Eternelle (eternele) wrote,
Eternelle
eternele

Category:

Наука с человеческим лицом

Что-то давно я про науку не толкала. Про свою работу я рассказывать не могу - коммерческая тайна, но мир полон удивительных вещей. По принципу "что вижу, то пою", расскажу про суперпроводники, доклад по которым прослушала недавно. Постараюсь так, чтобы было понятно даже вашей бабушке, как завещал великий Эйнштейн.

Как мы все помним со школы закон Ома, сила тока равняется напряжению, деленному на сопротивление: I=U/R. Но этот закон работает не всегда. Сверхпроводники - это такие замечательные проводники, в которых нет сопротивления. Совсем. Электрический ток есть, напряжение есть, а сопротивления нет.

Почему это прекрасно и удивительно? Потому что там, где есть сопротивление, происходит нагревание проводов. Иногда из этого можно извлечь пользу - например, в электрических плитах используется именно тепловая энергия (Джоулево тепло). Вольфрамовые нити в лампочках раскаляются так сильно, что излучают свет. В общем же случае наличие сопротивления означает огромные потери энергии и ограничение на силу тока, протекающую в проводах. При коротком замыкании, когда сила тока достигает очень высоких значений, провода могут расплавиться и сжечь всё вокруг к чертям.        

Много лет тому назад (больше ста) было замечено, что со снижением температуры сопротивление металлов снижается, а это означает, что при том же напряжении сила тока заметно увеличивается. Но нагревания при этом не происходит. «Интересно, - подумали учёные, - что будет, если снизить температуру до абсолютного нуля по Кельвину, то есть, (-273) градуса по Цельсию?»

Техническая проблема: как достигнуть такой низкой температуры, учитывая, что на Земле минимум зафиксированной температуры - около (-90) градусов Цельсия, да и то у чёрта на куличках - в Антарктиде? Как раз где-то в то же время хитрыми механическими методами (дросселированием, но об этом в другой раз) научились сжижать гелий, чья температура кипения всего на четыре градуса выше абсолютного нуля. Если поместить металл в ванну из жидкого гелия, то он охладится до его температуры.

И обнаружилось, что в некоторых металлах при некоторой критической температуре исчезает сопротивление, то есть они превращаются в сверхпроводники! Это относится к ртути, свинцу, алюминию, но, парадоксально, не к меди и железу, сопротивление которых снижается до некоторой предельной величины, но не исчезает совсем. Примерно так (притворимся, что у меня научная статья, и поместим в неё график):



В сверхпроводниках электрический ток бегает и бегает кругами по проводам бесконечно, не распыляясь на нагревание, но это относится только к постоянному току, такому, как в батарейках. Переменный ток – как в розетке – всё-таки имеет сопротивление, пусть и очень маленькое, которое возрастает с частотой. Теоретически это могло бы служить для хранения энергии или передачи того же тока на большие расстояния без потерь, но получить и хранить жидкий гелий, необходимый для охлаждения проводника, очень сложно и дорого, провода получатся бриллиантовыми.

Как мы помним из того же школьного курса физики, при прохождении тока в проводнике вокруг него появляется магнитное поле (закон Ампера):


Чем сильнее ток, тем сильнее магнитное поле. Поэтому поначалу сверхпроводимость использовалась для создания очень мощных (и офигенно дорогих) магнитов, которые невозможно получить иным способом. Их применяют, например, в МРТ и циклотронах (тоже интересная тема, кстати).

Сверхпроводники проявили ещё одно потрясающее свойство - магнитное поле вытесняется из самого проводника и сверпхпроводник "плавает" в магнитном поле. Наверное, все видели видео с эффектом Мейснера, который иллюстрирует это необыкновенное свойство.



Долгое время считалось, что сверхпроводимость возможна только при температуре, близкой к абсолютному нулю, и интерес к ней стал падать, потому что технология настолько дорогая, что её применение очень и очень ограниченно. Под это даже подводили бесчисленные теоретические обоснования (обожаю самоуверенных учёных), пока внезапно в 1986 году Bednorz и Müller не открыли «высокотемпературные» суперпроводники, работающие при температуре на 35 градусов выше абсолютного нуля.

