§ 49. Сверхпроводимость.

При очень низких температурах наблюдается удивительное явление: начиная с некоторой «критической» температуры сопротивление многих металлов внезапно, скачком, падает до нуля. Это явление получило название сверхпроводимости. Критическая температура, при которой наступает сверхпроводимость, различна у разных металлов, но у всех близка к абсолютному нулю (см. том I); так, например, у свинца она равна 7,3 К (т. е. около -266°С), у ртути 4,12 К (около -269°С).

Сопротивление металлов в сверхпроводящем состоянии практически равно нулю. Что это означает? Мы знаем, что для поддержания тока в обычных металлах, т. е. при наличии сопротивления, необходимо все время действовать на электроны электрической или сторонней силой, обеспечивающей их движение, несмотря на препятствующие ему силы, вызываемые столкновениями электронов с атомами металла. Необходимая сила, действующая на электроны, обеспечивается с помощью включения в цепь источника электродвижущей силы, как это уже было подробно разъяснено (§ 39). Итак, необходимым условием поддержания тока в цепи проводников с сопротивлением является действие в цепи э. д. с. Как только прекращается действие э. д. с., так практически мгновенно прекращается и ток.

Хорошей иллюстрацией сказанного может служить явление электромагнитной индукции (гл. XV). Представим себе проволочное кольцо, помещенное в магнитное поле. При выключении магнитного поля (например, при быстром удалении магнита) в кольце возникает индукционный ток. Однако ток этот оказывается кратковременным, ибо э. д. с. индукции действует только в момент выключения магнитного поля, а с прекращением действия э. д. с. прекращается и ток в проводнике с сопротивлением.

Но если мы имеем дело со сверхпроводником, сопротивление которого равно нулю, то в нем нет сил, препятствующих движению электронов. Поэтому для поддержания тока в сверхпроводнике нет надобности в электрическом поле, а следовательно, не нужно поддерживать на концах каждого участка проводника разность потенциалов, и поэтому становится излишним и источник э. д. с. Ток, возникший в сверхпроводнике, может сохраняться неограниченно долго и после прекращения действия э. д. с. Действительно, такое явление удалось наблюдать. Для этой цели был осуществлен описанный выше опыт возбуждения индукционного тока. Только на этот раз кольцо было сделано из свинцовой проволоки, охлажденной до сверхпроводящего состояния. При выключении магнитного поля на мгновение возникала э. д. с. индукции. Однако вызванный ею ток не прекратился после исчезновения э. д. с., а продолжал длительно существовать. В одном из опытов такого рода нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес (1853-1926) наблюдал после выключения магнитного поля ток, длившийся в течение почти четырех суток! Конечно, все это время свинцовое кольцо поддерживалось при температуре около 7 К, т. е. оставалось в сверхпроводящем состояний.

И для этого замечательного случая полностью сохраняется механическая аналогия с явлением течения жидкости по трубам. Течение обычной жидкости связано с наличием сопротивления, обусловленного вязкостью (внутренним трением) жидкости (см. том I). Для поддержания тока жидкости необходимо обеспечить соответствующую разность давлений между концами любого участка струи, а следовательно, включить в цепь источник «вододвижущей силы» (насос); силы, обусловленные этой разностью давлений, и поддерживают ток, несмотря на противодействие сил трения.

Но если мы используем жидкость, вязкость которой практически равна нулю, то для поддержания течения такой жидкости нет необходимости в разности давлений, а следовательно, и в «вододвижущей силе». Такая жидкость без вязкости в кольцевой трубе, приведенная в движение мгновенным толчком, будет продолжать течь неограниченно долго, хотя давление во всех точках трубы будет одинаковым. Это нетрудно понять, ибо, если трение отсутствует, для поддержания равномерного движения не нужна внешняя сила. Таким образом, течение жидкости без вязкости вполне аналогично электрическому току в сверхпроводниках. Подобную жидкость удалось реализовать. Как обнаружил П. Л. Капица, вязкость жидкого гелия, охлажденного до температуры ниже 2,12 К (т. е. -271°С), исчезающе мала. По аналогии со сверхпроводящими металлами гелий в таком состоянии получил название сверхтекучего.