ОННЕС:
"ДАЛЬШЕ ОХЛАЖДАТЬ НЕКУДА!"
Глава из книги "Магнит за 3 тысячелетия", автор В. Карцев
Этот пожилой человек с бледным лицом и уныло торчащими
усами не производил впечатления героической личности, хотя он совершил
не один научный подвиг. Он ожижил «солнечный» газ – гелий, понизив
его температуру почти до абсолютного нуля. Он открыл фантастические
материалы – сверхпроводники. Он первым создал столь технически оснащенную
лабораторию, что она стала эталоном для грядущих лабораторий XX
века!
Его звали Гейке Камерлинг-Оннес (1853...1926). Он учился у знаменитых
Кирхгофа (правила Кирхгофа) и Бунзена (горелка Бунзена). На рубеже
XIX и XX веков ему удалось создать в Лейденском университете лабораторию
с невиданно мощными ожижителями воздуха, азота и водорода, с сильным
коллективом стеклодувов, со своим научным журналом.
Он знал, что делал. Еще в 1790 г. Ван-Марум, директор музея в Гааге,
первым в мире превратил газ аммиак в жидкость, кипящую при – 33°С!
Камерлинг-Оннес достойно отметил столетний юбилей соотечественника.
Хотя со сжижением водорода его опередил Дьюар, но последний газ
– гелий все же стал жидкостью у голландца (1908 г.: при температуре
– 268°С; Нобелевская премия 1913 г.).
Камерлинг-Оннес сжижал газы, чтобы выяснить, что же несут с собой
все более низкие температуры. С температурой было все ясно – у нее
было предельно низкое значение, а как с электрическим сопротивлением?
Оно снижалось вместе с температурой. Формула Фабри давала надежду
на получение поля примерно 100 Тл. Несколько лет труда – и сверхсильное
магнитное поле должно покориться! Какая великая желанная цель!
Но исследователи недооценивали два обстоятельства: во-первых, низких
температур достигать не так просто. Чтобы их получить, необходимо
затратить значительную энергию; во-вторых, с ростом напряженности
магнитного поля вследствие явления, называемого магнитосопротивлением,
растет и электрическое сопротивление металла, причем при низких
температурах эффект магнитосопротивления проявляется особенно сильно.
Академик П.Л. Капица в одной из своих статей представил
результаты проверки идеи, предложенной в свое время известным французским
ученым Перреном: охлаждать соленоиды жидким воздухом.
Выяснилось, что для охлаждения соленоида с магнитным полем 10 Тл,
создаваемым в области диаметром 1 см, потребуется прокачивать через
него 24 л/с жидкого воздуха. Для обеспечения работы соленоида пришлось
бы построить завод по производству жидкого воздуха.
Может быть, в результате этих обстоятельств, а может быть, и по
другим причинам, развитие низкотемпературных, но несверхпроводящих,
или, как их иногда называют, криогенных магнитов сильно задержалось.
Первой попыткой использовать низкую температуру
для снижения электрического сопротивления была постройка в 1961
г. одного из самых больших в мире соленоидов на 10 Тл, выполненного
из алюминия, охлаждаемого жидким неоном (температура кипения 27
К). Внутренний диаметр соленоида составил 30 см, длина 200 см, масса
алюминиевых обмоток 5 т. Это один из самых больших соленоидов в
мире. Он предназначался для термоядерных исследований и поэтому
на концах имел «магнитные пробки», в которых напряженность магнитного
поля достигала 20 Тл. Однако такой соленоид мог работать только
в течение 1 мин; за это короткое время весь запасенный в криостатах
жидкий неон превращался в газ.
Сделано немало попыток создать большее магнитное
поле, применив другие охлаждающие вещества (например, жидкий азот,
жидкий водород) и другие материалы обмоток (например, натрий, запрессованный
в тонкую стальную трубку). Результаты проведенных экспериментов
были многообещающими, но превзойти достигнутое пока никто не смог.
Чаще всего такие магниты питаются от собственной энергетической
установки, вырабатывающей постоянный ток мощностью несколько тысяч
киловатт. Когда этой мощности недостаточно (как это получилось с
рекордным соленоидом Кольма), на вал машин насаживают маховик. Накопив
в нем достаточную энергию, можно, как это было сделано П.Л. Капицей,
в течение короткого времени снимать с генераторов мощность, превышающую
номинальную в несколько раз.
В настоящее время генераторы, предназначенные для кратковременного
питания крупных электромагнитов, могут иметь массу роторов до нескольких
сотен тонн.
В Королевском радарном центре Великобритании источником
питания соленоидов служили мощные аккумуляторные батареи, снятые
с подводной лодки.
В поисках новых путей Кольм разработал конструкцию соленоида, названного
им гидромагнитом. Соленоид состоит из соосных труб, между которыми
в радиальном направлении поступает какая-нибудь хорошо проводящая
электричество жидкость, например жидкий натрий или жидкое серебро.
Обе трубы помещены в небольшое магнитное поле. Поступающая жидкость
пересекает силовые линии поля, и в ней наводится электродвижущая
сила (ЭДС), под действием которой в жидкости начинает течь электрический
ток, совпадающий по направлению с током, создающим поле возбуждения.
Таким образом, сама жидкость становится обмоткой соленоида. Магнитное
поле, которое можно получить с помощью этой «обмотки», зависит от
скорости перемещения жидкости, ее электропроводности и значения
поля возбуждения. Кольм рассчитал, что в гидромагните, наполненном
расплавленным серебром, при температуре 1000°С в магнитном поле
6 Тл при расходуемой мощности 70 тыс. кВт и скорости поступления
серебра 200 л/с можно получить магнитное поле 40 Тл.
Однако, если отвлечься от прочих трудностей, достижение столь грандиозных
полей приводит к тому, что материалы обмотки под действием давления
магнитного поля начинают течь. В соленоиде Кольма на 25 Тл давление,
как уже говорилось, в 3 раза превышает давление на дне глубочайшей
океанской впадины. А давление растет пропорционально квадрату напряженности
поля. При увеличении напряженности поля чуть больше чем в 3 раза
давление возрастает в 10 раз.
При поле напряженностью 100 Тл магнитные усилия эквивалентны тем,
которые развиваются в жерле пушки при выстреле. Держать такое поле
– это все равно, что задержать взорвавшийся в казенной части пушки
снаряд таким образом, чтобы и снаряд не вылетел, и пушка не разорвалась.
А обязательно ли рост напряженности поля связан с ростом давления?
Электромагнитная сила может быть рассчитана как векторное произведение
плотности тока в обмотке на индукцию магнитного поля (это та же
самая лоренцева сила, которая отклоняет частицы в ускорителях).
Разработана конфигурация обмоток и соленоидов, в которых почти полностью
отсутствуют усилия. Такие обмотки и соленоиды называют бессиловыми.
Недавно была построена крупная бессиловая система для исследования
термоядерных реакций, работающая на несколько ином принципе: в ней
усилия с обмоток соленоида переносятся на массивную стальную несущую
конструкцию.
При изучении вопроса о возможности создания бессиловых обмоток советские
и американские ученые пришли к выводу, что эта проблема совсем не
безнадежна.
Рассмотрим, например, обмотку, выполненную в виде длинной спирали
с большим шагом. Такая обмотка создает два поля (поле, конечно,
одно, но для удобства его часто раскладывают на осевую и радиальную
составляющие, которые дают в сумме действительное поле): суммарное
поле, направленное вдоль оси (осевое), и поле, окружающее каждую
проволочку в отдельности (кольцевое). Осевое поле обмотки стремится
разорвать ее; поле, окружающее обмотку, стремится ее сжать. Таким
образом, усилия, направленные в разные стороны, взаимно уничтожаются.
