При температуре ниже определённого значения некоторые вещества теряют способность препятствовать прохождению электрического тока. Их электрическое сопротивление становится нулевым. Это свойство называют сверхпроводимостью.
Открытие сверхпроводимости
Явление сверхпроводимости открыл в 1911 г. голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес , исследуя зависимость электрического сопротивления металлов от температуры. Сверхнизкими температурами он начал интересоваться ещё в 1893 г. А в 1908 г. ему удалось получить жидкий гелий. Охлаждая с его помощью металлическую ртуть, он с удивлением обнаружил, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, электрическое сопротивление ртути скачком падает до нуля.
Согласно существовавшим в то время физическим теориям, с понижением температуры сопротивление должно плавно падать. Но существовала и такая точка зрения, что при очень низкой температуре движение электронов прекратится, сопротивление вырастет, и вещество вообще перестанет проводить электрический ток.
В начале эксперимента всё происходило согласно теории. С понижением температуры сопротивление ртути плавно уменьшалось. Но когда температура опустилась до 4,15 К, ртуть внезапно вообще потеряла сопротивление. Она перешла в совершенно новое состояние, которое было названо сверхпроводимостью .
Природа сверхпроводимости
Что же происходит в металлах при понижении их температуры до значений, близких к абсолютному нулю?
Каждый атом состоит из ядра, заряженного положительно, и электронов, имеющих отрицательный заряд. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам. Чем ближе орбита к ядру, тем сильнее электрон к нему притягивается. Электроны, находящиеся на внешней орбите, называются валентными. Они легко отрываются от ядра, покидают свою орбиту и свободно перемещаются внутри кристаллической решётки. Под воздействием внешнего электрического поля их движение становится упорядоченным, они начинают двигаться в одном направлении. В металле возникает электрический ток. Однако на пути электронов возникают препятствия в виде узлов кристаллических решёток, их дефектов, или атомов примесей, которые присутствуют в веществе. Поэтому возникает электрическое сопротивление току. С понижением температуры нарушения структуры решёток, связанные с тепловыми колебаниями атомов, уменьшаются. Структура становится более правильной. Следовательно, уменьшается и сопротивление.
Объяснение сверхпроводимости на микроскопическом уровне было дано в теории, названной БКШ в честь её создателей - американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера . В её основу положены куперовские пáры электронов .
Леон Нил Купер
При обычных условиях электроны являются фермионами, частицами с полуцелым спином, имеющим значение -1/2 или +1/2. Каждый из фермионов описывается своей волновой функцией. Двигаются они также поодиночке и самостоятельно преодолевают препятствия на своём пути. Но при определённых условиях они образуют пáры. Электроны со значениями спинов +1/2 и -1/2 объединяются и образуют связанное состояние, которое называют кýперовской парой . Эта пара имеет нулевой спин и удвоенный заряд электрона. А раз её суммарный спин равен нулю, то она обладает свойствами бозона. Бозоны образуют «бозе-конденсат», к которому присоединяются все свободные бозоны. Они становятся единым целым, способным двигаться, не реагируя ни на какие препятствия на своём пути. Так возникает ток сверхпроводимости.
Критическая температура
Оказалось, что не только ртуть обладает сверхпроводимостью при температурах, близких к абсолютному нулю. Такое свойство открыли у свинца, олова, таллия, урана и других металлов. Сверхпроводимость проявляется скачкообразно, когда вещество охлаждается до определённой температуры. Температуру Т с , при которой этот скачок происходит, называют критической. У каждого элемента, обладающего сверхпроводимостью, она своя. Например, ниобий переходит в состояние сверхпроводимости при 9 К, а вольфрам при 0,012 К.
Сверхпроводимостью обладают не только чистые металлы, но и некоторые сплавы. Например, сплав ртути с золотом и оловом. Существуют даже сверхпроводящие сплавы, у которых один из элементов, входящих в его состав, может и не быть сверхпроводником.
Если кольцо из сверхпроводника охладить до критической температуры и возбудить в нём электрический ток, то он будет течь даже после того, как уберут источник тока, и до тех пор, пока в кольце будет поддерживаться температура ниже критической. Но так происходит только в электрическом поле постоянного электрического тока. В переменном электрическом поле сопротивление сверхпроводника увеличивается, если увеличивается частота переменного тока.
В 1983 - 1986 г.г. были созданы новые сверхпроводники. Это сверхпроводящие керамики, сверхпроводники на основе железа и др. Сверхпроводимость в них наступала при температурах, значительно превышающих температуру абсолютного нуля. В 1993 г. было открыто вещество, критическая температура которого равна 135 К.
Эффект Мейснера
В 1933 г. немецкий физик Вальтер Фриц Мейснер вместе с другим немецким физиком Робертом Оксенфельдом открыл ещё одно удивительное и важное свойство сверхпроводников - выталкивание магнитного поля из своего объёма . Это явление было названо эффектом Мейснера .
