Открытое 100 лет назад явление
сверхпроводимости прошло в своем развитии ряд этапов, основные из которых
отмечены в 2011 г. юбилейными датами — это 50-летие прикладной (технической)
сверхпроводимости и 25-летие высокотемпературной сверхпроводимости. Дан краткий
исторический обзор исследований этого уникального физического явления.
Ключевые слова: сверхпроводимость,
первооткрыватели, обзор исследований
Сверхпроводимость — замечательное физическое
свойство многих металлов, некоторых сплавов и интерметаллических соединений, а
также керамических материалов. К настоящему времени сверхпроводимость нашла
применение в электрофизике, электротехнике, электроэнергетике, электромеханике,
электронике, метрологии и ряде других отраслей техники и научных исследований.
Сверхпроводимость имеет широкие перспективы дальнейшего развития, её научных и
прикладных аспектов. Как недавно отметил профессор Е.Ю. Клименко
[5, 6], в 2011 г. отмечается тройной юбилей сверхпроводимости.
Открытие физического явления
сверхпроводимости. Явление открыто в 1911 г. голландским ученым Гейке Камерлингом-Оннесом
(1853—1926), руководителем кафедры экспериментальной физики Лейденского
университета [1]. Учёный развивал исследования в области низкотемпературного
эксперимента [2]. Оборудование его лаборатории позволяло изучать в широком
диапазоне криогенных температур все известные к началу XX в. ожиженные газы: кислород при Т=90
К (впервые получен Кальете и Пикте в 1877 г.); азот
при Т = 77 К (получен Врублевским и Ольшанским в 1883 г.); неон при Т=27 К;
водород при Т=20,4 К (получен Дьюаром в 1898 г.).
Наконец, 10 июля 1908 г. Камерлинг-Оннес впервые в
мире осуществил ожижение гелия при Т=4,2 К. а к началу
1911 г. смог получить температуру гелия около 1 К.
В это время ученый исследовал электрическое
сопротивление различных металлов при криогенных температурах. Наибольший эффект
удалось получить у ртути: благодаря низкой точке плавления (-39 °С) её
удавалось посредством нескольких циклов испарения и последующей конденсации
почти полностью очищать от примесей. В процессе исследований Камерлинг-Оннес отметил резкое уменьшение сопротивления
ртути вблизи точки 4,2 К, причем дальнейшее снижение
температуры на узком интервале примерно 0,02 К приводило к практически полному
исчезновению электрического сопротивления.
В апреле 1911 г. на заседании Нидерландской
академии наук Камерлинг-Оннес сообщил о результатах
эксперимента. Открытие произвело сенсацию в научных кругах. В 1913 г. Камерлингу-Оннесу была присуждена Нобелевская премия по
физике за исследование свойств веществ при низких
температурах и получение жидкого гелия. Обнаруженное впервые для ртути
физическое явление обращения электрического сопротивления в нуль получило
название сверхпроводимости.
В 1914 г. Камерлинг-Оннес
экспериментально установил существование длительно не затухающего
электрического тока в короткозамкнутой сверхпроводящей цепи, размещенной в
криостате с жидким гелием. За последующие годы были найдены критические
значения параметров (температуры Тk,
магнитной индукции Вk, плотности
транспортного тока Jk), при превышении
которых сверхпроводимость исчезала, материал переходил в нормальное состояние.
Область существования сверхпроводящей фазы в
трехмерном пространстве иллюстрируется объемом, ограниченным координатными
плоскостями и криволинейной поверхностью, отсекающей на осях координат отрезки Тk, Вk,
Jk. В течение нескольких десятилетий были
известны только такие металлы — идеальные сверхпроводники 1 -го рода, у которых
значения Вk, Jk оставались неприемлемо низкими для каких-либо
технических приложений. Выяснилось, что наряду с нулевым сопротивлением
сверхпроводники 1-го рода характеризуются ещё одним фундаментальным свойством -
идеальным диамагнетизмом [3-5]. Согласно эффекту Мейсснера—Оксенфельда (открыт в 1933 г.) при В<Вk магнитное поле не проникает в сверхпроводник
(Т < Тk) вследствие действия
поверхностных экранирующих токов.
50-летие технической (прикладной)
сверхпроводимости. Повышение критических параметров Вk, Jk
началось с момента открытия сверхпроводников 2-го рода в 1957 г. К ним
относятся неидеальные сверхпроводящие материалы — сплавы и интерметаллические
соединения, в которых могут чередоваться локальные зоны с мейсснеровской
фазой и фазой проникновения магнитного поля. В 1961 г. Дж. Кунцлер
(США) предложил способ изготовления сверхпроводящих проволок из интерметаллида Nb3Sn (станнид
ниобия) с высокими критическими параметрами. Из смеси порошков ниобия и олова,
размещенной в ниобиевой трубке [4], методом протяжки
получали круглый провод заданного диаметра для намотки соленоида.