Более приемлемой, возможно, окажется другая обмотка. Ее можно выполнить
из нескольких слоев, причем обмотка во внутреннем слое почти параллельна
оси, а во внешнем – почти перпендикулярна к ней. В такой обмотке
переход от осевого поля к кольцевому осуществляется постепенно,
и усилия сжатия распространяются равномерно на все слои. Эта система
– прообраз мощных систем будущего, в которых магнитные поля колоссальной
напряженности будут сочетаться с изяществом и ажурностью конструкции.
Логическим развитием тенденции охлаждения соленоидов стал уход в
зону предельно низких температур. У Биттера охлаждение витков водой
позволяло повысить пропускаемые по ним токи, ни о какой экономии
энергии речи не было, ибо потери росли быстрее, чем ток. При низких
температурах снижалось сопротивление проводников и вместе с ним
выделение тепла током. Наконец, произошло невероятное событие –
почти у абсолютного нуля (–273°С) электропроводность некоторых металлов
росла до бесконечности! «Виновником» оказался Генке Камерлинг-Оннес.
В жизни Камерлинг-Оннеса ничто, казалось, не предвещало мировой
славы. Известный ученый, опубликовавший в специальной литературе
многочисленные работы по радиоактивности, термодинамике и сжижению
газа, обладающий скорее инженерным складом ума, чем аналитическим.
Но в 1911 г. одним весенним утром он вошел в лабораторию обычным
заведующим кафедрой, а вышел первооткрывателем сверхпроводимости.
Один день принес ему бессмертие. Вот как это произошло.
До того было неясно, как должно изменяться электрическое сопротивление
металлов при снижении их температуры.
Ученые придерживались трех различных точек зрения:
Из классической теории электромагнетизма известно,
что сопротивление проводника падает с уменьшением температуры. Объяснить
это явление можно довольно просто. Электрический ток – это поток
свободных электронов, проходящих сквозь кристаллическую решетку
металла. При высоких температурах вследствие теплового колебания
атомов кристаллической решетки вероятность столкновения электронов
с решеткой велика. Это препятствует движению электронов и создает
сопротивление току. При низких температурах, когда амплитуда колебаний
атомов в решетке уменьшается, вероятность столкновения электронов
с решеткой становится меньше и ток встречает, таким образом, меньшее
сопротивление. При абсолютном нуле, когда решетка уже неподвижна,
сопротивление проводника равно нулю.
Сопротивление току сохранится и при абсолютном нуле, поскольку и
тогда некоторые электроны будут сталкиваться с решеткой, тем более
что кристаллические решетки, как правило, не являются идеальными
– в них всегда есть дефекты и включения примесей.
Сопротивления металлов при приближении температуры к абсолютному
нулю должны возрастать, так как в силу конденсации электронов на
решетке (грубая аналогия – образование капелек воды на холодной
ложке, поднесенной к горячему чаю) их число при охлаждении непрерывно
снижается, вследствие чего электропроводность (определяемая числом
свободных электронов) уменьшается (электропроводность – величина,
обратная удельному сопротивлению).
Действительно, трудно представить себе еще какой-нибудь вариант.
Но... Весной 1911 г. Камерлинг-Оннес заморозил ртуть в сосуде Дьюара,
содержащем жидкий гелий. Затем он пропустил через ртуть ток и наблюдал
за стрелками измерительных приборов, показывающих сопротивление,
которое, как и следовало ожидать, постепенно снижалось по мере падения
температуры. Такое соотношение между сопротивлением и температурой
сохранялось до тех пор, пока температура не снизилась до 4,12 К.
Внезапно электрическое сопротивление ртути исчезло; не осталось
даже сопротивления, обусловленного столкновениями электронов с дефектами
и примесями решетки.
Камерлинг-Оннес повторил эксперимент. Он взял очень
загрязненную ртуть, у которой остаточное сопротивление, вызываемое
примесями, должно быть очень явно выражено. Однако вблизи той же
температуры (4,12 К) сопротивление ртути почти также внезапно исчезло.
Как увеличить сопротивление столбика ртути, довести его до того
значения, которое было бы зарегистрировано приборами? Очевидно,
нужно увеличить длину столбика и уменьшить его сечение. Камерлинг-Оннес
изготовил столбик ртути толщиной менее человеческого волоса и длиной
20 см. Измерив теперь сопротивление, он поразился: стрелки приборов
не сдвинулись с места. Нуль.
Камерлинг-Оннес готовил еще один эксперимент с еще большей точностью
измерений. Из ртути ученый изготовляет кольцо и подвешивает его
горизонтально на тонкой нити. Если в таком кольце навести ток, выключив,
например, находящийся поблизости электромагнит, нить закрутится
на некоторый угол. Этот угол можно измерить с большой точностью,
укрепив на нити зеркальце и прослеживая положение «зайчика». Если
в кольце существует какое-нибудь сопротивление, ток в кольце будет
постепенно затухать. Это приведет к ослаблению закручивания нити,
и «зайчик» переместится. Камерлинг-Оннес проделывает этот опыт.
«Зайчик» не трогается с места.
Это могло означать только одно – равенство нулю электрического сопротивления
кольца, т.е. сверхпроводимость ртути при температуре, близкой к
абсолютному нулю.
Камерлинг-Оннес понимал всю ответственность, которая ляжет на него,
когда он объявит, что сопротивление было равно нулю, и много раз
повторял измерения, все время повышая их точность. Опять нуль! Открыта
сверхпроводимость!
Понадобилось, однако, более полувека для того, чтобы
сверхпроводимость перестала быть исключительно лабораторным курьезом.
Наиболее известное и, видимо, ценное свойство сверхпроводников –
отсутствие электрического сопротивления постоянному току.
Результаты прямых измерений говорят о том, что оно меньше сопротивления
металлов при нормальной температуре по крайней мере в 1023 раз.
Иногда спрашивают: «Неужели сопротивление сверхпроводников равно
нулю? Может быть, оно просто очень мало, и мы не замечаем его лишь
потому, что не обладаем совершенной измерительной техникой?»
Разрешить этот вопрос попытался американский ученый
Коллинс. В марте 1954 г. он возбудил ток в сверхпроводящем свинцовом
кольце и наблюдал за значением этого тока. Если сопротивление, хотя
бы ничтожное, есть, то ток все время будет уменьшаться, «затухать».
Например, для уменьшения тока в серебряном кольце практически до
нуля требуется всего лишь несколько десятых долей секунды. Как же
затухал ток в кольце Коллинса? Измерения, произведенные в сентябре
1956 г., показали, что в кольце Коллинса ток абсолютно не изменился,
впоследствии этот же опыт проводился в течение 10 лет. Расчет показал,
что ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи, уменьшится на значение,
которое можно зафиксировать, за время, не меньшее 100 тыс. лет.
Однако при исследовании затухания магнитного кольца внутри ниобий-циркониевой
трубки (25% циркония) было найдено, что поток все-таки затухает.
Это затухание происходит по логарифмическому закону – за первую
секунду поток снижается на 1%, за следующие 10 с – еще на 1% и т.д.
Полное затухание потока в этой.трубке, т.е. снижение его до значения,
которое уже нельзя измерить современными приборами, займет 1092
лет. Это время в миллиарды миллиардов раз превышает время существования
нашей Галактики. К результатам таких экспериментов следует, однако,
подходить с осторожностью. Известно, что всякое кольцо, создающее
магнитное поле, испытывает силы, стремящиеся увеличить кольцо в
размерах, попросту разорвать его. Увеличение диаметра кольца хотя
бы на одну миллионную часть сразу же выразится в снижении поля,
которое можно приписать наличию в сверхпроводнике электрического
сопротивления.
Если первое основное свойство сверхпроводников – отсутствие сопротивления
– было открыто в 1911 г., то второе важнейшее свойство – лишь спустя
22 года. В 1933 г. немецкие физики Мейснер и Оксенфельд обнаружили,
что сверхпроводники – идеальные диамагнетики. Что это означает?
Мы постоянно находимся в магнитном поле Земли. Силовыми
линиями этого поля пронизываются все предметы и существа на Земле.