Вальтер Фриц Мейснер
Эффект Мейснера наглядно демонстрирует опыт, поставленный в 1945 г. российским физиком Владимиром Константиновичем Аркадьевым.
В этом эксперименте постоянный магнит, поднесённый к чашечке, сделанной из сверхпроводящего металла, висит в пространстве над ней. Низкая температура чашечки поддерживается за счёт того, что её ножки погружены в жидкий гелий. Но почему же магнит не притягивается к чашечке? Дело в том, что незатухающий ток внутри сверхпроводника создаёт магнитное поле, направление которого противоположно направлению внешнего магнитного поля, создаваемого магнитом. Это поле уравновешивает и отталкивает внешнее поле, благодаря чему магнит будто парит в пространстве. Это явление называется магнитной левитацией.
Если поместить сверхпроводник в магнитное поле и напряжённость этого поля увеличивать, то при определённом значении напряжённости, равной Н с , сверхпроводимость исчезает. Такое магнитное поле называется критическим полем. При напряжённости выше Н с сверхпроводник становится обычным проводником. Чем ниже температура сверхпроводника, тем большей должна быть напряжённость поля, способного разрушить сверхпроводимость.
В чистых сверхпроводников, состоящих из одного вещества, магнитное поле будет выталкиваться до тех пор, пока напряжённость магнитного поля не достигнет значения Н с . Такие сверхпроводники называются сверхпроводниками I рода .
А для сверхпроводящих сплавов таких значений два: Н с1 и Н с2 . Когда напряжённость внешнего магнитного поля достигнет значения Н с1 , это поле уже начнёт проникать внутрь сверхпроводника. Но его электрическое сопротивление всё ещё остаётся нулевым, и явление сверхпроводимости наблюдается. А когда напряжённость станет равна Н с2 , сверхпроводимость исчезнет совсем. Такие сверхпроводники называются сверхпроводниками II рода .
Применение сверхпроводников
Открытие сверхпроводимости произвело настоящий переворот в науке. Сразу же появилось множество идей по использованию этого уникального явления в технике.
При сверхнизких температурах ток проходит в сверхпроводниках практически без потерь. Поэтому их используют при создании различных кабелей, коммутационных устройств, электродвигателей, турбогенераторов, приборов для измерения температуры, давления и др. Они идеально подходят для создания электромагнитов. С их помощью создаётся электромагнитное поле в магнитно-резонансном томографе. Это позволяет врачам получать качественные изображения тканей внутренних органов человека в разрезе, хотя на самом деле орган не травмируется.
В установках термоядерного синтеза, в крупных ускорителях элементарных частиц используют сверхпроводящие катушки.
Обмотки сверхпроводящих магнитов, с помощью которых создают сильные магнитные поля, изготавливают из сверхпроводников II рода. Сверхпроводящие магниты гораздо экономичнее обычных ферромагнитов.
В 2003 г. в Японии провели испытание поезда на магнитной подвеске. Его движение основано на использовании эффекта Мейснера (магнитной левитации). Электромагнитное поле рельсов отталкивается сверхпроводниками, находящимися в подвеске поезда. И поезд словно летит над рельсами, не касаясь их. Это позволяет ему развивать огромную скорость, сравнимую со скоростью самолёта. Конечно, такие поезда требуют специальных рельсов. Но энергии они затрачивают в десятки раз меньше, чем самолёты. Подобные поезда созданы в Германии, Китае и Южной Корее.
Впервые гелий был ожижен в 1908 г. Хайке Камерлинг-Оннесом в Лейденском университете, и с того времени стало возможным изучать физические явления при температурах лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля (точка кипения гелия при атмосферном давлении 4,2 К).
Одно из направлений исследований касалось зависимости сопротивления металлов от температуры. Камерлинг-Оннес уже проводил подобные исследования при температурах, уменьшающихся вплоть до температуры жидкого воздуха (около 80 К).
Для нескольких чистых металлов он обнаружил примерно линейную зависимость, однако он установил, что подобная зависимость не может продолжаться беспредельно, так как в противном случае при абсолютном нуле сопротивление стало бы отрицательным. Сэр Джеймс Дьюар продолжил изыскания Камерлинг-Оннеса и достиг температуры жидкого водорода (20 К), при этом выяснилось, что сопротивление действительно начинает уменьшаться медленнее.
Именно этого и следовало ожидать, причем не только по уже названной причине, но также исходя из принятых в то время представлений о металлах и их свойствах.
Считалось, что электрическая проводимость осуществляется путем переноса электронов, а сопротивление возникает в результате соударений электронов с атомами металлов.
Линейный характер уменьшения сопротивления вполне согласовывался с предполагаемым изменением движения электронов при понижении температуры. Ожидалось, однако, что При достаточно низких температурах электроны «конденсируются» на атомах, тогда сопротивление при какой-то температуре должно быть минимальным, и затем металл должен переходить в диэлектрик.
