Магнітну левітацію і нульовий опір - самі видовищні властивості надпровідників - нескладно продемонструвати в домашніх умовах.
Початок XX століття у фізиці цілком можна назвати епохою гранично низьких температур. У 1908 році голландський фізик Хейкі Камерлінг-Оннес вперше отримав рідкий гелій, який має температуру всього на 4,2 ° вище абсолютного нуля. А незабаром йому вдалося досягти температури менш одного Кельвіна! За ці досягнення в 1913 році Камерлінг-Оннес був удостоєний Нобелівської премії. Але він зовсім не гнався за рекордами, його цікавило, як речовини змінюють свої властивості при таких низьких температурах, - зокрема, він вивчав зміна електричного опору металів. І от 8 квітня 1911 року відбулася щось неймовірне: при температурі трохи нижче температури кипіння рідкого гелію електричний опір ртуті раптово зникло. Ні, воно не просто стало дуже малим, воно виявилося рівним нулю (наскільки це було можливо виміряти)! Жодна з існуючих на той момент теорій нічого подібного не передбачала і пояснити не могла. У наступному році подібна властивість було виявлено у олова і свинцю, причому останній проводив струм без опору і при температурах навіть трохи вище температури кипіння рідкого гелію. А до 1950-1960-х років були відкриті матеріали NbTi і Nb3Sn, що відрізняються здатністю зберігати надпровідний стан в потужних магнітних полях і при протіканні великих струмів. На жаль, вони все ще потребують охолодження дорогим рідким гелієм.
Наступне велике відкриття в області надпровідності відбулося в 1986 році: Ґеорґ Беднорц і Александр Мюллер виявили, що спільний оксид міді-барію-лантану має надпровідність при дуже високій (у порівнянні з температурою кипіння рідкого гелію) температурі - 35 К. Уже в наступному році, замінивши лантан на ітрій, вдалося досягти надпровідності при температурі 93 К. Звичайно, по побутових мірках це все ще досить низькі температури, -180 ° С, але головне, що вони вище порога в 77 К - температури кипіння дешевого жідког азоту. Крім величезної за мірками звичайних надпровідників критичної температури, для речовини YBa2Cu3O7-x (0 ≤ x ≤ 0,65) і ряду інших купратов досяжні надзвичайно високі значення критичного магнітного поля і щільності струму. Таке чудове поєднання параметрів не тільки дозволило значно ширший застосовувати надпровідники в техніці, а й зробило можливими безліч цікавих і видовищних дослідів, які можна виконати навіть в домашніх умовах.
Нам не вдалося зафіксувати жодного падіння напруги при пропущенні через надпровідник струму повинна перевищувати 5 А, що говорить про нульовий електричний опір. Ну, по крайней мере, про опір менше 20 мкОм - мінімуму, який можна зафіксувати нашим приладом.
який вибрати
Для початку потрібно роздобути відповідний надпровідник. Відкривачі високотемпературної надпровідності запікали суміш оксидів в спеціальній печі, але для простих дослідів ми рекомендуємо купити готові надпровідники. Вони випускаються у вигляді полікристалічної кераміки, текстурованою кераміки, надпровідних стрічок першого і другого покоління. Полікристалічна кераміка коштує недорого, але і параметри у неї далекі від рекордних: вже невеликі магнітні поля і струми можуть зруйнувати надпровідність. Стрічки першого покоління теж не вражають своїми параметрами. Зовсім інша справа - текстурированная кераміка, вона має найкращі характеристики. Але для розважальних дослідів вона незручна, тендітна, деградує з часом, і найголовніше - знайти її у вільному продажі досить складно. А ось стрічки другого покоління виявилися ідеальним варіантом для максимального числа наочних дослідів. Цей високотехнологічний продукт вміють виробляти лише чотири компанії в світі, в тому числі російська «СуперОкс». І, що дуже важливо, свої стрічки, зроблені на основі GdBa2Cu3O7-x, вони готові продавати в кількості від одного метра, чого якраз вистачає для проведення наочних наукових експериментів.
Надпровідна стрічка другого покоління має складну структуру з безлічі шарів різного призначення. Товщина деяких верств вимірюється нанометрів, так що це справжнісінькі нанотехнології.
