Сверхпроводимость: нулевое сопротивление, квантовые явления и практические применения

Когда проводник охлаждается до температур близких к абсолютному нулю — около –273 °C — он может потерять все электрическое сопротивление, а не просто малую долю. Этот резкий переход к нулевому сопротивлению, а не постепенное снижение, является признаком сверхпроводимости.

Х. Камерлинг Оннес впервые наблюдал этот эффект в 1911 году в Лейденском университете, после сжижения гелия в 1908 году. Охлаждая ртуть чуть выше точки кипения гелия, он увидел коллапс ее сопротивления до нуля.

Хотя точный механизм до сих пор обсуждается, ведущее объяснение включает упарение электронов в пары Купера, которые движутся без рассеяния. Сродственное квантовое состояние — сверхтекучесть — позволяет некоторым жидкостям, как гелию, течь без трения.

Сверхпроводники могли бы устранить потери мощности в электрических сетях, приблизить КПД двигателей к 100 % и сделать катушки индуктивности и конденсаторы идеальными, устраняя резистивные несовершенства. Прототипы устройств уже существуют, но поддержание их ниже критической температуры — практическая преграда.

Температура, при которой материал переходит в сверхпроводящее состояние, — его переходная температура (Tc). Классические сверхпроводники требуют криогенных температур, но высокотемпературные варианты теперь работают при –160 °C или выше. Цель — материалы, функционирующие при комнатной температуре или с недорогим охлаждением.

Ниже приведена краткая таблица критических температур для распространенных сверхпроводящих элементов и сплавов, выраженная в Кельвинах (1 K ≈ 1 °C). Кельвины используются для избежания отрицательных чисел.

Сверхпроводники уникально взаимодействуют с магнитными полями. В сверхпроводящем состоянии они выталкивают магнитный поток — явление, называемое эффектом Мейсснера. Однако если поле превышает критическое значение материала, сверхпроводимость теряется. Любое магнитное поле снижает критическую температуру, поэтому сверхпроводник, подверженный большим токам (которые генерируют поля), должен держаться холоднее.

Эти магнитные ограничения влияют на проектирование цепей, потому что нулевое сопротивление сверхпроводящего провода все равно накладывает предел тока, определяемый его критическим магнитным полем.

Промышленное использование ускорилось после 1987 года, когда был открыт керамический иттрий-барий-медь-кислород. Он сверхпроводит при –160 °C и может охлаждаться жидким азотом вместо жидкого гелия. Образовательные наборы теперь позволяют школьным лабораториям демонстрировать эффект Мейсснера, левитируя магнит над охлажденным диском.

Нулевое сопротивление также означает, что сверхпроводящий контур может поддерживать стойкий ток бесконечно без внешнего питания — по сути, идеальный элемент накопления энергии. Хотя это напоминает вечное движение, оно не нарушает термодинамику, потому что накапливает, а не генерирует энергию.

Еще одно интригующее применение — джозефсоновский переход, сверхпроводящий «реле», управляющий одним током другим без движущихся частей. Его крошечный размер и ультрабыстрое переключение обещают новые вычислительные архитектуры, способные конкурировать с полупроводниковыми транзисторами.

Ключевые выводы

• Сверхпроводники имеют абсолютно нулевое электрическое сопротивление.
• Все известные сверхпроводники требуют охлаждения ниже своей переходной температуры, которая варьируется по материалам.

Связанные рабочие листы

• Рабочий лист: Напряжение, ток и сопротивление
• Рабочий лист: Удельное сопротивление проводников