Наблюдаемое в действительности поведение металлов резко отличалось от предполагаемого. Камерлинг-Оннес обнаружил, что при понижении температуры сопротивление большинства металлов стремится к постоянной величине, тогда как у некоторых металлов оно полностью исчезает при определенной, характеристической, температуре, которая, как выяснилось, зависит от напряженности магнитного поля. Эти эксперименты относятся к числу работ, за которые Камерлинг-Оннес был удостоен в 1913 г. Нобелевской премии по физике.
В течение более двух десятилетий именно исчезновение сопротивления считалось главной, отличительной чертой сверхпроводимости. Однако некоторые особенности этого явления приводили ученых в замешательство.
Так, если магнитное поле приложить к обычному проводнику (только не ферромагнетику), часть магнитного потока проходит через толщу проводника. Если же приложить его к идеальному проводнику, в последнем индуцируются поверхностные токи, которые создают внутри проводника магнитное поле, полностью компенсирующее приложенное внешнее поле, и тем самым поддерживают внутри проводника нулевое значение магнитного потока.
Это означало, что состояние проводника в магнитном поле зависит от того, каким способом это состояние было достигнуто - ситуация в высшей степени неприятная.
Позднее, в 1933 г., В. Мейснер, Р. Оксенфельд и Ф. Хайденрейх показали, что металл, становясь сверхпроводником, в действительности выталкивает магнитный поток, если температура понижается ниже критического значения, когда образец находится в магнитном поле.
Следующий этап исследования заключался в изучении вновь открытого состояния при больших значениях тока. Необходимость такого исследования была продиктована следующим обстоятельством: если бы сопротивление в действительности не равнялось нулю, то больший ток должен был бы приводить к большему, а следовательно, и легче регистрируемому значению разности потенциалов.
Однако полученные результаты лишь еще более запутали ситуацию, так как наблюдалось «особое явление: при любой температуре ниже 4,18 К для ртутной нити, заключенной в стеклянный капилляр, существовало некое пороговое значение плотности тока, при превышении которого характер явления резко изменялся. При плотностях тока ниже пороговой электрический ток проходит без сколько-нибудь заметных разностей потенциалов, приложенных к концам нити. Это говорило о том, что нить не обладает сопротивлением.
Как только плотность тока превосходила пороговое значение, появлялась и разность потенциалов, которая к тому же росла быстрее, чем сам ток». Затем была поставлена серия экспериментов с целью найти объяснение новому эффекту. Прежде всего было замечено, что пороговая плотность тока возрастала с понижением температуры - примерно пропорционально отклонению от температуры перехода в сверхпроводящее состояние (до тех пор, пока разность между температурами была не слишком велика). Естественно напрашивалось предположение, что из-за нагрева, обусловленного каким-то эффектом, температура ртути поднималась выше точки перехода. Была поставлена задача - найти этот источник тепла.
Используя различные конфигурации ртутной нити, удалось установить, что тепло не подводилось снаружи. Рассматривалось влияние примесей в ртути, хотя в процессе перегонки они должны были быть удалены; опыты показали, что эффект нагревания не связан с примесями, специально добавленными в нужных количествах.
Далее было высказано предположение, что, возможно, контакт ртутной нити с обычным проводником, в каком-либо виде оказавшемся в ней или образованным внутри ее, способен аннулировать сверхпроводящие свойства ртути. Для проверки был взят стальной капилляр, но это не привело к каким-либо определенным результатам, и лишь в дальнейшем, в результате опытов того же типа на олове, это предположение было исключено. В целом эксперименты с ртутью не дали ответа на поставленный вопрос.
Однако, как установил Камерлинг-Оннес, ртуть являлась не вполне подходящим объектом для систематических исследований. «Совместное действие многих обстоятельств приводило к трудностям при работе с ртутью в капиллярах.
День эксперимента с жидким гелием требовал огромной подготовки, и, когда дело доходило непосредственно до описанных здесь экспериментов, на них оставалось лишь несколько часов. Чтобы при этих условиях проводить точные измерения с жидким гелием, необходимо заранее наметить программу и быстро и методично выполнять ее в день эксперимента. Изменения в постановке эксперимента, необходимость которых вызывалась наблюдаемыми явлениями, приходилось обычно вносить на следующий день.
Зачастую, в связи с некоторой задержкой, обусловленной трудоемкостью процесса изготовления сопротивлений, гелиевая установка использовалась для каких-либо других целей. Когда же мы могли снова заняться экспериментом, случалось, что приготовленные сопротивления оказывались бесполезными, так как при замораживании ртути нить разрывалась, и все наши усилия становились напрасными. В этих условиях для того, чтобы обнаружить и исключить источники неожиданных и вводящих в заблуждение помех, требовалось очень большое время.