Интерметаллическое соединение образовывалось в процессе
отжига соленоида при температуре порядка 1000 °С. В соленоиде было
получено магнитное поле с индукцией 6 Тл. Впоследствии технология проводов Nb3Sn
была усовершенствована, неизменным оставался только металлургический принцип
изготовления.
Появились проволоки из сверхпроводящих сплавов
ниобия с цирконием (Nb-Zr) или с титаном (Nb-Ti), обладающие хорошими пластическими качествами, что
позволило выполнять отжиг до операции намотки соленоидов. В итоге освоение
производства длинномерных проводов и их применение в качестве обмоточных
изделий и кабельных конструкций привело к появлению новой промышленной отрасли
— технической сверхпроводимости, развитие которой началось в 1961 г.
Современные провода имеют композитную структуру
для обеспечения требуемых электродинамических свойств. Многожильные
сверхпроводящие скрутки дискретно встроены в стабилизирующую матрицу из меди
или бронзы. Отечественной промышленностью выпущены по металлургической
технологии композитные провода на основе сплава Nb—50%
Ti марки ПНТ диаметром 0,5×1 мм и марки НТ-50
прямоугольного сечения от 2 мм×2 мм до 5 мм×2 мм. Созданы
композитные провода на основе соединения Nb3Sn марки ПНО круглого
сечения диаметром 1 мм и в виде шин прямоугольного сечения от 0,16
мм×1,93 мм до 30 мм×3 мм, а также провода на основе
ванадиево-галлиевого соединения V3Ga марки ПВГ диаметром от 0,23 мм
до 0,47 мм.
В СССР в 1970-80-х годах на базе указанных
проводов разработаны и созданы многочисленные образцы сверхпроводящей
электрофизической аппаратуры от соленоидов до магнитных систем тока-маков, сверхпроводящие
обмотки возбуждения синхронных электрических машин и машин постоянного тока разноименнополюсных и униполярных [1, 8—10], МГД-генераторов [7]. В качестве отдельных примеров
применения сверхпроводимости в электромеханике можно назвать экспериментальный
синхронный компенсатор мощностью 20 МВА, пущенный в опытную эксплуатацию в Ленэнерго (ВНИИэлектромаш); двигатель постоянного тока
мощностью 10 МВт (Электротяжмаш, г. Харьков);
униполярный генератор постоянного тока мощностью 480 кВт с жидкометаллическим
натриево-калиевым токосъёмом (МАИ). Ряд электрических машин переменного и
постоянного тока на сверхпроводниках построен за рубежом [5, 8, 10].
Техническая сверхпроводимость в мире к середине 1980-х годов достигла высокого
уровня, который характеризуется параметрами крупномасштабных разработок многих
видов электротехнического оборудования [7—10].
Параллельно с экспериментальными
развивались теоретические исследования сверхпроводимости. С позиций
макроскопического описания явления сверхпроводимости разработана теория Ф.
Лондона и Г. Лондона; создана более универсальная теория ГЛАГ
(Гинзбург — Ландау — Абрикосов — Горьков). На основе
микроскопического подхода Бардиным, Купером и Шриффером
опубликована теория БКШ (1957 г.), известна также теория Н.Н. Боголюбова с
сотрудниками. Создатели теории БКШ в 1972 г. удостоены Нобелевской премии по
физике.
Наиболее весомый вклад в
развитие низкотемпературной сверхпроводимости в СССР внесли
научно-исследовательские организации ИАЭ им. Курчатова, ИВТАН, ВНИИэлектромаш, ВНИИЭМ, ВНИИКП, НИИНМ им. Бочвара, ВЭИ, ЭНИН, НИИЭФА им. Ефремова, РТИ, ФИАН, НИИгелиймаш и др., а также электротехнические предприятия «Электросила», ХЭМЗ, Электротяжмаш,
опытный завод ВНИИЭМ и др. Работы выполнялись в соответствии с координационными
планами ГКНТ и АН СССР [1]. Непосредственное руководство работами
осуществлялось академиками И.А. Глебовым, Н.Н. Шереметьевским, чл.-корр. АН
Н.А. Черноплёковым, академиком АН УССР Б.И. Веркиным и др.
25-летие высокотемпературной
сверхпроводимости. Рассмотренные выше сверхпроводящие материалы имеют
критическую температуру в гелиевом диапазоне 4,2-18 К.
Известны немногие соединения, полученные в виде
кристаллических образцов или коротких отрезков провода, которые переходят в
сверхпроводящее состояние при температуре жидкого или кипящего водорода при
нормальном атмосферном давлении, например Nb3AlGe, Nb3Ge,
и Nb2Si. Усилия исследователей были направлены на поиски материалов
с повышенной критической температурой, поскольку внешний или внутренний
теплоприток мощностью 1 Вт в гелиевый бак с температурой 5—6
К требует для компенсации испаряющегося гелия затрат мощности на валу
компрессора холодильной установки около 0,7 кВт. Затруднения в эксплуатации криостатированных магнитных систем определяются малой
теплотой испарения гелия R ≈ 20 кДж/кг при температуре 4,3 К, а также его повышенной текучестью, что усложняет
конструкцию криостатов.