Если на пути силовых линий попадается какой-нибудь ферромагнетик,
например, кусок железа, то в этом куске магнитные линии как бы сгущаются.
Если же на пути силовой линии встретится диамагнетик, в нем, наоборот,
создается разрежение, вакуум силовых линий. В сверхпроводник магнитные
силовые линии вообще не проникают. Другими словами, сверхпроводник
– абсолютный диамагнетик. Внутренняя область сверхпроводника идеально
экранирована от внешних магнитных полей токами, протекающими в тонком
поверхностном слое сверхпроводника. В этот слой проникает и магнитное
поле, вследствие чего его глубину называют глубиной проникновения
и обозначают буквой K. Диамагнетизмом сверхпроводников можно воспользоваться,
например, для того, чтобы придать силовым линиям магнитного поля
заданную конфигурацию. Поле будет обходить сверхпроводник, а силовые
линии принимать очертания, повторяющие контур сверхпроводника.
Сверхпроводник существенно отличается от идеального проводника с
сопротивлением, равным нулю. В идеальный проводник поле может проникать.
Наоборот, никакими способами нельзя заставить магнитное поле проникнуть
внутрь сверхпроводника!
Впрочем, один способ есть: при достижении магнитным полем в какой-либо
точке сверхпроводника значения, превышающего некоторое критическое
значение, сверхпроводник в этой точке выходит из сверхпроводящего
состояния. Критические магнитные поля чистых металлов малы: они
не превышают сотых долей тесла.
Ток, протекающий по сверхпроводнику, при превышении им критического
значения или критической плотности также может вызывать потерю сверхпроводимости.
Значение этого тока в чистых сверхпроводниках связано с критическим
магнитным полем так называемым правилом Сильсби: сверхпроводимость
уничтожается таким током в проводнике, который создает на поверхности
сверхпроводника поле, равное критическому. Значение поля на поверхности
проводника можно установить, пользуясь законом полного тока.
У каждого сверхпроводника есть также своя критическая температура,
т.е. температура, выше которой он скачком теряет сверхпроводящие
свойства. Эта температура весьма мала.
На критическую температуру влияют, хотя и слабо, механические напряжения
в образце. Как правило (однако, не всегда), увеличение механических
напряжений в образце влечет за собой повышение критической температуры.
Это можно установить лишь с помощью весьма чувствительных методов.
Аналогичная зависимость существует между механическим напряжением
и критическим магнитным полем. Было показано, в частности, что критическое
поле образца олова при 2 К, составляющее 0,021 Тл, повысилось до
1,5 Тл, после того как в олове были искусственно созданы механические
напряжения.
Уменьшение размеров испытуемого образца примерно до 1 мкм существенно
изменяет свойства сверхпроводника. Такой образец уже не будет диамагнитным,
а его критическое поле и ток сильно возрастут.
Уменьшая толщину образца, можно увеличить его критическое поле в
несколько сот раз. У сверхпроводящей свинцовой пленки толщиной 20
А критическое поле равно 40 Тл. Плотность критического тока в тонких
сверхпроводящих пленках также сильно возрастает.
В слоях толщиной около 100 А плотность тока достигает 107...108
А/см2.
При увеличении частоты магнитного поля или тока сверхпроводник постепенно
начинает приобретать сопротивление. Однако при частоте вплоть до
107 Гц оно еще практически равно нулю.
Как показал американский ученый Купер, электроны
в сверхпроводящем состоянии образуют пары. Образование этих пар
становится возможным, когда взаимодействие электронов проводимости,
имеющих антипараллельные спины (грубо говоря, вращающиеся в разные
стороны), с решеткой приводит к возникновению между ними сил притяжения,
преодолевающих силы электрического отталкивания.
На основании предположения Купера были разработаны теория сверхпроводимости
БКШ, названная по фамилиям авторов Дж. Бардина, Купера, Шриффера,
и теория Н.Н. Боголюбова.
На разрыв куперовских пар требуется затратить некоторую энергию.
В результате этого энергия сверхпроводящих электронов на некоторое
значение меньше энергии нормальных электронов. Эту разницу называют
энергетической щелью. Это так называемый фотонный механизм образования
куперовских пар. Расчеты показывают, что такой механизм может обеспечить
сверхпроводимость при температурах, ни в коем случае не превышающих
50 К. Конечно, даже эта температура не очень удобна для работы,
но ее достичь пока не удалось. Рекорд перехода в сверхпроводящее
состояние у сплава ниобия с германием (24 К) продержался почти 10
лет.
А не может ли существовать иных механизмов, приводящих к образованию
электронных пар? В 1964 г. американец В. Литтл предположил существование
механизма, при котором электроны могли бы взаимодействовать, индуцируя
электрический заряд на длинных органических молекулах, В то же время
академик В.А. Гинзбург теоретически открыл еще один так называемый
экситонный механизм образования куперовских пар. Эти теории предсказывали,
что сверхпроводимость может существовать даже при комнатных температурах,
т.е. при 300 К.
Физики-экспериментаторы не покидали лабораторий, лихорадочно исследуя
«подозрительные» материалы – органические полимеры и слоистые структуры
металл – проводник. Им сопутствовала удача – были открыты новые
сверхпроводники, но... температура их перехода оказалась небольшой.
Гораздо ниже уже достигнутых 24 К.
Полна драматизма история научных открытий! Увлекшись
органическими полимерами и слоистыми структурами, ученые-экспериментаторы
оказались недостаточно внимательными к другим веществам, в частности
к керамикам. В 1979 г. исследователи Института общей и неорганической
химии АН СССР имени Н.С. Курнакова И.С. Матьггин, Б.Г. Кохан и В.Б.
Лазарев получили новую лантан-стронциевую и лантан-бариевую керамику.
Керамика оказалась примечательной – она проводила ток, как обычный
металл. Электросопротивление керамики, как и полагалось, снижалось
с понижением температуры. Исследователи довели испытание до температуры
жидкого азота (77 К) и остановились... Они никак не ожидали того,
что эта керамика... если понизить ее температуру еще до 40 градусов...
превратилась бы в удивительный высокотемпературный сверхпроводник,
который так давно искали! Но не там...
И вот, в апреле 1986 г. ученые Цюрихского филиала фирмы ИБМ в Швейцарии
Дж. Беднорц и А. Мюллер, исследуя по существу ту же керамику, что
и наши химики, но при, более низких температурах, обнаружили в ней
сверхпроводимость при 30 К! Так был побит рекорд, продержавшийся
почти 10 лет!
Однако и это важнейшее достижение не было замечено – в январском
1987 г. номере журнала «Физике тудей», где зарегистрированы все
крупнейшие достижения физики 1986 г., об этом открытии не сказано
ни слова!
Настоящий бум начался в начале 1987 г. Из лабораторий США, КНР,
СССР с лихорадочной скоростью стали поступать новые и новые сверхсенсационные
сообщения. Температура сверхпроводящего перехода росла буквально
на глазах! 35... 40... 92 К. Это уже выше температуры кипения жидкого
азота. Рекордная температура достигнута одновременно учеными СССР
и США. Заведующий лабораторией сверхпроводимости Физического института
АН СССР имени П.Н. Лебедева А.И. Головашкин 11 марта 1987 г. на
общемосковском семинаре физиков, проводящимся в ФИАНе под руководством
В.Л. Гинзбурга, сообщил, что ему и его сотрудникам на одном из образцов
керамики удалось получить температуру сверхпроводящего перехода
102 К. Перейден рубеж, еще полгода назад казавшийся немыслимым!
Впервые обнаружен нефотонный механизм образования куперовских пар,
предсказанный четверть века назад. Ученые штурмуют «комнатные температуры»
– около 0°С. Может быть, когда эта книга выйдет в свет, «комнатные»
сверхпроводники станут реальностью!