Кроме того, желательно было охлаждать образец не через стенку капилляра, а путем его прямого контакта с жидким гелием. Поэтому, когда Камерлинг-Оннес обнаружил, что олово и свинец обладают свойствами, сходными со свойствами ртути, он продолжил эксперименты с этими двумя металлами. Именно тогда поставленная проблема и была решена.
По существу, надежда на ее решение возникла уже при проведении опытов, в которых была обнаружена сверхпроводимость свинца. Из него можно было легко изготовить проволоку, и было сделано довольно большое количество провода с поперечным сечением 70 мм2. Для одиночного проводника такого размера пороговое значение тока при 4,25 К составляло 8 А. Далее этим проводом на сердечнике диаметром 1 см была намотана катушка длиной 1 см содержащая 1000 витков. Обмотка имела шелковую изоляцию, которая смачивается жидким гелием. Как оказалось, пороговое значение тока составляло лишь 0,8 А.
В 1913 г. интерес к получению сильных магнитных полей уже был достаточно велик, причем не вызывало сомнений, что основная проблема связана с рассеянием мощности в обмотке. Например, Перрен предложил использовать для охлаждения жидкий воздух; ожидалось, что благодаря уменьшению сопротивления обмотки с понижением температуры уменьшится количество выделяемого в ней тепла, что даст определенный выигрыш.
Расчеты показали, однако, что выигрыша таким путем не достичь, в первую очередь это обусловлено тем, что весьма трудно добиться требуемой теплопередачи между предположительно компактной катушкой и охладителем. Камерлииг-Ониес правильно оценил возможности использования с этой целью сверхпроводников, обратив внимание на то, что в них тепло вообще не должно выделяться. Говоря об этом, он, однако, допускал «возможность того, что магнитное поле может привести к возникновению сопротивления в сверхпроводнике». И он приступил к исследованию этого вопроса.
«Были причины предполагать, что этот эффект окажется слабым. Прямое доказательство того, что в сверхпроводниках под действием магнитного поля возникает лишь незначительное сопротивление, было получено, когда оказалось, что описанная выше катушка остается сверхпроводящей, если даже через нее проходит ток 0,8 А. Поле самой катушки достигало в этом случае нескольких сотен гаусс, и в поле такого порядка величины находилась большая часть витков, однако никакого сопротивления не наблюдалось». Поэтому Камерлинг-Оннес создал такую установку для проведения этих экспериментов, которая позволила бы изучать явления, наблюдаемые лишь в полях порядка килогаусс.
Результаты вновь оказались неожиданными. Сверхпроводящую свинцовую катушку, использованную в предшествующих опытах, помещали в криостат так, что плоскость витков была параллельна магнитному полю.
«Прежде всего мы убедились в Том, что катушка будет сверхпроводящей в точке кипения гелия; она оставалась сверхпроводящей и тогда, когда через нее пропускали ток 0,4 А, хотя витки находились в заметном магнитном поле, создаваемом протекающим в них током.
Затем было приложено магнитное поле. При величине поля 10 кГс существовало значительное сопротивление, при 5 кГс оно было несколько меньше. Эти опыты достаточно убедительно показали, что магнитное поле при большой интенсивности вызывает появление сопротивления в сверхпроводниках, а при малой - нет. В ходе дальнейших исследований была получена зависимость сопротивления от поля.
Камерлинг-Оннес еще не был готов к тому, чтобы связать критический ток с критическим значением магнитного поля. Он не имел никаких сомнений в том, что открытое здесь явление связано с внезапным возникновением при определенной температуре обычного сопротивления в сверхпроводниках - эту связь выяснили другие исследователи. Тем не менее можно было считать, что фундамент заложен.
С течением времени, однако, парадокс, описанный в начале этой главы, стал весьма очевидным. Небольшое изменение формулировки еще более усилило его. Если вещество, находясь в магнитном поле, должно было переходить в идеально проводящее состояние при понижении температуры, то пронизывающий образец магнитный поток в момент перехода должен был бы остаться «вмороженным» в него и сохраниться при последующем выключении поля (если температура при этом поддерживается неизменной).
Приготовив подобным образом различные образцы, можно было бы создать множество (в принципе бесконечное) различных состояний, существующих при одинаковых внешних условиях, которые, возможно, могли бы даже находиться в тепловом контакте друг с другом, т. е. в состоянии равновесия.
Вплоть до 1933 г. подобная возможность не была опровергнута экспериментально, а некоторые эксперименты, казалось, даже подтверждали ее. Существовали даже и теоретические соображения в ее пользу. И в этот момент Мейснер, изучая переход в сверхпроводящее состояние, был поражен появлением своеобразного гистерезиса: возврат монокристалла олова в нормальное состояние происходил при температуре, слегка превышающей температуру перехода в сверхпроводящее состояние.
Этот эффект наблюдался даже тогда, когда сопротивление в каждой точке измерялось при двух направлениях тока методом, специально разработанным для исключения термоэлектрических явлений, если направление тока не изменялось, эффект усиливался. Гистерезис наводил на мысль о том, что явление связано с изменением проницаемости образца.
