Чтобы перевести значение температуры по шкале Кельвина (Т) в шкалу Цельсия (t), нужно воспользоваться формулой: t = T – 273.
Сопротивление электрическому току при нагревании металлов увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Рассчитать сопротивление проводника при изменении его температуры можно по формуле известной из школьной программы (смотри статью №2 на канале VShch). В соответствии с формулой расчёта, при понижении температуры металла линейно уменьшается и его сопротивление. Однако в действительности сопротивление металлов изменяется линейно лишь до определенного значения температуры (порядка 100 градусов по шкале Кельвина), затем нелинейно достигает некоторого предельного значения, ниже которого оно не падает (остаточное сопротивление) и перестаёт зависеть от температуры. Было выявлено, что так ведут себя не все металлы, у некоторых при температуре близкой к абсолютному нулю (– 273,15 градуса по шкале Цельсия), сопротивление скачком уменьшается до 0.
Явление, когда сопротивление скачком уменьшается до нуля при определённой температуре, называется сверхпроводимостью. Вещество, которое может переходить в сверхпроводящие состояние, называется сверхпроводником.
Температура скачкообразного перехода вещества из нормального состояния в сверхпроводящее, называется критической температурой Ткр и она различна для разных веществ. Так критическая температура для свинца 7,2 градуса Кельвина, для алюминия 1,2 градуса К, а для цинка 0,9 градуса К. Если создать ток в сверхпроводнике при температуре Т равной или меньшей чем Ткр, а затем отключить источник питания, соединив проводник в кольцо, то ток может сохраняться в нем, не ослабевая без приложения какой - либо электродвижущей силы, неограниченно долго.
Сверхпроводимость обнаружена у почти половины известных металлов, а также у некоторых полупроводников и у большего количества химических соединений и сплавов. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводники, не являются проводниками при обычных температурах и наоборот, такие металлы как медь, серебро, золото, платина, отлично проводящие электрический ток при комнатных температурах, в сверхпроводящее состояние не переходят.
Явление сверхпроводимости открыл в 1911 году голландский физик Хейке Камерлин - Оннес. Проводя замеры сопротивления ртути при её охлаждении в жидком гелии, он обнаружил, что при уменьшении температуры сопротивление сначала меняется постепенно, а при достижении 4,2 градуса К резко падает до нуля. Дальнейшие исследования учёных показали, что сверхпроводимость сопровождается не только исчезновением электрического сопротивления, но ещё и полным вытеснением магнитного поля из материала при переходе его в сверхпроводящее состояние (эффект Мейснера). Если материал, обладающий сверхпроводящими свойствами, поместить во внешнее магнитное поле и охладить его ниже критической температуры, то магнитное поле будет выталкиваться из об’ёма сверхпроводника.
Сверхпроводники в сверхпроводящем состоянии являются идеальными диамагнетиками – веществами с малой магнитной проницаемостью, они не усиливают внешнее магнитное поле и не имеют остаточного магнетизма после исчезновения намагничивающего поля как это происходит у ферромагнетиков. Под действием достаточно сильного магнитного поля (критическое магнитное поле) эффект сверхпроводимости исчезает. Переход от сверхпроводящего состояние в нормальное можно осуществлять путём повышения магнитного поля при температуре ниже критической Ткр.
Для каждого сверхпроводника существует также критическое значение силы тока Iкр. Это значение максимального тока, который может выдерживать сверхпроводник без потери сверхпроводящего состояния. При превышении этого значения сверхпроводник теряет свойство сверхпроводимости. Это происходит потому, что вокруг сверхпроводника с током создаётся своё магнитное поле, которое при достижении определённой силы, разрушает сверхпроводящее состояние и в действие вступает закон Ома. Явление разрушения сверхпроводимости магнитным полем наблюдается независимо от того, чем это поле создано – внешним источником или током, текущим по самому сверхпроводнику.
Так как сопротивление при сверхпроводимости отсутствует, то не происходит выделение тепла при прохождении тока, то есть нет и потерь энергии. Плотность тока в сверхпроводящем состоянии многократно больше допустимой плотности сверхпроводника в нормальном состоянии. По малому сечению сверхпроводника в сверхпроводящем состоянии могут протекать токи очень большего значения. Для передачи больших электрических мощностей с использованием явления сверхпроводимости, созданы специальные кабели сложной конструкции. Сконструированы мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой, в которой протекают токи большой плотности, создающие сильные магнитные поля. Однако получить сколь угодное сильное магнитное поле нельзя из-за существования критического значения силы тока для каждого сверхпроводника.
В настоящее время сверхпроводимость возможна при очень низких температурах и поэтому используется весьма ограниченно. Учёными достигнуты значительные успехи в деле получения искусственных веществ, температура перехода которых в сверхпроводящее состояние становится всё больше (высокотемпературная сверхпроводимость, Ткр > 77 градусов К ), но это возможно пока только при чрезвычайно высоких давлениях. В этом случае для охлаждения, вместо жидкого гелия, применяют жидкий азот, который намного дешевле, гораздо проще и безопасней в эксплуатации. В 1988 году создано керамическое соединение с критической температурой 125 градусов К, а 2015 году был зафиксирован новый рекорд температуры, при которой в материалах возникает эффект сверхпроводимости: 203 градусов по шкале Кельвина (- 70 градусов С), при давлении 100 ГПа. Для получения сверхпроводимости при такой температуре используется сухой лед (твердая углекислота).
Задача науки в этом направлении - создание искусственных материалов, которые будут обладать сверхпроводимостью даже при комнатных температурах. Возможность создания таких материалов теоретически обоснована и в случае успеха, явление сверхпроводимости приведёт к технической революции в радиоэлектронике и радиотехнике. Оно найдет ещё более широкое применение в энергетике: возможность передачи электрической энергии на большие расстояния без потерь в подводящих проводах; изготовление трансформаторов, электродвигателей, генераторов, других электрических машин и электроаппаратуры исключительно компактных размеров; получение огромных магнитных полей для магнитной подвески поездов (магнитная левитация).