Известно, что на проводник с током в магнитном поле действует сила. А куда приложена сила противодействия, возникающая по третьему закону Ньютона? Если, например, магнитное поле создается другим проводником с током, то на него действует равная по величине и противоположная по направлению сила (силы взаимодействия между проводниками с током определяются законом Ампера1). В нашем случае ситуация более сложная. Когда сверхпроводник находится в смешанном состоянии и по нему течет ток, то в тех областях, где имеется магнитное поле (сердцевины ви- хрей), возникают силы взаимодействия между током и полем. В результате распределение тока изменяется, но и области, в которых сосредоточено магнитное поле, не остаются неподвижными, а начинают перемещаться. Абрикосовские вихри под действием тока движутся! Сила, действующая на ток в магнитном поле, перпендикулярна ин- дукции магнитного поля и направлению проводника. Сила, действующая со стороны тока на абрикосовский вихрь, тоже перпендикулярна индукции магнитного поля и направлению тока. Если, например, в сверхпроводнике в смешанном состоянии, показанном на рис. 25.5, создать ток, протекающий слева направо, то абрикосовские вихри под действием тока начнут двигать- ся снизу вверх или сверху вниз (в зависимости от направления индукции магнитного поля). Но движение абрикосовского вихря сквозь сверхпро- водник — это перемещение нормальной, не сверхпроводящей, сердцевины. 'А. М. Ампер A775—1836) — французский физик, один из основателей классической электродинамики. 231 При таком движении возникает своеобразное трение, которое приводит к выделению тепла. Значит, при протекании тока через сверхпроводник, на- ходящийся в смешанном состоянии, все-таки появляется сопротивление, и использовать такие сверхпроводники для создания соленоидов нельзя. Рис. 25.6: Микроструктура пленки из нитрида ниобия. В чем же выход? Надо помешать вихрям двигаться, закрепив их на месте. Сделать это, оказывается, можно. Надо только «испортить» сверх- проводник, создать в нем какие-то дефекты. Дефекты обычно возникают сами по себе в результате механической или термической обработки мате- риала. На рис. 25.6, например, показана электронномикроскопическая фо- тография пленки нитрида ниобия (критическая температура которой 15 К), полученной напылением металла на стеклянную пластинку. Ясно видна зернистая (столбчатая) структура материала. Перескочить через границу зерна вихрю довольно сложно. Вот почему до определенного значения тока (его называют критическим током) вихри остаются неподвижными. Электрическое сопротивление в таком случае равно нулю. 232 Глава 25. Сверхпроводящие магниты Это явление называют пиннингом — от английского слова pinning, что в переводе на русский язык означает «пришпиливание». Благодаря пиннингу можно получать сверхпроводящие материалы с высоким значением как критического поля, так и критического тока. При этом, если значение критического поля определяется свойствами самого материала, значение критического тока (точнее, его плотности, то есть си- лы тока, приходящейся на единицу площади сечения) во многом зависит от способа приготовления, методов обработки материала. Сейчас разра- ботана технология, позволяющая получать сверхпроводящие материалы, имеющие высокие значения всех критических параметров. Например, на основе сплава ниобия с оловом можно получить материал с плотностью критического тока в сотни тысяч ампер на квадратный сантиметр, верхним критическим полем 25 Тл и критической температурой 18 К. Но это еще не все. Ведь важны и механические свойства материала — из него предстоит сделать катушку. Сам по себе сплав ниобия с оловом хрупкий, и такую проволоку изгибать нельзя. Поэтому сверхпроводящие соленоиды изготавливали следующим образом: порошок из ниобия и олова набивали в ниобиевую трубку. Затем трубку вытягивали в проволоку, на- матывали катушку и нагревали. В результате получался готовый соленоид из сплава 1ЧЬз Sn. В промышленности используются более технологичные материалы, на- пример сплав ниобия с титаном Nb Ti, который обладает достаточной пла- стичностью. На основе этого сплава создают так называемые композици- онные сверхпроводники. В бруске меди просверливают множество дыр и вводят в них стержни сверхпроводника. Затем брусок вытягивают в длинную проволоку. Про- волоку разрезают на куски и снова вводят в медный брусок. Его опять вытягивают, разрезают на куски и т. д. В результате получается кабель, содержащий до миллиона сверхпроводящих жил, из которого и наматыва- ют катушки. Важное преимущество кабелей состоит в том, что сверхпроводящий ток распределяется в них по всем жилам. Для сверхпроводника даже медь является хорошим изолятором — при параллельном соединении медно- го и сверхпроводящего проводников весь ток течет по сверхпроводнику, обладающему нулевым сопротивлением. Есть и еще одно преимущество. Представим себе, что в какой-то жиле сверхпроводимость случайно раз- рушилась. Тогда выделяется тепло, и важно отвести его, для того чтобы предотвратить переход всего кабеля в нормальное состояние. Медь, ко- торая является хорошим проводником тепла, успешно справляется с этой задачей, осуществляя термическую стабилизацию. Кроме того, медь обес- печивает хорошие механические свойства кабелей.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Что такое пиннинг?» з дисципліни «Дивовижна фізика»