Мейснер писал об этом так: «Если бы распределение измеряемого тока и созданного им магнитного поля не изменялось, не было бы основания для возникновения гистерезисных явлений». Поэтому он вместе со своими сотрудниками предположения, что его проницаемость падает до нуля. Если бы это вообще имело место, то ни одна силовая линия поля не могла бы кончаться на внутренней поверхности полости сверхпроводника, тогда как эксперименты с очевидностью показывают, что ситуация именно такова.
Прошло немало лет, прежде чем удалось создать удовлетворительную теорию сверхпроводимости; по существу, этот вопрос не был окончательно решен даже в 1972 г. Однако открытие Мейснера по крайней мере позволило дать удовлетворительную макроскопическую трактовку наблюдаемых явлений.
Дж. Тригг "Физика ХХ века: Ключевые эксперименты"
Ртуть является чрезвычайно важным металлом, который используется практически во всех производственных отраслях. Поэтому многие страны стремительно развивают ртутную промышленность и расширяют поиски ее месторождений. Какое место занимает применение ртути в современной промышленности - попробуем разобраться в этой статье.
Что представляет собой ртуть
Это химический элемент и единственный металл, который находится в жидком состоянии при нормальной температуре. серого цвета - вот как выглядит ртуть, фото которой приведено ниже.
Затвердеть ртуть может только при очень низкой температуре. Средневековые алхимики никак не могли добиться отвердения этого металла. И только в 1759 году российские академики М. В. Ломоносов и И. А. Браун сумели сделать это. Дело в том, что в тот год в России были сильные морозы, и с помощью специальных смесей ученые понизили температуру до -56ºС. В таких условиях ртуть замерзла и стала похожа на металл. Спустя длительное время другие алхимики обнаружили у ртути сверхпроводимый эффект, когда понизили температуру до -270ºС.
Ртуть в истории человечества
Ртуть известна человеку еще с древних времен. Первые упоминания о ней встречаются в записях V века до н. э. Очень много исследовали ртуть в Индии и Китае. Самая древняя индийская школа по алхимии известна как «расаяна» или «путь ртути». Она занималась разработками лечебных препаратов и разных снадобий.
Древние люди находили ртуть в природе в виде киновари. Они использовали ее в качестве красного красителя. Название «киноварь» связано с древней легендой и переводится как «кровь дракона». Такая характеристика ртути связана с религиозными верованиями. В то время люди верили, что это кровь убитого в горах священного существа - дракона. Поэтому ртуть считали целебным веществом, способным лечить больных. Одним из таких лечебных средств была ртутная мазь.
Древние алхимики считали ртуть основой всех металлов и их жизненной силой. Они были убеждены, что из ртути и серы можно получить золото. Но после многочисленных опытов и экспериментов стало понятно, что ничего из этой идеи не выйдет. Сколько ученых погибло, пытаясь открыть формулу создания золота. И эти исследования продолжались до 30-х годов XX века, пока наука не начала стремительно развиваться. В результате применения радиоактивного распада, ученые получили из ртути стабильные изотопы золота, но их было очень мало. И цена такого металла очень высока.
Как добывают ртуть
Основным и практически единственным промышленным источником ртути является минерал киноварь. Он состоит на 86% из остальные составляющие - примеси других минералов. Обычно киноварь имеет вид сплошных выделений, богатых примесями, и внешне напоминает зерна неправильной формы. Редко встречаются сформированные кристаллы ромбоэдрического, бипирамидального облика. Иногда обнаруживаются двойники.
Металлическую ртуть из киновари получают путем нагрева в открытой трубке, которая обеспечивает контакт с кислородом. Во время нагревания маленькие капельки ртути стекают по холодным стенкам. Обычно рудные тела залегают на небольших глубинах и приурочены к кварцитам, известнякам, доломитам и сланцам. Самые крупные в мире месторождения ртути находятся в Испании, США, Югославии, Словении, Таджикистане, Кыргызстане. Большие кристаллы ртутной руды добывают в южной части Китая.
Основные свойства ртути
Этот минерал имеет уникальные свойства, которые сделали применение ртути в современной промышленности важным ее элементом. Ртуть считается ядовитым и опасным металлом. Но его физические и химические свойства во многих сферах человеческой деятельности незаменимы.
Физические свойства
Ртуть относится к диамагнетикам, так как может образовывать твердые сплавы с другими металлами и жидкие соединения - амальгамы. Температура затвердевания ртути составляет -38,83ºС, а кипит металл при 356,73 ºС. Испаряется она при Еще одна важная характеристика ртути - она диамагнитна. Это значит, что собрать жидкие шарики металла обычным магнитом невозможно.
Химические свойства
Как и благородные металлы, ртуть устойчива в сухом воздухе. Она взаимодействует с кислотами, солями, неметаллами. С водой, щелочами и неокисляющими кислотами ртуть не реагирует. При температуре выше 300ºС она вступает в реакцию с кислородом, образуя оксид ртути.
