Ответить
  • B121  | 25.01.2009 | 14:13 Ответить
    Да, в природе наиболее проще.
    1. Теория БКШ предполагает увеличение электронов проводимости в два раза (куперовские пары), т.е. величина тока в проводнике максимально может быть увеличена в два раза. На самом деле величина тока в сверхпроводнике увеличивается в большее количество раз. Таким образом, теория БКШ не состоятельна.
    2. Считается, что при сверхнизких температурах электроны практически не испытывают сопротивления со стороны атомов кристаллической решетки металла и тем самым обеспечивают сверхпроводимость. На самом деле наличие у проводника электрического сопротивления как было так и осталось, а сверхпроводимость обеспечивается увеличением скорости перемещения электронов проводимости. Таким образом, увеличивая скорость перемещения электронов проводимости при высокой температуре (комнатной) можно получить ВТСП.
    Ответить
  • Strannic  | 28.01.2009 | 22:07 Ответить
    Ладненько, допустим пары электронов, дпустим вращаются. А что кристалические решетки проводника все выстроены в одну шеренгу. и в каждой решетке все атомы выстроены в одну шеренгу, создавая прямой проход электронам? Если даже так, то нередко проводник сам изгибается, тем самим создает изгиб этого мнимого тунеля. А атомы значит, летят по тунелю и только успевают поворачивать руль, то в право, то влево, то вниз , то вверх. Класные водители! Предпологается, что атомы летят со скоростью света. Этож сколько энергии надо тратить, чтоб преодолевать прямолинейное движения этих пар, дабы облетать густой лес атомов. Вед развороты надо делать очень даже крутые. Соответственно неминумы столкновения с атомами проводника. Или хотите сказать, что при приближении сдвоенного электрона к атому проводника, атом мгновенно отодвигается и пропускает электрон. Но это ведь чушь. Где атом берет столько энергии? Да и при таком резком смещении должны нарушаться орбиты электронов этого атома, и кое какие может и потерять. Да еще ведь, все атомы в проводнике находятся во взаимосвязи. Соответственно электроны тока должны отодвигать не по одному атому с каждой из сторон, а целые пласты атомов. Пусть даже не атомы он раздвигает,а только отодвигает электроны с орбит атомов. И что, после пролета электрона тока, эти электроны атомов спокойненько возвращаются на свои орбиты и машут ручками на прощание. И на весь этот танец не расходуется энергия? Все это сплошные выдумки ограниченых умишек. Изголяются лижбы, что сказать с умным видом.
    Не существуют никакие атомы токов. Ток это выбрации определенной частоты с характерным рисунком векторной направленности частотного спектра. А проводник является резонатором, имеющий способность резонировать на частоте тока. Вот эта резонансная волна и перемещается по проводнику. Чем большая способность резонировать относительно векторной направленности токовых частот, тем лучшим проводником он является. По этой причине и диэлектрики, вдруг становятся, при определенной температуре, сверхпроводником. Тоесть при этой температуре у этого вещества диэлектрика, собственная вибрационная частота и вектора направленности частот совпадают с рисунком частотно-векторной характеристики электрического тока.
    Ответить
    • ExpertSC > Strannic | 01.03.2009 | 14:13 Ответить
      "Ладненько, допустим пары электронов, дпустим вращаются."
      Молодцом! Но будьте последовательны в своих рассуждениях. Если пара вращается, то у ней есть центробежный момент (подтверждается экспериментально измеренным спектром Гросса). А раз есть центробежный момент, значит есть и центробежный барьер отталкивания. Вспомните раскрученный детский волчек - сам отскакивает и предметы отшибает. Мультиэлектрон ведет себя как вращающаяся молекула. Но так как приведенная масса ее в два раза меньше массы одного электрона и тем более в тысячу раз меньше массы ядер атомов, то потерь энергии на столкновения практически нет. Кроме того, величина центробежного барьера сравнима с энергией связи в кристалле, т.е. разрушить мультиэлектрон не разрушив весь кристалл невозможно.
      Частоту вращения мультиэлектрона можете принять за частоту Ваших колебаний -они лежат в оптическом диапазоне.В этом мультиэлектрон похож на экситон Гинзбурга.
      Спорить не интересно, так как нами уже практически создан комнатнотемпературный сверхпроводник, работающий до 350С по мультиэлектронному принципу.
      Ответить
      • Ckpyt > ExpertSC | 30.03.2009 | 17:48 Ответить
        А можно ссылочку на материалы? Хочется почитать поподробней. На http://www.superconductors.org/ сейчас есть только 233К

