Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Расскажем о некоторых интересных идеях применения сверхпроводников помимо создания высоких магнитных полей. Например, возникающий вследствие эффекта Мейснера – Оксенфельда (см. предыдущую главу, «Эффект Мейснера – Оксенфельда») эффект левитации используется для создания движущихся на магнитной подушке высокоскоростных поездов – маглевов. Такие поезда парят над рельсами благодаря установленным в вагонах сверхпроводящим магнитам, взаимодействующим с магнитами, размещенными вдоль рельс на земле. Рекорд скорости принадлежит японскому маглеву, испытанному в 2015 году на экспериментальном участке пути между Токио и Нагоей. Во время испытаний поезд разогнался до 603 км/ч.

Другое применение сверхпроводников – это накопление энергии, что является важной задачей при использовании солнечных, ветряных и других электростанций, вырабатывающих энергию непостоянно (см. главу 13, «От теплового двигателя к электрическому»). В самом деле, избыточную энергию, накапливаемую во время пиков производства, следует каким-то образом хранить, а затем по мере потребности ее высвобождать. Одним из решений является генерирование тока в сверхпроводящей катушке. Накопленная электромагнитная энергия при этом составляет LI²/2, где I – сила текущего в катушке тока и L – ее индуктивность. На данный момент практические применения этого способа хранения энергии сдерживают энергетические затраты, требуемые для охлаждения.

Передача энергии без потерь в экспериментальном режиме уже практикуется, например, на Лонг-Айленде в США и в Эссене в Германии: сверхпроводящие кабели длиной в несколько сотен метров заменяют высоковольтные кабели для подачи энергии в целые кварталы.

Ученые работают над созданием элементной базы для квантовых компьютеров (см. главу 28, «Квантовый компьютер»), положив в основу их функционирования основанные на джозефсоновских переходах квантовые сверхпроводящие процессоры.

Итак, этот раздел науки находится в активной фазе своего развития, и, несомненно, в ближайшие десятилетия стоит ожидать появления многих новых областей применения сверхпроводимости…

Глава 26

Снежки из гелия

Второй элемент периодической таблицы Менделеева, гелий, пожалуй, больше всего интересует исследователей благодаря своим необычным свойствам. И хотя он принес ученым бессонницу и головную боль, они были вознаграждены красотой механизмов, объясняющих его особенности.

Сжижение гелия

Внимательный читатель уже знает из предыдущих глав, что гелий становится жидким только при очень низкой температуре и при атмосферном давлении не затвердевает (см. главу 22, «Нулевые колебания атомов»). Вместо этого он, при еще более низкой температуре, становится сверхтекучим, то есть лишенным вязкости (см. главу 24, «Сверхтекучесть: новые надежды»).

Гелий был впервые сжижен Камерлинг-Оннесом в его Лейденской лаборатории 10 июля 1908 года (илл. 1). В течение нескольких месяцев продолжалось соревнование с другими исследователями, тщетно пытающимися превратить этот газ в жидкость. Гелий, единственный из всех элементов, упорно оставался газообразным… Камерлинг-Оннес был уверен, что он не только сжижил гелий, но и получил его в твердой фазе еще в марте 1907 года. Действительно, сразу после быстрого снижения давления он наблюдал образование беловатого облака в газообразном гелии и, не особо задумываясь, счел его твердым. В полном восторге он телеграфировал своему коллеге сэру Джеймсу (шотландский физик и химик Джеймс Дьюар (1842–1923), первым сжиживший водород): «Получил твердый гелий». Международная пресса широко отметила это достижение. Увы, белесое облако оказалось состоящим из капель водорода, которые предательски проникли в гелий! Бедняга Камерлинг-Оннес был осмеян соотечественниками: они с иронией указывали, что вместо твердого гелия он обнаружил только halfium (слово half в переводе с нидерландского означает «половина», тогда как heel означает «целое»). Мораль: 1) великие люди ошибаются; 2) великие ученые делают преждевременные выводы, и не стоит им подражать! Однако полученная 10 июля 1908 года жидкость действительно была гелием.

1. Камерлинг-Оннес в Лейденской лаборатории, где он и его сотрудники первыми в мире получили жидкий гелий. В 1913 году ученый получил Нобелевскую премию по физике за изучение свойств вещества при низких температурах