Применение ртути в современной промышленности
Еще в средние века активно применяли в медицине для амальгамирования и изготовления разных приборов. В наше время невозможно найти отрасль народного хозяйства, которая не использует ртуть. Свойства и применение этого минерала описаны учеными со всего мира в многочисленных научных трудах.
Так, ртуть используется в сельском хозяйстве для протравы семян. В химической промышленности ее применяют в качестве катализатора для получения из ацетилена Использование ртутных катодов позволяет выделить из поваренной соли едкий натр и хлор.
Ртуть является незаменимым компонентом в производстве красок для подводной части морских судов. Дело в том, что обитающие в морской воде микроорганизмы прикрепляются к днищам судов и способствуют коррозии и износу металлических деталей. Содержащая в краске ртуть под воздействием морского хлора образует сулему, которая отравляет вредные бактерии.
Ртуть применяют даже в производстве фетра. Имеющиеся в ее составе соли отлично обезжиривают пух. Более безопасных заменителей, которые бы давали такой же эффект, пока не нашли. Также ртуть служит катализатором во время органического синтеза в процессе дубления кожи.
Как уже упоминалось, ртуть всегда использовалась в медицине. В наши дни на ее основе выпускают антисептические и мочегонные препараты. А ртутная мазь готовилась еще в древней Индии, рецепт которой сохранился до наших дней. Из-за свойства растворять другие металлы ртуть используют для изготовления зубных пломб.
Применение ртути в промышленности связано также с ее способностью испаряться при комнатной температуре. Например, для очистки нефти. Так, выпаривание металла способствует регулировке температуры нефтеперерабатывающих процессов.
Ртутные приборы
Физико-химические свойства являются главной причиной, по которой происходит применение ртути в разных приборах и машинах. Пары металла используются в ртутных турбинах. Такие установки особенно выгодны, когда в агрегате мало воды и охлаждение механизма происходит исключительно воздухом.
В электротехнике применяют выпрямители с жидким ртутным катодом. Они позволяют преобразовать трехфазный электрический ток в постоянный. Даже в астрономических целях применяют ртутные приборы - горизонты. Они имеют специальный сосуд с жидким металлом, поверхность которого служит зеркалом во время наблюдений за космосом. Также применение ртути в современной промышленности проявляется в производстве разных прерывателей, термометров.
Во многих отраслях медицины используют ртутно-кварцевые лампы, которые облучают ультрафиолетовыми лучами. Также незаменимым медицинским инструментом является всем известный градусник для измерения температуры тела.
Сколько стоит ртуть: цена на мировом рынке
Цена на ртуть формируется по тому же принципу, что и на другие металлы. Так, стоимость этого минерала зависит от объема поставок и чистоты предлагаемой ртути. На цена на ртуть за последние полгода значительно упала. Так, если ее средняя цена в конце 2014 года составляла 75 долларов США/кг, то в марте 2015 года - 55 долларов США/кг. Но свободно купить жидкий металл практически невозможно, поскольку ртуть относится к химически-опасным веществам. Даже за утилизацию разлитой ртути необходимо заплатить определенную сумму.
Что касается изделий, которые содержат ртуть, их стоимость зависит от количества используемого металла и от других производственных издержек. Например, очень дешево стоит градусник ртутный. Цена в аптеках колеблется от 25 до 50 рублей.
Опасность ртути для здоровья
Несмотря на широкое применение ртути в промышленности, она считаются довольно опасным химическим веществом. По критериям вреда для жизни и здоровья ртуть относится к первому классу опасности. Обычно ртуть попадает в организм путем вдыхания ее паров, которые не имеют запаха. Именно ртутные испарения представляют наибольшую опасность.
Чтобы вызвать тяжелое отравление и проблемы со здоровьем, достаточно воздействия небольшого количества минерала. Во время токсикации в наибольшей степени поражаются легкие, почки, иммунная, нервная, пищеварительная системы, глаза и кожа.
В зависимости от причин и характера отравления различают легкую, острую и хроническую формы. Легкая токсикация возникает при пищевом отравлении. После аварий на предприятиях химической промышленности или вследствие нарушения техники безопасности проявляется острая форма отравления. В этом случае у больного наблюдается снижение умственной активности, истощение, могут появляться судороги, потеря зрения, облысение и даже полный паралич. В тяжелых случаях острое отравление может привести к летальному исходу. Хроническое отравление развивается в результате постоянного контакта с ртутью и может проявляться долгое время после прекращения работы с ней. У людей с этой формой патологии повышается риск развития гипертонии, туберкулеза и атеросклероза. Бывают случаи, когда хроническая токсикация вызывает психические отклонения.
Особенно внимательно с ртутными приборами следует обращаться беременным женщинам. Пары ртути представляют большую угрозу для развития плода. Если в доме есть дети, лучше обычные ртутные термометры заменить электронными.