Чистые сверхпроводники (за исключением ниобия) относят к сверхпроводникам
1-го рода (группы). Большинство сверхпроводников, а их уже открыто
более тысячи, относят к сверхпроводникам 2-го рода. Термин «сверхпроводники
2-го рода» введен в 1952 г. советским ученым А.А. Абрикосовым, развившим
теорию сверхпроводимости Гинзбурга – Ландау. Термин оказался необходим
для определения сверхпроводников с отрицательной поверхностной энергией,
в отличие от сверхпроводников 1-го рода, у которых поверхностная
энергия на границе сверхпроводящей и нормальной фаз положительна.
Отрицательная поверхностная энергия может иметь место, если так
называемый параметр Гинзбурга – Ландау больше 1/v2.
В 1961 г., встретившись со студентами, прославленный академик Л.Д.
Ландау рассказал о себе. Родился он в Баку. В школе учился посредственно,
зато любил математику, в 12 лет научился дифференцировать, в 13
– интегрировать.
В Бакинском университете он учился одновременно на двух факультетах
физики и химии, но, когда в 1924 г. перевелся в Ленинград, отдал
предпочтение физике. Заниматься наукой и печататься в специальных
журналах начал еще студентом, после аспирантуры Ленинградского физтеха
полтора года стажировался в Германии, Швейцарии, Дании, Англии,
где его поразили скромность, доступность, приветливость таких признанных
светил европейской науки, как В. Паули, В. Гейзенберг. М. Дирак,
Н. Бор, А. Эйнштейн. Потом работал в Ленинграде, Харькове, Москве.
Л.Д. Ландау был поистине человеком необычным. Талантливый, работоспособный,
мыслящий оригинально, он славился невероятным стремлением оспаривать
все устоявшееся. Так, он считал, или, по крайней мере, писал, что
Татьяна Ларина «в целом была довольно занудной особой», что замысел
«Героя нашего времени» мог бы разъяснить один лишь Лермонтов и т.п.
Будучи в 30-х годах в заграничной командировке, он поразил одного
своего приятеля и соавтора взглядами на брак. Тот впоследствии вспоминал:
«Ландау нравилось делать заявления, шокирующие представителей буржуазного
общества. Когда мы были вместе с ним в Копенгагене, я женился. Он
одобрил мой выбор (и играл в теннис с моей женой). Однажды он спросил
нас, как долго мы собираемся быть вместе. Когда я ответил, что,
конечно же, весьма долгое время и что у нас нет никаких намерений
расторгнуть брак, он разволновался и сказал, что только капиталистическое
общество может заставить своих членов испортить саму по себе неплохую
вещь, чрезмерно продляя ее таким способом».
В 1937 г., поссорившись с директором Ленинградского физико-технического
института (ЛФТИ) А.Ф. Иоффе и руководством Харьковского университета,
где он работал после ЛФТИ, Л.Д. Ландау появляется в Москве. П.Л.
Капица приглашает его в Институт физических проблем, и Ландау немедленно
соглашается.
Он сразу же начинает активнейшую деятельность в новых малоразработанных
и важных направлениях – в теории фазовых переходов, статистической
теории атомных ядер, каскадной теории электронных ливней... Основное
внимание его занимает загадка непонятного явления, открытого П.Л.
Капицей, – сверхтекучести.
Ландау предположил, что жидкий гелий представляет собой некоторый
конгломерат из двух жидкостей, находящихся в различных квантовых
состояниях. Этим он и объяснял одновременные встречные движения
жидкого гелия.
Вокруг талантливого физика довольно быстро сформировалось окружение,
«школа Ландау». Попасть туда было нелегко, «теорминимум» включал
десять дисциплин, за 28 лет всего 43 человека сдали эти экзамены
целиком. Рекорд (два с половиной месяца) остался за Померанчуком,
обычно у соискателей на подготовку и сдачу экзаменов уходило до
трех лет.
На теоретических семинарах можно было говорить о любой проблеме
теоретической физики. Со времени стажировки в Копенгагене у Н. Бора
Ландау вместе с тогдашними коллегами В. Вайскопфом и Р. Пайерлсом
взяли за правило не придерживаться узких специализаций, чтобы всегда
видеть физику целиком. Атмосфера обсуждений была предельно демократичной,
можно было резко критиковать взгляды другого при условии, что критика
шла на пользу обсуждаемому предмету. Неслучайно, что эта творческая
атмосфера способствовала созданию знаменитого «Курса теоретической
физики», разросшегося впоследствии до десяти томов и выполняющего
функции камертона советской науки.
Курс стал издаваться с 1938 г.; авторами выступили тогда Ландау
и его друг Евгений Михайлович Лифшиц. Без Лифшица курс никогда бы
не увидел света. Гений Ландау имел одну особенность – он писал с
колоссальным трудом даже письма. Лифшиц говорил об этом:
«Ему было нелегко написать даже статью с изложением собственной
(без соавторов!) научной работы, и все такие статьи в течение многих
лет писались для него другими. Непреодолимое стремление к лаконичности
и четкости выражений заставляло его так долго подбирать каждую фразу,
что в результате труд написания чего угодно – будь то научная статья
или личное письмо – становился мучительным».
Все книги Ландау написаны в соавторстве с Е.М. Лифшицем, А.С. Ахиезером,
А.И. Китайгородским, Ю.Б. Румером, А.Я. Смородинским; это же относится
и к большинству его статей. Если отвлечься от соавторства с Р. Пайерлсом,
Э. Теллером и другими крупными зарубежными физиками, основной массив
совместных работ Ландау падает на сотрудничество с его многочисленными
учениками (А.А. Абрикосов, Е.М. Лифшиц, И.А. Померанчук, И.М. Халатников
и др.).
Жизнь и творчество Ландау неотделимы от жизни и творчества его учеников.
Ландау выработал, как говорит академик Капица, «крайне своеобразный
процесс исследования, основная особенность которого заложена в том
обстоятельстве, что трудно отделить собственную работу Ландау от
работы его студентов. Трудно представить, как он мог бы успешно
работать в столь различных областях физики без своих студентов».
В школе Ландау были глубоко восприняты и развиты традиции научного
общения, бережно пестовавшиеся в лучших европейских физических школах
(в кавендишской у Дж. Томсона и Э. Резерфорда, в копенгагенской
у Н. Бора). Достаточно сказать, что научное общение Ландау было
настолько интенсивным, что он мог бы не читать физических книг и
журналов, черпая информацию у студентов и коллег на своих бурных
семинарах.
Касаясь взаимоотношений со своими соавторами и учениками, Ландау
как-то сказал со свойственной ему, образностью: «Некоторые говорят,
что я граблю своих учеников. Некоторые – что ученики грабят меня.
Правильнее было бы сказать, что у нас происходит взаимный грабеж».
Преданность и любовь физиков к Ландау особенно ярко проявились в
1962 г., когда Ландау тяжело пострадал в автомобильной катастрофе.
Шесть лет ученики, друзья, коллеги ежедневно боролись за жизнь ученого,
но вернуть его в строй не удалось. В больнице посол Швеции вручил
Ландау Нобелевскую премию.
Ландау, по его собственным словам, прожил свою жизнь счастливо,
все ему удавалось, он сделал все, на что был способен.
Он трезво и скромно оценивал свои успехи в науке. Известна его логарифмическая
шкала ценностей – научных заслуг отдельных ученых, состоящая из
пяти классов, причем представители каждого последующего класса сделали,
по мнению Ландау, в десять раз меньше предыдущего.
К первому классу он причислял Ньютона, Френкеля, Клаузиуса, Максвелла,
Больцмана, Гиббса, Лоренца и Планка, Бора, Гейзенберга, Шредингера,
Дирака и Ферми. Эйнштейн принадлежал к «половинному классу». Себя
Ландау относил к «двухполовинному классу», но однажды, после какой-то
особо удачной работы он перевел себя во второй класс.