дорівнює нулю
Наш перший досвід - вимірювання опору надпровідника. Чи дійсно воно нульове? Вимірювати його звичайним омметром безглуздо: він покаже нуль і при підключенні до мідного дроту. Настільки малі опору вимірюються інакше: через провідник пропускають великий струм і вимірюють падіння напруги на ньому. Як джерело струму ми взяли звичайну лужну батарейку, яка при короткому замиканні дає близько 5 А. При кімнатній температурі як метр сверхпроводящей стрічки, так і метр мідного дроту показують опір в кілька сотих ома. Охолоджуємо провідники рідким азотом і відразу спостерігаємо цікавий ефект: ще до того як ми пустили струм, вольтметр вже показав приблизно 1 мВ. По всій видимості, це термо-ЕРС, оскільки в нашій схемі багато різних металів (мідь, припой, сталеві «крокодильчики») і перепади температури в сотні градусів (віднімемо цю напругу при подальших вимірах).
Тонкий дисковий магніт прекрасно підходить для створення левітірующіе платформи над надпровідників. У разі надпровідника-сніжинки він легко «вдавлюється» в горизонтальному положенні, а в разі надпровідника-квадрата його варто «вморожувати».
А тепер пропускаємо струм через охолоджену мідь: той же провід показує опір вже всього в тисячні частки ома. А що ж з надпровідної стрічкою? Підключаємо батарейку, стрілка амперметра миттю спрямовується до протилежного краю шкали, а ось вольтметр своїх свідчень не змінює навіть на десяту милливольта. Опір стрічки в рідкому азоті в точності дорівнює нулю.
Як кювети для надпровідної збірки в формі сніжинки відмінно підійшла кришка від п'ятилітрової бутлі з водою. Як теплоізоляційної підставки під кришку варто використовувати шматок меламіну губки. Доливати азот доводиться не частіше ніж один раз на десять хвилин.
Літальні апарати
Тепер перейдемо до взаємодії надпровідника і магнітного поля. Малі поля з надпровідника взагалі виштовхуються, а сильніші проникають в нього не суцільним потоком, а в вигляді окремих «струменів». Крім того, якщо ми рухаємо магніт біля надпровідника, то в останньому наводяться струми, і їх поле прагне повернути магніт назад. Все це робить можливою надпровідну або, як її ще називають, квантову левітації: магніт або надпровідник можуть висіти в повітрі, стабільно утримуються магнітним полем. Щоб переконатися в цьому, досить маленького редкоземельного магнітика і шматочка сверхпроводящей стрічки. Якщо ж мати хоча б метр стрічки і неодимові магніти побільше (ми використовували диск 40 x 5 мм і циліндр 25 x 25 мм), то можна зробити цю левітації вельми видовищною, піднявши в повітря додатковий вантаж.
В першу чергу потрібно нарізати стрічку на шматочки і скріпити їх в пакет достатньої площі і товщини. Скріплювати можна і суперклеєм, але це не дуже надійно, так що краще спаяти їх звичайним малопотужним паяльником зі звичайним олов'яно-свинцевим припоєм. За результатами наших дослідів можна рекомендувати два варіанти пакетів. Перший - квадрат зі стороною в три ширини стрічки (36 x 36 мм) з восьми шарів, де в кожному наступному шарі стрічки укладаються перпендикулярно стрічок попереднього шару. Другий - восьмипроменева «сніжинка» з 24 відрізків стрічки довжиною 40 мм, покладених один на одного так, що кожен наступний відрізок повернуть на 45 градусів щодо попереднього і перетинає його в середині. Перший варіант трохи простіше у виготовленні, набагато компактніше і міцніше, зате другий забезпечує кращу стабілізацію магніту і економічна витрата азоту за рахунок його вбирання в широкі щілини між листами.
Надпровідник може висіти не тільки над магнітом, але і під ним, та й взагалі в будь-якому положенні відносно магніту. Так само як і магніт зовсім не зобов'язаний висіти саме над надпровідників.
До речі, про стабілізацію варто сказати окремо. Якщо заморозити надпровідник, а потім просто піднести до нього магніт, то висіти магніт не буде - впаде в стороні від надпровідника. Щоб стабілізувати магніт, нам потрібно змусити поле проникнути всередину надпровідника. Зробити це можна двома способами: «вморажіваніем» і «втискуванням». У першому випадку ми розміщуємо магніт над теплим сверхпроводником на спеціальній опорі, потім наливаємо рідкий азот і прибираємо опору. Такий метод відмінно працює з «квадратом», він же підійде і для монокристаллической кераміки, якщо ви її знайдете. З «сніжинкою» метод теж працює, хоч і трохи гірше. Другий метод передбачає, що ви будете силою наближати магніт до вже охолодженого надпровідники, поки той не захопить поле. З монокристалом кераміки такий метод майже не працює: занадто великі зусилля потрібні. А ось з нашої «сніжинкою» працює чудово, дозволяючи стабільно підвісити магніт в різних положеннях (з «квадратом» теж, але становище магніту неможливо зробити довільним).
