В 1911 г. нидерландский физик X. Камерлинг-Оннес, впервые получивший жидкий гелий, исследовал электропроводность металлов при «гелиевых» температурах (температура сжижения гелия при нормальном давлении около 4,2 К; еще более низкие температуры могут быть получены при испарении жидкого гелия). При этом Камерлинг-Оннес сделал поразительное открытие: он обнаружил, что при охлаждении до температуры, примерно равной температуре сжижения гелия, сопротивление кольца из замороженной ртути внезапно, резким скачком падает до чрезвычайно малого, не поддающегося измерению, значения.

Такое явление – наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости, было названо сверхпроводимостью, температура Т_с, при охлаждении до которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, – температурой сверхпроводящего перехода, а вещества, переходящие в сверхпроводящие состояние, – сверхпроводниками

Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым; при повышении температуры до значения Т_с сверхпроводимость нарушается и вещество переходит в нормальное состояние с конечным значением удельной проводимости γ.

В настоящее время известно уже 35 сверхпроводниковых металлов и более тысячи сверхпроводниковых сплавов и химических соединений различных элементов. В то же время многие вещества, в том числе и такие, обладающие весьма малыми значениями ρ при нормальной температуре металлы, как серебро, медь, золото, платина и другие, при наиболее низких достигнутых в настоящее время температурах перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Явление сверхпроводимости связано с тем, что электрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет длительно циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, и притом без всякого подвода энергии извне (конечно, если не учитывать неизбежного расхода энергии на работу охлаждающего устройства, которое должно поддерживать температуру сверхпроводящего контура ниже значения Т_с, характерного для данного сверхпроводникового материала); такой сверхпроводящий контур создает в окружающем пространстве магнитное поле, подобно постоянному магниту. Поэтому обтекаемый электрическим током сверхпроводящий соленоид должен представлять собой сверхпроводниковый электромагнит, не требующий питания от источника тока.

Однако первоначальные попытки изготовить практически пригодный сверхпроводниковый электромагнит, создающий в окружающем пространстве магнитное поле с достаточно высокими напряженностью Н и магнитной индукцией B, закончились неудачей. Оказалось, что сверхпроводимость нарушается не только при повышении температуры до значений, превышающих Т_с, но и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитного поля с магнитной индукцией, превышающей индукцию перехода В₀. Это поясняется диаграммой состояния сверхпроводника, изображенной на рисунке 4.1. Каждому значению температуры Т данного материала, находящегося в сверхпроводящем состоянии, соответствует свое значение индукции перехода В_с. Наибольшая возможная критическая температура перехода Т_с данного сверхпроводникового материала достигается при ничтожно малой магнитной индукции, т. е. для сверхпроводникового электромагнита – при весьма малой силе тока, идущего через обмотку этого электромагнита. Соответственно и наибольшее возможное значение В_с0 критической магнитной индукции перехода соответствует температуре сверхпроводника, ничтожно отличающейся от нуля Кельвина.

Рисунок 4.1 – Общий вид диаграммы состояния сверхпроводника первого рода

В 50-х годах XX века были открыты новые сверхпроводники, представляющие собой уже не чистые металлы, а сплавы или химические соединения. Эти сверхпроводники в отличие от чистых сверхпроводниковых металлов (сверхпроводников I рода), названные сверхпроводниками II рода, обладают рядом особенностей. Переход из нормального в сверхпроводящее состояние при охлаждении у них происходит не скачком, а постепенно; у них существует промежуточное состояние между нижним В_С1 и верхним B_С2 значениями критической магнитной индукции перехода для значений температур Т_s<T_С0. В промежуточном состоянии сверхпроводимость при постоянном напряжении сохраняется, т. е. ρ=0, но относительная магнитная проницаемость сверхпроводника μ_r>0; при воздействии на сверхпроводник переменного напряжения в нем наблюдаются некоторые потери энергии и т. п. Кроме того, свойства сверхпроводников II рода в большой степени зависят от технологического режима изготовления и т. п. Из чистых металлов к сверхпроводникам II рода относятся лишь ниобий Nb, ванадий V и технеций Тс.

На рис. 4.2 представлена диаграмма состояния типичного сверхпроводника II рода – интерметаллического соединения, станнида ниобия Nb₃Sn. Кривая 1 дает значения B_С01, кривая 2—значения В_C02; заштрихована область промежуточного состояния

Рисунок 4.2 – Диаграммы состояния сверхпроводника II рода — станнида ниобия Nb₃Sn (кривые 1 и 2) и сверхпроводника I рода — свинца РЬ (кривая 3)

Криопроводники

В современной электротехнике все шире используется явление криопроводимости, т. е. достижение металлами весьма малого значения удельного сопротивления при криогенных температурах. Металлы, обладающие таким свойством, называются криопроводниками. Очевидно, что физическая сущность криопроводимости не сходна с физической сущностью явления сверхпроводимости. Криопроводимость – частный случай нормальной электропроводности металлов в условиях криогенных температур.

Весьма малое, но конечное значение ρ криопроводников ограничивает допустимую плотность тока в них, хотя эта плотность может быть гораздо выше, чем в обычных металлических проводниках при нормальной или повышенной температуре. Криопроводники, у которых при изменении температуры в широком диапазоне ρ меняется плавно, без скачков, не могут использоваться в устройствах, действие которых основано на триггерном эффекте возникновения и нарушения сверхпроводимости.

Применение криопроводников вместо сверхпроводников в электрических машинах, аппаратах и других электротехнических устройствах имеет свои преимущества. Использование в качестве хладагента жидкого водорода или жидкого азота упрощает и удешевляет выполнение тепловой изоляции устройства и уменьшает расход мощности на охлаждение. Наибольший интерес для применения в качестве криопроводникового материала представляют: алюминий при температуре жидкого водорода, а при температуре жидкого азота – бериллий.

Таким образом, проблема выбора оптимального криопроводникового материала сводится к следующему: применить легко доступный и дешевый алюминий и получить наименьшее возможное для криопроводника значение удельного сопротивления, но пойти на использование для охлаждения устройства жидкого водорода, что все же требует преодоления некоторых затруднений и, в частности, необходимости учета взрывоопасности водородо-воздушной смеси; или же применять более дорогой, дефицитный, сложный в технологическом отношении бериллий, но зато использовать в качестве хладагента более дешевый и легко доступный жидкий азот и тем самым уменьшить затраты мощности на охлаждение.

Во всех случаях для получения высококачественных криопроводннков требуются высокая чистота металла и отсутствие наклепа. Вредное влияние примесей и наклепа на удельное сопротивление металлов при криогенных температурах выражено значительно сильно, чем при нормальной температуре.