На рис. 25.1 показана схема опыта Камерлинга-Оннеса1, который был сделан в 1911 г. в Лейдене. Голландский ученый изготовил катушку из свинца, подсоединил ее к источнику э.д.с. и, поместив катушку в жидкий гелий, охладил ее до температуры кипения гелия D,2 К). При этом электри- ческое сопротивление свинца исчезло — он перешел в сверхпроводящее состояние. Затем он изменил положение ключей и замкнул катушку нако- ротко — по ней начал циркулировать незатухающий сверхпроводящий ток. battery first switch -second switch liquid He Рис. 25.1: Электрический ток может годами, не затухая, течь по сверхпроводящей цепи. Этот ток создает магнитное поле, индукция которого пропорциональна силе тока. Казалось бы, чем сильнее ток в катушке, тем большее маг- нитное поле можно получить таким образом. Результат, однако, оказался разочаровывающим: при индукции поля в несколько сотых долей Тесла 'См. стр. 198 226 Глава 25. Сверхпроводящие магниты соленоид переходил в нормальное состояние (у него появлялось сопро- тивление). Пытались делать катушки из других сверхпроводников, но и в них разрушение сверхпроводимости происходило при сравнительно малых магнитных полях. В чем же дело? Разгадку такого «неудобного» поведения сверхпроводников нашли в 1933 г. в Берлине в лаборатории В. Мейснера1. Оказалось, что сверх- проводник обладает свойством полностью вытеснять из себя магнитное поле; в его толще индукция магнитного поля равна нулю. Представим себе, что металлический цилиндр (кусок проволоки) охладили до низкой температуры и перевели в сверхпроводящее состояние. Затем включили магнитное поле с индукцией Ввнеш- По закону электромагнитной индук- ции на поверхности цилиндра появятся круговые токи (рис. 25.2), которые создадут в цилиндре магнитное поле с индукцией Вталг, равной по величине и противоположной по направлению индукции внешнего поля. Эти токи — сверхпроводящие и затухать не будут. Поэтому в толще сверхпроводника суммарная индукция равна нулю: В = ВВнеш +ВТок = 0. Линии индукции магнитного поля в сверхпроводник не проникают. Рис. 25.2: Поверхностные токи не пропускают магнитное поле внутрь сверхпроводника первого рода. Ну, а что, если изменить последовательность операций — сначала по- местить металл во внешнее магнитное поле, а затем охладить его до сверх- проводящего состояния. Казалось бы, индукция магнитного поля при этом не меняется, и нет причин для возникновения экранирующих поверхност- ных токов. Именно так и думал Мейснер, когда проверял расчеты Лауэ2, 'В. Ф. Мейснер A882—1974) — немецкий физик, специалист по физике низких темпера- тур. 2М. фон Лауэ A879—1960) — немецкий физик, специалист по квантовой физике, физике твердого тела и др. Открыл диффракцию рентгеновских лучей; лауреат Нобелевской премии 1914 г. 227 относящиеся к первому способу проведения эксперимента. Думать-то ду- мал, но все-таки решил проверить. Результат измененного эксперимента получился удивительный. Оказалось, что и в этом случае магнитное по- ле полностью вытесняется из сверхпроводника, не проникая в него. Это явление назвали эффектом Мейснера. Теперь ясно, почему магнитное поле разрушает сверхпроводимость. Ведь на возбуждение поверхностных токов тратится определенная энер- гия, В этом смысле сверхпроводящее состояние менее выгодное, чем нор- мальное состояние, когда магнитное поле проникает в металл и экрани- рующих поверхностных токов нет. Чем больше индукция внешнего поля, тем более сильный ток должен течь по поверхности, чтобы обеспечить экранировку. При некотором значении индукции магнитного поля сверх- проводимость обязательно разрушится, и металл перейдет в нормальное состояние. Поле, при котором происходит разрушение сверхпроводимо- сти, называется критическим полем сверхпроводника. Важно понимать, что для разрушения сверхпроводимости необязательно внешнее магнит- ное поле. Ток, текущий по сверхпроводнику, сам создает магнитное поле. Когда при определенном значении тока индукция этого поля достигает значения, соответствующего критическому полю, сверхпроводимость раз- рушается. Величина критического поля растет с уменьшением температуры, но даже вблизи абсолютного нуля критическое поле у чистых сверхпроводни- ков металлов невелико (см. рис. 25.3). В лучших случаях оно составляет всего десятые доли тесла. Так что, казалось бы, нечего и думать о создании сильных магнитных полей с помощью сверхпроводников. 8 Рис. 25.3: При низких температурах величина критического магнитного поля возрастает. 2 а ,всхю\т 2 4 В Т,К 228 Глава 25. Сверхпроводящие магниты Но дальнейшее исследование сверхпроводимости показало, что ситуа- ция не безвыходна. Было обнаружено, что имеется целая группа сверхпро- водников, которые и в очень сильных магнитных полях сохраняют сверх- проводимость.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Эффект Мейснера» з дисципліни «Дивовижна фізика»