Около трех месяцев они держали открытие в секрете, многократно повторяя контрольные эксперименты. Более того, уже отослав в ежемесячник Zeitschrift fur Physik статью с непритязательным заголовком «Возможная высотемпературная сверхпроводимость в системе Ba-La-Cu-O», вплоть до ее выхода в свет они нигде не докладывали о своих сенсационных результатах и даже не делились ими с сотрудниками прочих исследовательских центров IBM. Причина была вполне банальной — опасение, что кто-нибудь продублирует их опыты и опередит первооткрывателей с публикацией результатов. Они и выбрали Zeitschrift fur Physik, а не более престижные и читаемые Nature, Science или Physical Review Letters лишь потому, что редактор этого журнала согласился срочно напечатать статью без предварительного рецензирования.

Как оказалось, очень правильно поступили. Потому что другой учёный - Пол Чу послал статью в маститый Physical Review Letters, но опасаясь нечистых на руку рецензентов (качество статей до публикации обычно оценивается "независимыми" учёными), "сделал ошибку" в формуле в черновом варианте. И тут же после публикации его статьи всплыло несколько исследований с "ошибочной" формулой, которая по иронии судьбы тоже давала высокотемпературный проводник, правда, менее эффективный. Был большой скандал, представьте себе, что его обвиняли в нарушении этики!

Bednorz и Müller получили за своё открытие Нобелевскую премию - редчайший случай, когда её дали за открытие на следующий год, настолько оно было важным. Напомню, это было тридцать лет назад. Очень быстро начали появляться другие сверхпроводники, критическая температура которых, наконец, превысила точку кипения жидкого азота, который получить намного легче, чем жидкий гелий, а, значит, стоит это значительно меньше. Чем меньше стоит, тем более распространено.

Это уже были не металлы, а сложный металло-оксидный сплав - то есть, керамика. И была одна огромная проблема - все эти сверхпроводники были очень хрупкими, из них невозможно сделать привычные нам провода. Поэтому сейчас больше ищут в сторону проводников, имеющих близкие к металлам свойства. Правда, даже сплавы металлов гораздо менее прочны, чем чистые металлы.

Физики любят мечтать (особенно, когда просят деньги на свои проекты). Чувак, который делал презентацию по сверхпроводникам, с сияющими глазами рассказывал, что они позволят передавать энергию на очень большие расстояния без потерь - например, чтобы связать солнечную электростанцию в Сахаре с Европой.

Уже сейчас ведутся работы над созданием магнитно-левитирующий поездов - Maglev, которые способны разгоняться до 500 км/ч. Примерно так:




До сих пор не найдено материалов, обладающих сверхпроводящими свойствами при комнатной температуре, но несколько компаний уже предлагают сверхпроводящие кабели, в которых течёт жидкий азот (нет, они мне не заплатили, но я открыта для предложений):



Вот и всё, что я хотела рассказать про суперпроводники. Хотя ещё не освещенной оказалась тема магнитных вихрей Абрикосова, но это слишком теоретически. Но если вам интересно, я расскажу. До новых встреч.
Tags: наука с человеческим лицом
Subscribe

  • Важно ли правильное название?

    До того, как я узнала, что у меня синдром Аспергера, я была просто грубым агрессивным хамлом. А теперь я аутист. Надо ли меня прощать? В голову…

  • Побочка от прививки

    У нас только недавно стали вакцинировать людей моложе 55 лет, и позавчера мы с JY сходили в центр вакцинации. Народу было много, организовано всё…

  • Выборы, выборы, кандидаты — ...

    На следующей неделе у нас выборы президента региона и свиты, и мне прислали толстенький пакет с программами кандидатов. Играли с JY в игру «Я угадаю…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 3 comments