0,125

0,10

Hg

0,075

0,05

0,025

10-5

0 4000 4010 4020 4030 4040 Т, К

Онесс взял ртуть чрезвычайно высокой степени частоты, сопротивление которой при температуре 4,2К было очень малым, а при дальнейшем понижении температуры таким, что его вообще нельзя было определить приборами, имевшимися в лаборатории. Но оказалось, что сопротивление ртути при температурах около 4,2К уменьшалось не плавно, а скачком падало до неизмеримо малой величины. Выяснилось, что такое же внезапное исчезновение сопротивления испытывают еще два металла: олово и свинец.

Исследование сверхпроводимости продолжалось. сопротивление проводника в узком интервале температур падает до неизмеримо малого значения. Но возник вопрос: не падает ли сопротивление до нуля? Если сопротивление остается конечным, можно предположить, что налицо просто некий особый случай обычного проводника с удивительно малым сопротивлением. Если же оно падает до нуля - при температуре хотя и очень низкой, но все же отличающейся от абсолютного нуля, - то электропроводность, равная обратной величине сопротивления, становится бесконечно большой: именно такой смысл вложил Онесс в понятие сверхпроводимости.

Ответ на этот вопрос Онесс получил в 1914 году. Сопротивление, равное нулю означает, что электрический ток, однажды созданный в замкнутом проводнике, будет в нем циркулировать вечно, даже если проводник отсоединить от источника напряжения. Источник будет не нужен: электроны при движении в проводнике уже не рассеивают свою энергию в тепло и нет необходимости восполнять ее потери.

Онесс изготовил маленький соленоид - катушку из свинцового провода - и соединил его с электрической батареей с помощью двух ключей - внешнего и внутреннего. Катушку он погрузил в криостат с жидким гелием. Идущий по ней ток создавал магнитное поле, которое существовало и в пространстве вне криостата. Чтобы обнаружить это поле, Онесс взял маленький постоянный магнит, игравший ту же роль, что и компасная стрелка.

В начале опыта внешний ключ был замкнут, а внутренний - разомкнут, и по катушке шел ток. Затем внутренний ключ замыкался, а внешний размыкался, так что теперь катушка была замкнута сама на себя, отсоединена от батареи. Стрелка компаса в этот момент не изменила своего положения. Это означало, что по проводнику продолжает идти ток.

Теперь оставалось ждать. В обычных проводниках из-за сопротивления ток исчезает практически мгновенно после отключения источника напряжения. Через несколько часов весь жидкий гелий испарился, и опыт прекратился. Но в течение всего этого времени стрелка компаса не шелохнулась. Впоследствии этот опыт неоднократно повторялся другими исследователями. В одном из опытов наблюдение за циркулирующим током длилось в течение нескольких лет. И за все эти годы ток в сверхпроводящем кольце не изменился. Из этого следовал вывод, что электрическое сопротивление сверхпроводника точно равно нулю.

Появление новых сверхпроводников

В десятые годы в Лейденской лаборатории в дополнение к ртути, свинцу и олову были открыты сверхпроводящие свойства индия таллия и галлия. Все эти металлы сходны друг с другом в том, что имеют невысокие температуры плавления и довольно небольшую твердость. В двадцатые годы, когда в поиски новых сверхпроводников включились и другие лаборатории, немецкий физик Вальтер Мейснер обнаружил, что сверхпроводники встречаются и среди достаточно твердых и тугоплавких металлов: ими оказались титан, ниобий, тантал и торий.

Разработка новых методов сверхглубокого охлаждения в тридцатые годы позволила вторгнуться в область температур ниже 1К. Число вновь открытых проводников пополнилось алюминием, цинком и другими элементами. На сегодняшний день известно около 40 химических элементов, обнаруживающих сверхпроводимость.

Уже в первые годы изучения сверхпроводимости выяснилось, что среди металлов, обладающих при нормальных температурах высокой электропроводностью, сверхпроводники почти не встречаются. Так, например, золото, серебро, медь - не сверхпроводники. Для многих элементов возникновение сверхпроводимости и температура перехода в сверхпроводящее состояние не зависели от степени загрязненности их примесями, для других же металлов сверхпроводимость удалось обнаружить, лишь когда они были получены в очень чистом виде.

В двадцатые годы, помимо новых сверхпроводников, были открыты и новые черты самого явления. Выяснилось, что в момент перехода металла из нормального состояния в сверхпроводящее никакого тепла не выделяется и не поглощается. Вместе с тем теплоемкость металла на таком переходе испытывала скачок. Ни внешний вид, кристаллическая структура металла при этом не изменялись.

Если тепло при переходе не выделяется и не поглощается, это означает, что переход между нормальным и сверхпроводящим состоянием не является обычным фазовым переходом.

Измерения критического магнитного поля показывали, что его величина не постоянна, а зависит от элемента, а для данного элемента- от температуры сверхпроводника, причем для всех изучавшихся сверхпроводников зависимость имела одинаковую и характерную форму. При температурах, близких к абсолютному нулю, критическое поле было наибольшим и медленно менялось с температурой. Однако при приближении к температуре сверхпроводящего перехода критическое поле уменьшалось все быстрее, пока в самой точке перехода не обращалось в нуль. Вблизи критической температуры для разрушения сверхпроводимости было достаточно совсем небольших магнитных полей.

Зависимость критического поля от температуры

Вк

Вк0

0

Тк Т

Сверхпроводник и магнитное поле

Постепенное накопление экспериментальных сведений о сверхпроводниках было прервано в 1933 году открытием, сделанным В. Мейснером и Р. Оксенфельдом. До этого проводились испытания с полыми проводниками, т.к. эти проводники имели маленькую массу, и их легче было охладить. Мейснер и Оксенфельд проводили испытания на сплошных образцах из олова и свинца, состояло в том, что когда охлаждался образец с введенным в него магнитным потоком, в момент наступления сверхпроводящего перехода этот поток мгновенно выталкивался из образца. Магнитная индукция сразу обращалась в нуль, и при нулевом конечном магнитном поле итог обеих операций был совершенно одинаковым. Сверхпроводники оказались идеальными диамагнетиками: они выталкивали из себя магнитное поле во всех случаях.