        П.с. если электроны цепляются друг с другом, они цепляются, как я понимаю, кварками. Тогда энергия разрыва этой связи будет много больше энергии химической связи... Плюс бешеная скорость вращения... Да, что-то в этом есть... но хотелось бы по подробней. В частности, куда девается заряд электрона?
        Ответить
        • ExpertSC > Ckpyt | 08.04.2009 | 10:06 Ответить
          Вы правы. Только уточнение в том, что они цепляются не кварками, а глюонами.Черные и белые электроны - это сами видимые кварки и взаимодействуют они с серыми глюонами, которые, (по аналогии с цветными кварками в нуклонах в ядрах атомов) спокойно компенсируют отталкивание электрических зарядов электронов. Мультиэлектрон, по существу, является проявлением электрон-глюонной плазмы. Всем известно, что в плазме имеется эффект экранирования. В данном случае глюоны притягивают и экранируют электроны по закону Дебая. В итоге - короткодействующий характер сил притяжения.
          Если в цветных кварках сила притяжения - 17 тонн. То в мультиэлектроне - 5 тонн. Скорость вращения 0,2 от скорости света. Это я к тому, что помимо сверхпроводимости, потенциально имеем экологический чистый, несчерпаемый источник энергии. Мало не покажется.
          Ответить
      • Ckpyt > ExpertSC | 31.03.2009 | 12:17 Ответить
        Вы говорите, у вас есть видео, подтверждающие эффект сверхпроводимости при комнатной температуре.
        Если не сложно, можете дать ссылку?
        (Объем не важен, скорости в интернете ныне велики :-) как вариант, можете просто создать торрент-файл и дать ссылку на него. Таким образом, снизится и возможная нагрузка на ваш сервер, и вы сумеете показать файл очень и очень многим.)
        Ответить
        • ExpertSC > Ckpyt | 08.04.2009 | 10:14 Ответить
          Дайте время, мы эту проблему обязательно решим.
          Ответить
          • ckpyt > ExpertSC | 10.04.2009 | 00:33 Ответить
            Поговорите с вашим сисадмином. Поднять сайт на своем сервере и залить на него файл какого угодно размера для скачки - что может быть проще? :-)
            Ответить
            • ExpertSC > ckpyt | 10.04.2009 | 09:58 Ответить
              У нас в корпоративной сети огромное количество компьютеров и все ходят в интернет через один адрес. Поэтому наш сервер исключается. А за подготовку и установку торрент-файла заломили несусветную сумму.
              Ответить
              • Ckpyt > ExpertSC | 10.04.2009 | 14:43 Ответить
                Гм... можете переслать файл мне, я выложу его на свой сервер.
                Причем, не буду даже давать на него ссылки. Просто будет тупо лежать и никого не трогать.
                С вас - только файл и распространение ссылки.
                А торрент-файл легко подготовить и самому:
                http://torrents.ru/forum/viewtopic.php?t=3046
                (но если у вас только один внешний ай-пи, будет сложно)
                В общем, так: мое мыло: ckpyt@bk.ru(10Мб ограничение на вложение)
                ckpyt.new@gmail.com - 20Мб.
                Сам я сисадмин, у меня в сети 16 внешних статических IP, заняты только три из них.
                Как говориться, сделаю все за просто так. Самому интересно :-))
                Ответить
              • ExpertSC > ExpertSC | 14.10.2009 | 20:39 Ответить
                Все таки дело довели до конца и народ может посмотреть результаты
                тестовых экспериментов сверхпроводимости при комнатной температуре
                http://narod.ru/disk/7857308000/%D0%92%D1%8B%D1%81%D1%82%D1%83%D0%BF%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%20%D0%92.%D0%9B.%D0%94%D0%B5%D1%80%D1%83%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B0.wmv.html