Ландау первым пролил свет на природу сверхпроводимости. В 1950 г.
он и считающий себя его учеником В.Л. Гинзбург (ныне академик) опубликовали
обобщенную феноменологическую теорию сверхпроводимости, являющуюся
по существу следствием идеи об одновременном существовании двух
электронных жидкостей.
Ландау первым сопоставил два «странных» явления, сверхпроводимость
и сверхтекучесть – течение жидкого гелия II без трения через узкие
капилляры, и предположил, что они родственны. Сверхпроводимость
– это сверхтекучесть весьма своеобразной жидкости – электронной.
Эта идея Ландау оказалась в высшей степени плодотворной, на ее основе
построено большинство теорий сверхпроводимости.
Следующий шаг был сделан одновременно советским
физиком академиком Н.Н. Боголюбовым и американскими физиками Д.
Бардиным, Л. Купером и Дж. Шриффером. Теория, разработанная ими,
сводится, грубо говоря, к предположению о том, что сверхпроводящие
электроны в отличие от обычных объединены в пары, тесно связанные
между собой. Разорвать пару и разобщить электроны чрезвычайно трудно.
Такие мощные связи позволяют электронам двигаться в материале, помогая
друг другу и не встречая электрического сопротивления.
Ярким достижением в разработке теории сверхпроводимости
являются работы ученика Л.Д. Ландау члена-корреспондента АН СССР
А.А. Абрикосова. Он, детально рассмотрев один из «малоинтересных»
частных случаев уравнения Гинзбурга – Ландау, теоретически подтвердил
давнюю догадку Шубникова о преимуществах сверхпроводящих сплавов
перед сверхпроводящими металлами. За разработку этой теории ее авторы
удостоены Ленинской премии, а теория получила мировое признание.
Когда основные положения ее были доложены Абрикосовым на Международной
конференции по низким температурам в Москве, в зале долго не смолкали
аплодисменты.
Итак, теория разработана, она утверждает, что в металлургических
лабораториях со дня на день должны появиться сплавы с предсказанными
физиками чудесными свойствами...
И вот в 1961 г. американский физик Дж. Кунцлер,
исследуя сплав ниобия с оловом, обнаруживает совершенно фантастические
сверхпроводящие свойства этого соединения. Оказалось, что даже самое
сильное магнитное поле 8,8 Тл, имевшееся тогда в Соединенных Штатах,
не в силах разрушить сверхпроводимость сплава. (В 1961 г. в США
крупнейший исследовательский электромагнит давал поле 8,8 Тл; именно
в его поле и проводились испытания нового сверхпроводника. Поле
магнита, как видно из статьи Кунцлера, оказалось недостаточным,
чтобы «выключить» сверхпроводимость.) Вскоре в Институте физических
проблем под руководством члена-корреспондента АН СССР Н.Е. Алексеевского
было обнаружено несколько других сверхпроводящих соединений и сплавов,
обладающих удивительными свойствами...
Путь к сверхпроводящим магнитам, сверхпроводящим техническим устройствам
был открыт...
Уже через несколько лет были созданы магниты, о которых Камерлинг-Оннес
мог только мечтать: сверхпроводящие, легкие, дешевые, небольшие
по габаритам, с полем сначала 10, 12, а потом и 25 Тл. Они созданы
в Институте атомной энергии имени И.В. Курчатова, в Институте теоретической
и экспериментальной физики.
Сверхпроводники, имеющие параметры Гинзбурга – Ландау
более 1/v2, – это в основном различные сверхпроводящие сплавы. Из
теории ГЛАГ (В.Л. Гинзбург – Л.Д. Ландау – А.А. Абрикосов – Л.П.
Горьков) следует, что критические поля и температуры сверхпроводников
2-го рода должны быть очень высокими. Открытие Кунцлером сверхпроводимости
у Nb3Sn блестяще подтвердило этот вывод. Как выяснилось позже, критические
поля многих сплавов (таких, например, как Nb3Ge, V3Ga и др.) превышают
20...25 Тл. Эти сверхпроводники обладают по сравнению со сверхпроводниками
1-го рода более высокими критическими полями и температурами. Возможно,
что в скором времени будут открыты сверхпроводники с еще лучшими
сверхпроводящими свойствами. Так, пределом критической температуры
считают 40 К (достигнуты температуры, превышающие 20 К). Это ограничение
относится к известному типу сверхпроводимости, при котором образование
электронной пары, способной двигаться через решетку без трения,
обусловливается полем колебаний решетки. В этом поле один электрон
испускает квант колебания, а другой поглощает его, вследствие чего
потерь энергии не происходит и электрическое сопротивление отсутствует.
Если же механизм сверхпроводимости иной, то возможно получение более
высоких критических температур. Так, в печати обсуждалась возможность
сверхпроводимости в линейных полимерах вплоть до критической температуры
1000 К.
Свойства сверхпроводников 1-го и 2-го рода значительно различаются:
например, переход в сверхпроводящее состояние у сверхпроводников
2-го рода происходит очень плавно, в широком диапазоне значений
магнитного поля.
Поскольку сверхпроводники 2-рода проницаемы для магнитных полей
и обладают при наличии неоднородности состава гистерезисом, питание
их переменным током или помещение их в переменное магнитное поле
вызывает потери энергии. Показано, что эти потери при частоте 50
Гц для ниобий-циркониевого (25% циркония) сплава составляют 0,3
кВт, если по сверхпроводнику длиной 1 м проходит ток 10 кА. Эти
потери можно значительно снизить, если уменьшить размеры сверхпроводника,
например, разделив его на тонкие нити или впрессовав в пористый
материал.
Такие «синтетические» сверхпроводники обладают по крайней мере двумя
преимуществами: во-первых, при уменьшении размеров сверхпроводника
улучшаются его сверхпроводящие свойства; во-вторых, снижаются потери
на вихревые токи в несверхпроводящих областях синтетического сверхпроводника...
Если вспомнить Камерлинг-Оннеса, то, будучи скорее инженером, чем
чистым физиком, он уже в 1913 г. решил построить сверхпроводящий
электромагнит на 10 Тл, не потребляющий энергии. Поскольку, рассуждал
Камерлинг-Оннес, сопротивление сверхпроводника равно нулю, ток в
сверхпроводящем кольце будет циркулировать вечно, не затухая. Всякий
ток, как известно, создает магнитное поле. Так почему бы не сделать
из сверхпроводящей проволоки мощный электромагнит, не нуждающийся
в питании энергией? Это было бы революцией в электротехнике, и человечество
сэкономило бы миллионы киловатт электроэнергии, растрачиваемой понапрасну
не только в обмотках магнитов, но и в обмотках электрических машин
и трансформаторов. Наконец, можно было бы передавать электроэнергию
по сверхпроводящим линиям передачи без потерь.
К сожалению, мечте Камерлинг-Оннеса о сверхпроводящем соленоиде
на 10 Тл не суждено было сбыться по крайней мере при его жизни.
Как только Камерлинг-Оннес пробовал пропускать по сверхпроводнику
значительный ток, сверхпроводимость исчезала. Вскоре оказалось,
что и слабое магнитное поле (индукция самое большее в несколько
сотых долей тесла) также уничтожает сверхпроводимость. Поскольку
такие слабые поля можно было гораздо проще получить с помощью постоянных
магнитов, реализацией идеи создания сверхпроводящих магнитов никто
тогда серьезно не занялся. Это довольно грустное открытие сделало
с того времени разговоры о сверхпроводящих магнитах беспредметными.
Надежды на постройку мощных сверхпроводящих магнитов
возродились почти через двадцать лет, в начале 30-х годов, когда
голландские физики Де Гааз и Вуугд, преемники Камерлинг-Оннеса по
Лейденской лаборатории (Камерлинг-Оннес умер в 1926 г., так и не
дожив до начала практического использования своего открытия), установили,
что сплав свинца с висмутом остается сверхпроводящим в магнитных
полях, превышающих 1,5 Тл. Это открытие давало возможность строить
сверхпроводящие магниты по крайней мере с таким полем. Однако эти
магниты так никто и не построил. Известный физик Кеезом, бывший
в то время директором Лейденской лаборатории, объявил, что максимальные
токи, которые при наличии магнитного поля выключают сверхпроводимость
в сплаве свинца с висмутом, ничтожно малы. Приговор был вынесен.