Американский физик У. Литтл
на основании расчетов согласно теории БКШ указал в 1964 г. на возможность
существования сверхпроводимости при повышенных температурах у некоторых
материалов типа металлоорганических соединений, которые могут быть
синтезированы на базе цепей крупных молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты
(ДНК). Одновременно в СССР В.Л. Гинзбургом и Д.А. Киржницем
была предложена двухмерная модель для сверхпроводящей поверхности вещества,
отличающаяся от одномерной цепной модели У. Литтла.
Далее В.Л. Гинзбург теоретически обосновал структуру высокотемпературного
сверхпроводящего материала, которая представлялась в виде чередующихся слоев
диэлектрика и металлической пленки. Подобные материалы до настоящего времени не
реализованы.
В 1986 г. сотрудники Швейцарского
отделения фирмы IBM Д. Беднорц и К. Мюллер (г. Цюрих)
сообщили о существовании сверхпроводящего перехода в керамическом соединении
оксидов лантана, бария и меди при температуре кипящего водорода или неона Т ≈
30 К. Это открытие ввиду большой перспективности было удостоено Нобелевской
премии по физике за 1987 г. К настоящему времени в различных странах (России.
США, Англии, КНР. Японии и др.) исследованы физико-химические свойства целой
группы металлооксидных керамик [10, 11], обладающих
свойством сверхпроводимости при температурах Т ≈125
К. включая диапазоны жидкого и кипящего азота и природного газа. Такие
материалы проявляют свойства сверхпроводников 2-го рода. Они получили название
высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), которые изучаются с 1986 г.;
ведутся разработки сверхпроводящих проволок и шин для обмоточных изделий и
кабелей на основе ВТСП.
Наиболее распространенным технологическим методом
производства ВТСП керамик служит спекание измельченной смеси порошков оксидов
различных металлов на воздухе при Т >1000 К.
Керамика в виде кристаллов встраивается в стабилизирующую матрицу из серебра,
провода изготавливают металлургическим способом протяжки.
При азотных температурах провода имеют
критические параметры Вk,
Jk которые существенно меньше, чем у
низкотемпературных сверхпроводников (НТСП), однако при водородных температурах
параметры ВТСП Вk, Jk
значительно повышаются и становятся сравнимы с таковыми для НТСП. Из-за
сложности технологии современные ВТСП провода достаточно дороги, поэтому экономическая
целесообразность их технического применения требует соответствующих
обоснований.
В последние полтора десятилетия получило развитие
прикладное направление применения массивных (объемных) ВТСП в электромеханике и
транспортных устройствах магнитного подвеса [12, 13]. Созданы синхронные
электродвигатели (гистерезисные, реактивные, с возбуждением от постоянных
магнитов) погружного исполнения с охлаждением жидким
азотом в диапазоне мощностей 0,1 — 100 кВт. Разработчиком является Московский
авиационный институт, который сотрудничает с НИИэлектромеханики
(г. Истра), НИИНМ, ВЭИ и рядом зарубежных организаций.
Список литературы
1. История электротехники/Под
ред. И.А. Глебова,— М.: Изд-во МЭИ, 1999.
2. Криогенная техника/Под
ред. В.Г. Фастовского. 2-е изд. — М.: Энергия, 1974.
3. Казовский Е.Я.,
Карцев В.П., Шахтарин В.Н. Сверхпроводящие магнитные
системы. — Л.: Наука, 1967.
4. Алиевский Б.Л.
Применение криогенной техники и сверхпроводимости в электрических машинах и
аппаратах. — М.: Информстандартэлектро, 1967.
5. Сверхпроводящие машины и устройства/Пер. с англ. под ред. Е.Ю. Клименко.
— М.: Мир, 1977.
6. Уилсон М. Сверхпроводящие магниты/Пер. с англ.
под ред. Е.Ю. Клименко. - М.: Мир, 1985.
7. Зенкевич В.Б., Сычев В.В. Магнитные системы на
сверхпроводниках. - М.: Наука, 1972.
8. Глебов И.А., Данилевич Я.Б., Шахтарин В.Н. Турбогенераторы с использованием
сверхпроводимости. — Л.: Наука, 1981.
9. Криогенные электрические машины/Под ред. Н.Н. Шереметьевского. — М.: Энергоатомиздат,
1985.
10. Сверхпроводниковые электрические машины и
магнитные системы: Учебное пос. для вузов по специальности
«Электромеханика»/Под ред. Б.Л. Алиевского. — М.:
Изд-во МАИ, 1993.
11. Физические свойства высокотемпературных
сверхпроводников/Под ред. Д.М. Гинзберга.
- М.: Мир, 1990.
12. Ковалев Л.К. Гистерезисные ВТСП-машины (моторы и генераторы). - Новости ВТСП, 1992, т.
5.
13. Ковалев Л.К., Ковалев К.Л. Электрические
машины с объемными ВТСП. - М.: Изд-во МЭИ, 2007.