Криофизика. Научные исследования и публикации

Криофизика – наука о физических явлениях и поведении материи при сверхнизких температурах (ниже 120 К). Важными открытиями двадцатого века стали явления сверхпроводимости и сверхтекучести, с которыми связывали надежды в энергетике. Из теоретических изысканий выросло несколько направлений прикладной физики и практической инженерии, которые, в свою очередь, дали толчок новым отраслям применения низких и сверхнизких температур.

В сферу интересов криофизиков входят как теоретические проблемы криогеники, так и такие темы, как сжижение и разделение газов, термодинамика и процессы теплопереноса, холодильное машиностроение. В более широком понимании к области исследований криофизики относят и все процессы охлаждения, включая даже инженерию простых холодильников и кондиционеров.

Портал «Криофизика» представляет серию научных публикаций о современных исследованиях физики в диапазоне сверхнизких температур. На сайте представлены также научно-популярные книги, обучающие материалы и методики инженерных расчётов.

►   Портал «Криофизика». Научные исследования и публикации

Фото заснеженного Урала: Юрий Кузнецов (pixabay)

Несколько слов о сверхпроводимости

Рыдник В. И.

История науки знает те звездные часы, когда вся потенциальная энергия мысли, копившаяся долгие годы и десятилетия стремительно высвобождается в считанные дни и месяцы и совершаются замечательные прорывы в неизвестное. Эти моменты, когда сила и героизм человеческого духа проявляются с необычайной яркостью,— самые интересные. для историографа и, конечно, для читателя. Но известно. и другое: чтобы понять и оценить подвиг, нужно знать его предысторию, будничную цепь скромных шагов, заблуждений и надежд. И заключительный шаг, неразрывно связанный с предыдущими, подчас начинает казаться неизбежным, как шаг альпиниста на вершину. На подлинную радость при виде тех далей, что открываются в этот момент, можно испытать, лишь преодолев трудности восхождения.

Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году голландским ученым Хейке Камерлинг-Оннесом. С этого времени начинается вековое восхождение к пониманию сверхпроводимости и ее практическому использованию. Но путь к «базовому лагерю», с которого начиналось восхождение, был еще более долгим: он занял два с половиной столетия.

Те, кто шел по нему, естественно, не провалили конечной цели. Будучи настоящими исследователями, они не могли ставить ее перед собой. Они хотели изучить и понять обыкновенные, каждодневно наблюдаемые тепловые и электрические явления. В те далекие годы никто не прослеживал связь между теплотой и электричеством. Лишь во второй половине девятнадцатого века между ними начали наводить мосты для их совместного практического использования.

Историю достижения низких температур нередко называют «путем к абсолютному нулю», она сама по себе чрезвычайно интересна. Может быть, лучше было бы называть ее не восхождением, а спуском в глубокую пропасть температур, на дне которой покоится голубоватый и обманчиво застывший мир.

В этом мире хозяйничают квантовые законы. Не замутненные хаосом тепловых движений частиц вещества, эти законы при низких температурах проявляются в уникальной упорядоченности движений, но движений совершенно необычайных. Одним из их видов и является сверхпроводимость — прохождение электрического тока по проводникам без всякого сопротивления.

Надежду на то, что сверхпроводимость удастся понять и объяснить с помощью теории квантов, выразил еще сам ее первооткрыватель. Но проходил годы, а надежда все не сбывалась, Уже была в основном завершена квантовая механика, на ее базе создана теория металлов, в которых осуществляется сверхпроводимость, а объяснения явления все не было. Прошло почти полвека от его открытия до истинного понимания основных его черт — чрезвычайно большой срок для нашего стремительного мира.

А затем сверхпроводимость начала постепенно выходить из стен экспериментальных лабораторий и теоретических кабинетов на дорогу практического использования. Важнейшая область техники, где применение обещает произвести крупные изменения, определилась уже в первые годы после открытия этого явления,— это передача электрического тока и создание сильных магнитных полей.

Электрическое сопротивление, в результате которого часть энергии тока в проводах превращается в бесполезную, а то и вовсе вредную энергию теплового движения, в сверхпроводниках совершенно отсутствует. Это обстоятельство не только позволяет свести тепловые потери к нулю. Появляется возможность пропускать по проводам гигантские токи без огромных затрат на их интенсивное охлаждение и с помощью таких токов создавать магнитные поля колоссальной напряженности, столь необходимые в таких областях современной физики, как ускорение заряженных частиц до сверхвысоких энергий, управляемый термоядерный синтез, и других.

Большое значение сверхпроводники приобретают в сверхчувствительных измерительных приборах, идет речь и об их применении в качестве элементов электронных вычислительных машин. Родовая метка «сверх», присвоенная Оннесом открытому им явлению, словно по наследству передается тем замечательным возможностям, которые возникают с практическим использованием сверхпроводимости.

И вместе с тем открытие сверхпроводимости означает много больше, чем появление в физике еще одного неожиданного и чрезвычайно интересного эффекта. Становится все более ясным, что фундаментальная сущность сверхпроводимости широко проявляется в природе, вовсе не ограничиваясь электрическим током в металлах, охлажденных до низких температур. Она обнаруживает себя и в атомных ядрах, и в звездах, и даже, возможно, в глубинах мозга.

Коротко говоря, сущность сверхпроводимости заключается в поразительной упорядоченности, согласованности поведения микроскопических частиц вещества в больших объемах, составляющих макроскопические тела, в которых содержатся очень большие количества таких частиц. Подобное понимание привело и к некоторому перевороту в мышлении физиков. А в последнее время наметилась определенная аналогия между миром сверхпроводников и миром фундаментальных частиц, которая, возможно, внесет немалый вклад в создание всеобъемлющей единой теории этого, пожалуй, наиболее глубоко скрытого мира.

Публикуется по изданию:
Рыдник В. И. Электроны шагают в ногу, или История сверхпроводимости.— М.: Знание, 1986.— 192 с.

Читайте книги, скачивайте учебные пособия в библиотеке:
►   Портал «Криофизика». Библиотека научно-технической литературы

Следующая страница: Волшебство науки. Криогенная техника