Утилизация ртутьсодержащих отходов
Широкое применение ртути способствует высокой концентрации ее паров в атмосфере крупных городов. Сейчас повсюду используют люминесцентные лампы, которые содержат от 30 до 300 мг жидкого металла. А в некоторых лампах его в несколько раз больше. Согласно статистике, ежегодно около 100 млн. таких ламп становятся непригодными и требуют переработки. Лишь небольшая их часть проходит специальную утилизацию, а остальные сразу отправляются на свалку, где из-за разрушения целостности стекла ртуть попадает в атмосферу.
Кроме того, ртуть применяется в производстве аккумуляторов и батарей, которые в основном никак не перерабатываются. Таким путем за год на свалку попадает около 40 тонн ртути. Эта цифра очень большая, поэтому проблема утилизации ртутьсодержащих предметов стоит очень остро. Бесконтрольное обращение с ртутными отходами, безответственное отношение к приборам, содержащим этот жидкий металл, создает угрозу здоровью и жизни людей. Всем известно, какие неприятности может принести обычный градусник ртутный. Цена неумелого обращения с ним может стоить даже жизни.
Сейчас правительства всех стран работают над вопросом переработки ртутьсодержащих отходов. С этой целью создаются специальные компании, которые занимаются сбором непригодных к использованию приборов и ртутных предметов. Они разделяют их на компоненты (цоколи, стекло, металл) и перерабатывают. Из каждого вида отходов формируются блоки, которые упаковываются в специальную тару (чехлы, полиэтиленовые пакеты, канистры) и доставляются на место переработки.
Хаотичное движение атомов проводника препятствует прохождению электрического тока. Сопротивление проводника уменьшается с уменьшением температуры. При дальнейшем снижении температуры проводника наблюдается полное уменьшение сопротивление и явление сверхпроводимости.
При некоторой температуре (близкой 0 oK) сопротивление проводника резко падает до нуля. Это явление называется сверхпроводимостью. Однако, в сверхпроводниках наблюдается также другое явление — эффект Мейснера. Проводники в сверхпроводящем состоянии обнаруживают необычное свойство. Из объема сверхпроводника полностью вытесняется магнитное поле.
Вытеснение сверхпроводником магнитного поля.
Проводник в сверхпроводящем состоянии, в отличие от идеального проводника, ведет себя как диамагнетик. Внешнее магнитное поле вытесняется из объема сверхпроводника. Тогда если поместить магнит над сверхпроводником, магнит зависает в воздухе.
Возникновение этого эффекта связано с тем, что при внесении сверхпроводника в магнитное поле в нем возникают вихревые токи индукции, магнитное поле которых полностью компенсирует внешнее поле (как в любом диамагнетике). Но индуцированное магнитное поле само также создает вихревые токи, направление которых противоположно токам индукции по направлению и равно по величине. В результате в объеме сверхпроводника отсутствуют и магнитное поле и ток. Объем сверхпроводника экранируется тонким приповерхностным слоем - скин-слоем - на толщину которого (порядка 10-7-10-8 м) проникает магнитное поле и в котором происходит его компенсация.
а - нормальный проводник, обладающий отличным от нуля сопротивлением при любой температуре (1), внесен в магнитное поле. В соответствии с законом электромагнитной индукции возникают токи, которые сопротивляются проникновению магнитного поля в металл (2). Однако если сопротивление отлично от нуля, они быстро затухают. Магнитное поле пронизывает образец нормального металла и практически однородно (3);
б - из нормального состояния при температуре выше T c есть два пути: Первый: при понижении температуры образец переходит в сверхпроводящее состояние, затем можно наложить магнитное поле, которое выталкивается из образца. Второй: сначала наложить магнитное поле, которое проникнет в образец, а затем понизить температуру, тогда при переходе поле вытолкнется. Выключение магнитного поля дает ту же картинку;
в - если бы не было эффекта Мейснера, проводник без сопротивления вел бы себя по-другому. При переходе в состояние без сопротивления в магнитном поле он бы сохранял магнитное поле и удерживал бы его даже при снятии внешнего магнитного поля. Размагнитить такой магнит можно было бы, только повышая температуру. Такое поведение, однако, на опыте не наблюдается
Сверхпроводимость
Сверхпроводи́мость - свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько десятков чистых элементов, сплавов и керамик , переходящих в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость - квантовое явление . Оно характеризуется также эффектом Мейснера , заключающимся в полном вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника. Существование этого эффекта показывает, что сверхпроводимость не может быть описана просто как идеальная проводимость в классическом понимании.