В истории сверхпроводящих магнитов произошло, быть может, самое
драматическое событие. Впоследствии оказалось, что Кеезом сделал
то, чего не имел права делать: он экстраполировал данные, полученные
им в слабых полях, на область сильных полей. К несчастью, Кеезом
был слишком авторитетен. Едва узнав о его результатах, физики оставили
надежду построить сверхпроводящий магнит и занялись другими проблемами.
Между тем в настоящее время известно, что критический ток для сплава
свинец-висмут в полях до 2 Тл достаточно высок для того, чтобы создать
довольно мощные сверхпроводящие магниты. Авторитет Кеезома стоил
физике очень дорого: постройка сверхпроводящих магнитов была отложена
почти на 30 лет.
Лишь после того, как в 1961 г. Кунцлер и его сотрудники объявили,
что кусочек проволоки из сплава ниобия с оловом (Nb3Sn) оставался
сверхпроводящим в поле 8,8 Тл, даже в том случае, когда одновременно
по этой проволоке пропускали ток плотностью 1000 А/мм2, началась
новая эра в истории сверхпроводимости.
Свойства вновь открытых сверхпроводников делали реальными планы
их использования в технике. Сверхпроводимость начала как бы вторую
жизнь, но теперь уже не в качестве любопытного лабораторного феномена,
а как явление, открывающее перед инженерной практикой весьма серьезные
перспективы. Но и здесь оказались свои трудности.
Если все сложилось так удачно, то спрашивается,
почему традиционные мамонтоподобные магниты еще не вышли из употребления?
Почему до сих пор сверхпроводящие магниты не завоевали принадлежащего
им по праву места?
Пожалуй, в первую очередь это объясняется тем, что сверхпроводники
с хорошими свойствами оказались очень капризными. Обращение с ними
потребовало от ученых поиска новых технологических решений, новых
представлений о природе сверхпроводимости. Сейчас уже созданы сверхпроводящие
электротехнические материалы, которые можно успешно использовать
в электромагнитах. Среди них есть, например, такие сплавы, как ниобий-цирконий-титан
и ниобий-титан. Они хорошо поддаются обработке и из них сравнительно
легко получить проволоку. Злые языки, правда, подшучивают, что эта
проволока дороговата, так как ее пока что изготовляют сами ученые.
Но производство сверхпроводящей проволоки уже налажено на заводах,
и стоимость ее неуклонно снижается.
Однако наиболее перспективные сверхпроводящие материалы (сплавы
ниобий-олово и ванадий-галлий) чрезвычайно хрупки (например, сплав
ванадий-галлий легко растирается в порошок пальцами). Поэтому такие
соединения приходится упаковывать в гибкие трубки или наносить на
гибкую подложку. Даже такая сложная технология изготовления себя
оправдывает. Вот лишь один факт. В сверхпроводящих соленоидах, навитых
из стальной ленты с нанесенным на нее слоем из сплава ниобий-олово,
достигнуты магнитные поля до 17 Тл. И это при массе магнита в несколько
десятков килограммов вместо нескольких десятков тонн и практически
при нулевом потреблении электроэнергии вместо нескольких тысяч киловатт,
которые потребовались бы для работы несверхпроводящего магнита с
теми же параметрами!
Сверхпроводящие соленоиды могут работать почти не потребляя энергии,
поскольку однажды возбужденный в них ток практически не затухает.
Количество энергии, расходуемой в ожижителе гелия и необходимой
для поддержания магнитов при низкой температуре, не идет ни в какое
сравнение с теми громадными количествами ее, которые тратятся в
несверхпроводящих магнитах.
Конечно, постройка сверхпроводящих магнитов – далеко не простое
дело. Одна из серьезных и неожиданных трудностей, с которой пришлось
столкнуться конструкторам сверхпроводящих магнитов, – так называемая
проблема деградации сверхпроводящей проволоки в соленоидах. Чтобы
понять сущность деградации, вспомним, как, например, определяют
нагрузку, которую может выдержать балка. Для этого, конечно, не
обязательно ее подвергать испытаниям. Надо лишь знать материал,
из которого сделана балка, и характер ее нагружения в работе. А
так как прочность материала известна (она измерена в результате
испытаний небольших образцов), то все сводится к несложным расчетам.
Грубо говоря, во сколько раз сечение балки больше сечения образца,
во столько раз большую нагрузку эта балка сможет выдержать. Словом,
какой бы длинной или толстой ни была балка, ее свойства можно более
или менее достоверно заранее рассчитать, зная свойства маленького
образца из того же материала.
А вот для сверхпроводящих сплавов этих простых зависимостей не существует.
Если сечение одной проволоки в 10 раз больше сечения другой, сделанной
из такого же материала, то это вовсе не значит, что по первой можно
пропускать ток в 10 раз больший. Кроме того, характеристики сверхпроводника,
измеренные на кусочке проволоки, не совпадают с характеристиками
навитых на катушки длинных кусков проволоки. Катушки, рассчитанные
на одно поле, дают в действительности другое, значительно более
низкое.
Это явление объясняют тем, что магнитное поле проникает в сверхпроводник
в виде так называемых квантов потока. Так как проникновение потока
носит скачкообразный характер и всякое изменение поля во времени
вызывает появление ЭДС, в некоторых участках проволоки образуются
вихревые токи, разогревающие проволоку и преждевременно переводящие
ее в нормальное, несверхпроводящее состояние. Поэтому приходится
увеличивать объем и массу катушки по сравнению с теми, которые она
имела бы, если бы характеристики короткого и длинного кусков проволоки
совпадали. Это очень невыгодно по экономическим соображениям: сверхпроводящая
проволока пока еще дорога (несколько сотен рублей за 1 кг).
В настоящее время проблему деградации интенсивно исследуют. Иногда
с ней удается справиться. Уменьшению деградации способствует, например,
покрытие сверхпроводящей проволоки медью. Выяснилось, что при увеличении
толщины слоя меди свойства сверхпроводящих соленоидов значительно
улучшаются. Поэтому некоторые исследователи пришли к выводу, что
наилучшим материалом для сверхпроводящих магнитов является... медь,
в которую впрессован сверхпроводник! В таких системах эффект деградации
полностью отсутствует.
Как ни странно, другая проблема, считавшаяся одной
из наиболее труднопреодолимых, оказалась на поверку сравнительно
простой. Речь идет о том, что сверхпроводимость известных до сих
пор соединений существует лишь при температурах, очень близких к
абсолютному нулю. Так, ни один из известных сверхпроводников не
может оставаться в сверхпроводящем состоянии при температуре выше
24 К. Не очень радуют и прогнозы физиков-теоретиков. Они установили,
что принципиально невозможно получить материал, остающийся сверхпроводящим
при температурах выше 40 К, т.е. выше –233°С. Тем не менее поиск
сверхпроводников, не теряющих сверхпроводимости при 30...40 К, ведется
весьма активно.
Для получения низких температур пользуются гелием, превращающимся
в жидкость при 4,2 К. Даже самые незначительные количества тепла,
проникшего в сосуд, где содержится жидкий гелий, способны вызвать
его быстрое испарение, поэтому жидкий гелий надо хранить в специальных
сосудах, имеющих исключительно хорошую теплоизоляцию.
Решать эту проблему конструкторам сверхпроводящих магнитов фактически
не пришлось. Они воспользовались плодами разработок, проведенных
теми, кто занимался вопросами освоения космоса. Успехи ученых и
инженеров СССР и США, работающих над задачей хранения ракетного
топлива в сосудах-криостатах, привели к созданию надежной конструкции
и эффективного способа изоляции таких сосудов. В них можно хранить
жидкий гелий в течение нескольких месяцев.