Щоб побачити квантову левітації, досить навіть невеликого відрізка сверхпроводящей стрічки. Правда, утримувати в повітрі вийде лише маленький магнітик і на невеликій висоті.
вільне ширяння
І ось магніт вже висить в півтора сантиметрах над надпровідників, нагадуючи про третій законі Кларка: «Будь-яка досить розвинена технологія відрізнити від магії». Чому б не зробити картину ще більш магічною - розмістити на магніті свічку? Прекрасний варіант для романтичного квантово-механічного вечері! Правда, треба врахувати кілька моментів. По-перше, свічки в металевій гільзі прагнуть сповзти до краю диска-магніту. Щоб позбавиться від цієї проблеми, можна використовувати свічник-підставку у вигляді довгого гвинта. Друга проблема - википання азоту. Якщо спробувати долити його просто так, то що йде з термоса пар гасить свічку, так що краще використовувати широку воронку.
Восьміслойную пакет надпровідних стрічок може легко втримати досить масивний магніт на висоті 1 см і більше. Збільшення товщини пакета підвищить утримувану масу і висоту польоту. Але вище декількох сантиметрів магніт в будь-якому випадку не підніметься.
До речі, а куди саме доливати азот? В яку ємність помістити надпровідник? Найпростіше виявилися два варіанти: кювету з складеної в декілька шарів фольги і, в разі «сніжинки», кришечка від п'ятилітрової бутлі з водою. В обох випадках ємність ставиться на шматок меламіну губки. Ця губка продається в супермаркетах і призначена для збирання, вона - хороший теплоізолятор, який прекрасно витримує криогенні температури.
Холодна рідина В цілому рідкий азот досить безпечний, однак при його використанні все-таки необхідно діяти акуратно. Також дуже важливо не закривати ємності з ним герметично, інакше при випаровуванні в них підвищується тиск і вони можуть вибухнути! Зберігати і транспортувати рідкий азот можна в звичайних сталевих термосах. З нашого досвіду в дволітровий термосі він зберігається як мінімум дві доби, а в трилітровому - ще довше. На один день домашніх експериментів, в залежності від їх інтенсивності, йде від одного до трьох літрів рідкого азоту. Коштує він недорого - приблизно 30-50 рублів за літр.
Нарешті, ми вирішили зібрати рейок з магнітів і пустити по ньому «летить вагон» з начинкою з надпровідника, з обкладинками з просоченою рідким азотом меланиновой губки і оболонкою з фольги. З прямим рейкою проблем не виникло: взявши магніти 20 x 10 x 5 мм і укладаючи їх на аркуші заліза подібно цеглин в стіні (горизонтальної стіні, оскільки нам потрібно горизонтальний напрямок магнітного поля), легко зібрати рейок будь-якої довжини. Тільки потрібно торці магнітів змащувати клеєм, щоб вони не роз'їжджалися, а залишалися щільно стиснутими, без зазорів. За таким рельсу надпровідник ковзає абсолютно без тертя. Ще цікавіше зібрати рейок в формі кільця. На жаль, тут без зазорів між магнітами вже не обійтися, а на кожному проміжку надпровідник трохи гальмується ... Проте хорошого поштовху цілком вистачає на пару-трійку кіл. При бажанні можна спробувати обточити магніти і виготовити спеціальну направляючу для їх установки - тоді можливий і кільцевої рейок без стиків.
Автор - магістрант НІЯУ МІФІ
Редакція висловлює подяку компанії «СуперОкс» і особисто її керівнику Андрію Петровичу Вавилову за надані надпровідники, а також інтернет-магазину neodim.org за надані магніти.
Стаття «Опір марно!» Опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №11, Січень 2014 ).
Чи дійсно воно нульове?А що ж з надпровідної стрічкою?
Чому б не зробити картину ще більш магічною - розмістити на магніті свічку?
До речі, а куди саме доливати азот?
В яку ємність помістити надпровідник?