                http://narod.ru/disk/13653652000/TeleprezciaRTSC.mpg.html
                Ответить
                • pta.sistem > ExpertSC | 31.01.2011 | 14:32 Ответить
                  "народ может посмотреть результаты тестовых экспериментов сверхпроводимости при комнатной температуре..."
                  Народ, конечно, посмотреть может. Только это не сверхпроводимость - при комнатной температуре, явления, именуемого сверхпроводимостью, быть не может.В Природе этого не допускается.
                  Все теоретические наслоения на природный процесс, лежащий в основе этого феномена, как раз и обусловлены придуманностью теории ВКШ.Которая подкреплена всего лишь заданностью математических выкладок.
                  В этом извечная ущербность Интеллекта - вспыхнуть от внезапного озарения, уверовать в него и отстаивать его всеми возможностями. И здесь уже самым универсальным и незаменимым инструментом является математика - самый мощный, самый изощренный, самый универсальный инструмент, изобретенный Интеллектом. Но вместе с тем, и самый обезличенный, обесчувственный его инструмент, индифферентный по сути и к Истине, и ко Лжи.
                  И, вполне очевидно, подходит момент развития Интеллекта, когда ему придется - уже заставляет нужда - пересмотреть свое отношение ко многим своим "установлениям", целиком базирующихся на такой индифферентной основе.
                  Ответить
                  • Вменяемый > pta.sistem | 01.03.2013 | 20:10 Ответить
                    "Уважаемые" господа. Даже не хочется комментировать. Всем в школу, за парту, а не на хорошем сайте лженаучную чушь разводить. Дожили, пруфпиком приводить "спеца по компьютерным роботонанотехнологиям" путающим сверхпроводимость с передачей энергии без проводов и изготавливающем на садовом участке "космические лестницы" подключая роботов к компам блондинок утренних воронежских телешоу. Уффф. Или у народа окончательно мозги усохли? Кирдык, слов нет.
                    Ответить
  • sventa  | 17.10.2012 | 16:43 Ответить
    Посмотрите лучше "Теоретическое объяснение явления сверхпроводимости" в статье "Сверхпроводимость" в Википедии. Там есть ссылки на новую теорию, опубликованную в реферируемом журнале.
    Ответить
  • Serguei  | 02.09.2014 | 19:58 Ответить
    Вообще-то с теорией так называемой "сверхпроводимости" все совсем не ясно. Например в одной научной работе утверждается что первооткрыватель сверхпроводимости Камерлинг-Оннес во время своих опытов перерезал кольцо находящееся в состоянии "сверхпроводимости" и все равно "сверхпроводящее" магнитное поле не исчезало и даже не менялось! То есть движение электронов здесь совершенно не при чем!

    Статья о которой я говорю называется "НЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА, А СВЕРХНАМАГНИЧИВАЕМОСТЬ МАТЕРИАЛОВ", написана Федюкиным В.К. и издана Санкт-Петербургским государственным инженерно-экономическим университетом.
    Ответить
Написать комментарий

XIX в.
1826
1900
1926
1957
Теория сверхпроводимости
1962
Заглянем внутрь ядерно-магнитного резонансного сканера, или компьютерного ЯМР-томографа, как его еще принято называть. Пациент укладывается внутрь мощного сверхпроводникового электромагнита. Благодаря изменениям в магнитном поле при его взаимодействии с тканями организма медики получают на экране образ тканей человеческого организма в разрезе

Заглянем внутрь ядерно-магнитного резонансного сканера, или компьютерного ЯМР-томографа, как его еще принято называть. Пациент укладывается внутрь мощного сверхпроводникового электромагнита. Благодаря изменениям в магнитном поле при его взаимодействии с тканями организма медики получают на экране образ тканей человеческого организма в разрезе

Элементы

© 2005-2017 «Элементы»