Наиболее прогрессивным до сего времени методом охлаждения газообразного
гелия является метод получения его в жидком виде с помощью созданного
академиком П.Л. Капицей в 1934 г. поршневого детандера. Сущность
этого метода заключается в том, что газообразный гелий расширяется
в специальном сосуде – детандере, толкая при этом поршень, т.е.
совершает некоторую работу, отдавая энергию. При этом гелий охлаждается.
Многократно повторяя цикл, можно в принципе добиться того, что гелий
охладится до 4,2 К и превратится в жидкость. Чаще всего, однако,
охлаждение гелия в поршневом детандере сочетается с другими способами
охлаждения, например дросселированием.
При дросселировании предварительно сжатый и охлажденный гелий пропускается
через узкую щель – дроссель, где он расширяется. Физическая сущность
охлаждения при дросселировании (эффект Джоуля – Томсона) состоит
в том, что при увеличении объема газа, происходящем при расширении
в дросселе, межмолекулярные расстояния в газе растут, при этом совершается
некоторая работа против сил притяжения. Газ теряет свою внутреннюю
энергию и, следовательно, охлаждается.
Один из «классических» детандерных ожижителей гелия
создан в Институте физических проблем АН СССР. Опишем принцип его
работы.
Поршневой компрессор сжимает гелий, поступающий из газгольдеров,
и подает его в ожижитель. Туда поступает около 350 м3/ч газообразного
гелия, сжатого до 22...23 атм. Сначала гелий охлаждают в ванне с
жидким азотом (70 К). Затем часть охлажденного гелия поступает в
поршневой детандер, где гелий расширяется, заставляя двигаться поршень,
причем температура гелия в это время падает до 11...12 К. Холодный
гелий используется теперь для охлаждения новых порций гелия. Другая
часть газообразного охлажденного гелия поступает в так называемую
дроссельную ступень, где газ заставляют пройти через дроссель. При
этом уже основательно охлажденный газ еще больше охлаждается, частично
превращаясь в жидкость (сжижается примерно около 10% первоначально
имевшегося количества гелия).
Производительность аппарата 45 л/ч, расход электроэнергии 2,5 кВт·ч/л
жидкого гелия. Такая производительность, однако, не предел. За последние
годы в СССР и США созданы гелиевые ожижительные установки производительностью
200 л/ч и более. Мала или велика эта производительность?
Теплота испарения жидкого гелия настолько низка, что электролампочка
мощностью 4 Вт, работающая в жидком гелии, испарила бы более 50
л жидкого гелия за 1 ч!
Тем не менее полное отсутствие сопротивления у сверхпроводящих обмоток
и, следовательно, отсутствие выделения тепла позволяют обходиться
такими количествами жидкого гелия даже для самых крупных обмоток.
Важно лишь обеспечить очень хорошую теплоизоляцию области, где находится
сверхпроводящая обмотка, с тем чтобы тепло не поступало в эту область
извне.
Самая лучшая теплоизоляция – это высокий вакуум (остаточное давление
10–5...10–6 мм рт.ст.). Теплопроводность остаточного газа в этом
случае ничтожно мала для того, чтобы обеспечить хоть сколько-нибудь
заметную теплопередачу. При вакуумной изоляции решающее значение
приобретает теплопередача лучеиспусканием. Чтобы ликвидировать или
по крайней мере существенно снизить передачу тепла от области с
высокой температурой к низкотемпературной, на пути излучения в вакууме
необходимо поставить отражающие экраны, охлаждаемые каким-либо хладагентом.
Охлаждение экрана необходимо потому, что теплопередача излучением
пропорциональна разности четвертых степеней температур поверхностей.
Снижая эту разность, можно добиться еще большего эффекта теплоизоляции.
Достаточно сказать, что установка экрана, охлаждаемого жидким азотом,
снижает приток тепла в низкотемпературную область в 200 раз!
Хранят жидкий гелий в специальных сосудах Дьюара. Обычно они имеют
сферическую форму, поскольку сфера при данном объеме имеет самую
маленькую поверхность, а каждый лишний сантиметр поверхности – это
и лишний приток тепла внутрь сосуда! Наиболее часто употребляемый
сосуд (модель СД-10Г) может вместить около 10 л жидкого гелия. Гелий
содержится в сферическом резервуаре, который расположен внутри ванны
с азотом, помещенной, в свою очередь, внутри сферического корпуса,
имеющего комнатную температуру. В пространстве между внешним корпусом
и сосудами с азотом и гелием создается глубокий вакуум. В таком
сосуде в сутки теряется не более 2% гелия.
Существуют стандартные сосуды большей емкости, например, на 50,
80, 100 л. Развитие сверхпроводниковой техники приведет к созданию
значительно больших емкостей. Уже сейчас для централизованного снабжения
гелием используют гелиевые цистерны вместимостью 10...30 тыс. л.
В этих гигантских устройствах применяются уже несколько иные принципы
теплоизоляции. Здесь использована так называемая многослойная вакуумэкранная
изоляция. Она представляет собой вакуумный промежуток, заполненный
большим числом слоев алюминиевой фольги, проложенных теплоизоляционными
материалами, например стеклотканью или стеклобумагой. Количество
этих экранов может быть очень большим (более ста).
Можно считать в принципе решенной и проблему перекачки жидкого гелия
по трубам, особенно остро стоящую перед теми, кто занимается созданием
сверхпроводниковых линий электропередачи. Принцип, на котором создаются
эти трубы, практически тот же, что и используемый при создании сосудов
Дьюара. Это внутренняя труба с жидким гелием, окруженная концентрическим
экраном, находящимся при температуре жидкого азота и помещенным,
в свою очередь, во внешний кожух, имеющий обычную температуру. На
внутренней поверхности гелиевой трубы нанесена пленка сверхпроводника,
она и является токопроводом такой линии электропередачи.
Первые эксперименты в области создания крупных криогенных систем
приносят обнадеживающие результаты. Можно быть уверенным в том,
что уже в скором времени мы станем свидетелями новых поразительных
успехов в этой области.
Успешно решена и задача создания сверхпроводящего магнита, магнитное
поле которого существует при комнатной температуре. Одним из замечательных
достижений на этом пути можно считать разработку и постройку сотрудниками
Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры
имени Д.В. Ефремова, Института атомной энергии имени И.В. Курчатова
и Физического института АН СССР имени П.Н. Лебедева «гибридного»
магнита, в котором сверхпроводящий соленоид с полем при комнатной
температуре добавляет свое поле к полю биттеровского медного водоохлаждаемого
соленоида на 15 Тл – суммарное поле составляет 25 Тл.
На Международном симпозиуме по сильным магнитным полям в Осаке,
проводившемся в 1982 г., группа американских исследователей (Л.
Рубин с сотрудниками) сообщила, что им удалось построить гибридный
электромагнит на 30 Тл.
Победа над деградацией и решение технической задачи охлаждения сверхпроводников
до сверхнизких температур позволили ученым создать уникальные сверхпроводящие
магнитные системы для исследования плазмы, магнитогидродинамических
(МГД) установок, пузырьковых камер. В качестве примера упомянем
построенный в США сверхпроводящий магнит, который может создавать
магнитное поле 4 Тл в цилиндрическом объеме диаметром 20 см и длиной
около 1,5 м. В сеерхпроводящем магните для пузырьковой камеры достигнуто
поле 7 Тл в объеме диаметром 18 см. Созданы сверхпроводящие магнитные
системы с магнитным полем около 3 Тл и рабочим объемом диаметром
до 5 м.
При покорении холодного мира сверхпроводников ученым
пришлось заново решать множество проблем, считавшихся решенными.
