Хейке Камерлинг-Оннес и открытие сверхпроводимости

В 1911 г. голландский физик и химик Хейке Камерлинг-Оннес, исследуя в лаборатории низких температур в Лейдене изменение сопротивления металлов при низких температурах вблизи абсолютного нуля, обнаружил, что сопротивление твердого столбика ртути при температуре кипения жидкого гелия, т. е. при температуре 4,12 К, практически делается равным нулю. Изменение сопротивления от измеримой величины до нуля происходит почти скачком в интервале температур, не превышающем 0,02 К. Это состояние ртути было названо сверхпроводимостью.

Было установлено, что подобно ртути тем же свойством сверхпроводимости обладают лишь немногие следующие металлы: галлий, торий, титан, таллий, индий, олово, тантал, свинец и ниобий. Предельные температуры, ниже которых эти металлы становятся сверхпроводящими, различны для различных металлов.

Остаточное сопротивление металлов в состоянии сверхпроводимости очень трудно измерять, так как при всяких силах тока разность потенциалов на концах сверхпроводника слишком мала, чтобы ее можно было измерить с достаточной точностью. Многочисленные опыты с другими металлами при температуре вблизи абсолютного нуля дали вполне отрицательные результаты: прочие металлы не могли быть приведены в состояние сверхпроводимости.

Сверхпроводники, находящиеся при температуре ниже предельной, теряют сверхпроводимость в двух случаях: если плотность тока в проводнике достигает некоторой предельной наибольшей величины, и если проводник попадает в магнитное поле, напряжение которого также превосходит некоторую предельную величину. В обоих случаях при исследовании сверхпроводимости в проводнике выделяется большое количество тепла, гелий закипает и проводник расплавляется.

Камерлинг-Оннес предположил, что оба явления тесно связаны между собой. Если параллельно сверхпроводнику поместить другой проводник с током, расположенный так, чтобы его магнитное поле уничтожало магнитное поле тока в сверхпроводнике, то сила тока в этом последнем может превосходить тот предел, при котором в обычных условиях сверхпроводимость исчезает, и тем не менее сверхпроводимость сохраняется.

Таким образом было решено, что причиной исчезновения сверхпроводимости в обоих случаях является магнитное поле с напряжением определенной предельной величины. В первом случае магнитное поле создается самим током, во втором действует внешнее постороннее поле.

Лаборатория Хейке Камерлинг-Оннеса:

В 1914 г. Камерлинг-Оннес обнаружил, что в замкнутых сверхпроводниках, например в плоской катушке из свинцовой проволоки со спаянными концами, возможно длительное существование электрического тока без электродвижущей силы. Катушка была помещена между полюсами сильного электромагнита так, что плоскости витков ее были перпендикулярны направлению поля.

После замыкания тока в электромагните свинцовая проволока охлаждалась в кипящем гелии и приводилась в состояние сверхпроводимости. После этого ток в электромагните размыкался, и электромагнит удалялся. Вследствие исчезновения магнитного поля по закону индукции токов в катушке свинцовой проволоки индуктируется мгновенно ток, но этот ток не прекращается, как это обычно наблюдается при изменении магнитного поля, а продолжает существовать, обнаруживая свое существование сильным магнитным полем, в частности действием на магнитную стрелку, не прекращавшимся в течение многих часов и даже нескольких суток.

Когда катушка из свинцовой проволоки была заменена, свинцовым шариком, то при приведении шарика .в состояние сверхпроводимости в нем также можно было создать слабо затухающий ток посредством индукционного действия внешнего магнитного поля. Оказалось, что токовые линии в этом шарике неизменно связаны с ним и сохраняют свое расположение по отношению к шарику. Магнитное поле шарика связано с ним, подобно магнитному полю постоянного магнита.

В 1913 году Хейке Камерлинг-Оннес была вручена Нобелевская премия по физике «за исследования свойств вещества при низких температурах, которые привели к производству жидкого гелия».

Смотрите также по этой теме: Свехпроводники и криопроводники

Повный А. В. БГТУ, филиал УО "ГГПК"