Например, какой источник тока годится, чтобы питать сверхпроводящее
устройство? Если речь идет о сравнительно небольших токах, то в
принципе годятся привычные батареи, генераторы или аккумуляторы.
Однако ток, который можно пропустить по сверхпроводнику сечением
1 мм2, составляет 1000 А, что более чем в 100 раз больше тока, пропускаемого
через медный проводник такого же сечения. Это колоссальное преимущество
сверхпроводников обернулось для инженеров новой трудностью. Ведь
этот ток нужно получить от генератора, работающего при комнатной
температуре, а уж потом по проводам передать в криостат с жидким
гелием, где помещается сверхпроводящий магнит. Сечение проводов,
по которым передается ток (а они несверхпроводящие), должно быть
по крайне мере в 100 раз больше сечения сверхпроводника. По такому
большому сечению, как через широко раскрытые ворота, тепло из комнаты
(в полном соответствии с законом Фурье) лавиной устремится в криостат,
гелий мгновенно выкипит, а сверхпроводимость исчезнет.
Вот почему перед конструкторами встала задача создать такие устройства,
которые генерировали бы большие токи не вне криостата, а внутри
него. Это удалось сделать, использовав особые свойства сверхпроводников,
например их диамагнетизм. Именно диамагнетизмом объясняется показываемый
иногда в физических лабораториях опыт с «парящим магнитом». Описания
парящего магнита не сходят со страниц книг, посвященных физике низких
температур. Впрочем, не только этих...
«...Я немного прошелся между скалами, небо было совершенно ясно,
и солнце жгло так сильно, что я принужден был отвернуться от него.
Вдруг стало темно, но совсем не так, как от облака, когда оно закрывает
Солнце. Я оглянулся назад и увидел в воздухе большое непрозрачное
тело, заслонявшее солнце и двигавшееся по направлению к острову...
По мере приближения ко мне этого тела оно стало мне казаться твердым;
основание же его было плоско, гладко и сверкало ярко, отражая освещенную
солнцем поверхность моря...»
То, что увидел Лемюэль Гулливер, «сначала хирург, а потом капитан
нескольких кораблей», было летающим островом. В его толще на алмазных
опорах был установлен магнит, который, отталкиваясь от некоей субстанции
находящейся в толще Земли, создавал подъемную силу!
Вряд ли Свифт предполагал, что через двести лет московский физик
В.К. Аркадьев воплотит эту «безумную» идею почти в том же виде,
хотя и в несколько ином масштабе. В его опыте небольшой магнит висел
без какой-либо поддержки над свинцовой пластинкой. Эксперимент этот,
называемый тогда «гроб магомета» (по преданию, гроб с телом пророка
Магомета висел в пространстве без всяких опор), был проведен при
температуре, весьма близкой к абсолютному нулю, когда свинец становится
сверхпроводником. Модификацию опыта Аркадьева реализовал по предложению
В.И. Ожогина в Институте атомной энергии имени И.В. Курчатова молодой
ученый А.В. Инюшкин. «Теплый» магнит висит над сверхпроводящим кругом
из свинца, спрятанным в сосуд Дьюара из нержавеющей стали. Для нас
в этих опытах особенно важно то, что он демонстрирует идеальный
диамагнетизм некоторых сверхпроводников. В диамагнитное тело не
могут приникнуть силовые линии магнитного поля: диамагнетик является
для силовых линий магнитного поля непреодолимой преградой, стеной,
непроницаемой плоскостью.
Диамагнетизм сверхпроводников – это поверхностный эффект, распространяющийся
на глубину порядка 0,001 мм. Поверхность сверхпроводника превращается
в своеобразное «магнитное зеркало», отражающее силовые линии внешнего
магнитного поля. Можно считать, что и оригинал – падающий магнит,
и отражение его в «магнитном зеркале» обладают абсолютно идентичными
магнитными полями. Под тем местом, где у оригинала находится северный
полюс, возникает отражение северного полюса. Эти полюсы отталкиваются
до тех пор, пока не устанавливается равновесие; сила отталкивания
магнита и его «двойника» становится равной массе магнита.
Принцип магнитного зеркала может найти многочисленные применения.
Например, в электронных микроскопах, где пучок электронов фокусируется
магнитным полем, фольга из сверхпроводника позволит до такой степени
повысить разрешающую способность микроскопа, что станут различимыми
отдельные атомы.
Магнитные свойства сверхпроводящего и нормального состояний проводника
настолько различаются, что можно говорить о двух разных материалах.
Из этого, в частности, следует, например, что сверхпроводящее кольцо
вовсе не должно иметь дырку – отверстие в обычном механическом смысле.
Сверхпроводящая пластинка, не имеющая отверстий, может считаться
в магнитном отношении кольцом, если хотя бы в одной ее точке, не
соприкасающейся с краем, сверхпроводимость нарушена.
Несверхпроводящую, или «нормальную», зону в сверхпроводнике можно
создать различными способами: нагревать его в какой-либо точке до
температуры, превышающей критическую, сделать сильным местное магнитное
поле; освещать узким пучком света небольшую область сверхпроводника
(в последнем случае сверхпроводимость также теряется вследствие
выделения тепла).
Если воспользоваться тем, что расположение нормальной области («отверстия»)
на поверхности сверхпроводника легко менять, можно создать накопитель
магнитного потока, или, как его иногда называют, топологический
генератор. Особенно примечательным в этой конструкции является то,
что постоянный ток снимается с неподвижной части устройства. По
сути дела, это устройство есть бесколлекторный генератор постоянного
тока, принципиальная неосуществимость которого была многократно
доказана. В настоящее время в советских, американских и голландских
лабораториях работают многие сотни таких «неосуществимых» устройств.
К числу устройств, считавшихся невозможными, относится и трансформатор
постоянного тока. Получить постоянный ток во вторичной обмотке несверхпроводящего
трансформатора действительно невозможно. Если подать на его первичную
обмотку постоянный ток, то во вторичной обмотке появится слабый
импульс тока, но он быстро затухает вследствие электрического сопротивления
вторичной обмотки.
Если же вторичная цепь трансформатора будет сверхпроводящей, то
при подаче тока в первичную обмотку во вторичной наведется ЭДС,
вызывающая ток, который не может затухнуть даже тогда, когда уже
нет вызвавшей его ЭДС. С помощью таких трансформаторов постоянного
тока удавалось, подавая в криостат с жидким гелием небольшой ток
по тонким проводникам, трансформировать его, доводя до 25 тыс. А.
Таким образом, особые свойства сверхпроводников были поставлены
на борьбу с трудностями, проистекающими из тех же особых свойств.
Благодаря такому подходу уже разработаны генераторы и трансформаторы,
с помощью которых сверхпроводящий электромагнит может снабжаться
током в несколько тысяч ампер! И этот ток циркулирует по сверхпроводящей
обмотке в то время, когда из области с комнатной температурой к
генератору или к трансформатору подается ток силой всего в несколько
ампер.
Эти устройства помогают также сократить потребление сверхпроводящими
магнитами жидкого гелия, т.е. сделать их еще более экономичными.
Какие прогнозы можно уже сейчас делать относительно будущего сверхпроводящих
магнитов? Теперь ясно, что недалеко то время, когда будут построены
сверхпроводящие магниты, создающие поле около 25 Тл в рабочем объеме,
измеряемом несколькими кубическими метрами.
Другие страницы из книги "Магнит за 3 тысячелетия". Автор В. Карцев
Геркулесов камень
Рукотворные магниты
Гильберт разъединяет
Франклин, Ломоносов, Араго изучают...
Эрстед объединяет
Железо обзаводится «помощником»
Капица: «краткость – сестра успеха?»
Биттер: «секрет – в охлаждении»
Оннес: «дальше охлаждать некуда!»
Потребители просыпаются
Сортировщики микрочастиц
ЭПР
Пирамиды ядерного века
Плазма в магнитной рубашке
Энергетика 21 века
Послесловие