В 1893 году проблемой сверхнизких температур стал заниматься голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес . Ему удалось создать лучшую в мире криогенную лабораторию, в которой 10 июля 1908 года им был получен жидкий гелий . Позднее ему удалось довести его температуру до 1 Кельвина . Камерлинг-Оннес использовал жидкий гелий для изучения свойств металлов , в частности, для измерения зависимости их электрического сопротивления от температуры. Согласно существовавшим тогда классическим теориям, сопротивление должно было плавно падать с уменьшением температуры, однако существовало также мнение, что при слишком низких температурах электроны практически остановятся и совсем перестанут проводить ток. Эксперименты, проводимые Камерлингом-Оннесем со своими ассистентами Корнелисом Дорсманом и Гиллесом Хольстом, вначале подтверждали вывод о плавном спадании сопротивления. Однако 8 апреля 1911 года он неожиданно обнаружил, что при 3 Кельвинах (около −270 °C) электрическое сопротивление практически равно нулю. Следующий эксперимент, проведённый 11 мая, показал, что резкий скачок сопротивления до нуля происходит при температуре около 4,2 К (позднее, более точные измерения показали, что эта температура равна 4,15 К). Этот эффект был совершенно неожиданным и не мог быть объяснён существовавшими тогда теориями.
Нулевое сопротивление - не единственная отличительная черта сверхпроводников. Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера , открытый Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом в 1933 году .
Позднее было установлено, что сверхпроводники делятся на два больших семейства: сверхпроводников I типа (к ним, в частности, относится ртуть) и II типа (которыми обычно являются сплавы разных металлов). В открытии сверхпроводимости II типа значительную роль сыграли работы Л. В. Шубникова в 1930-е годы и А. А. Абрикосова в 1950-е.
Для практического применения в мощных электромагнитах большое значение имело открытие в 1950-х годах сверхпроводников, способных выдерживать сильные магнитные поля и пропускать большие плотности тока . Так, в 1960 году под руководством Дж. Кюнцлера был открыт материал Nb 3 Sn, проволока из которого способна при температуре 4,2 К, находясь в магнитном поле величиной 8,8 Тл , пропускать ток плотностью до 100 кА/см².
Свойства сверхпроводников
Нулевое электрическое сопротивление
Сверхпроводники в высокочастотном поле
Строго говоря, утверждение о том, что сопротивление сверхпроводников равно нулю справедливо только для постоянного электрического тока . В переменном электрическом поле сопротивление сверхпроводника отлично от нуля и растёт с увеличением частоты поля. Этот эффект на языке двухжидкостной модели сверхпроводника объясняется наличием наравне со сверхпроводящей фракцией электронов также и обычных электронов, число которых, однако, невелико. При помещении сверхпроводника в постоянное поле, это поле внутри сверхпроводника обращается в нуль, поскольку иначе сверхпроводящие электроны ускорялись бы до бесконечности, что невозможно. Однако в случае переменного поля поле внутри сверхпроводника отлично от нуля и ускоряет в том числе и нормальные электроны, с которыми связаны и конечное электрическое сопротивление, и джоулевы тепловые потери. Данный эффект особо ярко выражен для таких частот света, для которых энергии кванта достаточно для перевода сверхпроводящего электрона в группу нормальных электронов. Эта частота обычно лежит в инфракрасной области (около 10 11 Гц), поэтому в видимом диапазоне сверхпроводники практически ничем не отличаются от обычных металлов .
Фазовый переход в сверхпроводящее состояние
Характер изменения теплоемкости (c v , синий график) и удельного сопротивления (ρ, зеленый), при фазовом переходе в сверхпроводящее состояние
Температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей Кельвина и поэтому имеет смысл определённое значение Т с - температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Эта величина называется критической температурой перехода . Ширина интервала перехода зависит от неоднородности металла, в первую очередь - от наличия примесей и внутренних напряжений. Известные ныне температуры Т с изменяются в пределах от 0,0005 К у магния (Mg) до 23,2 К у интерметаллида ниобия и германия (Nb 3 Ge, в плёнке) и 39 К у диборида магния ( 2) у низкотемпературных сверхпроводников (Т с ниже 77 К, температуры кипения жидкого азота), до примерно 135 К у ртутьсодержащих высокотемпературных сверхпроводников. В настоящее время фаза HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) имеет наибольшее известное значение критической температуры - 135 К, причем при внешнем давлении 350 тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164 К, что лишь на 19 К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли. Таким образом, сверхпроводники в своём развитии прошли путь от металлической ртути (4.15 К) к ртутьсодержащим высокотемпературным сверхпроводникам (164 К).
Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Однако, это изменение зависит от рода рассматриваемых сверхпроводников. Так, для сверхпроводников Ι рода в отсутствие магнитного поля при температуре перехода Т c теплота перехода (поглощения или выделения) обращается в нуль, а следовательно терпит скачок теплоёмкость , что характерно для фазового перехода ΙΙ рода . Такая температурная зависимость теплоемкости электронной подсистемы сверхпроводника свидетельствует о наличии энергетической щели в распределении электронов между основным состоянием сверхпроводника и уровнем элементарных возбуждений. Когда же переход из сверхпроводящего состояния в нормальное осуществляется изменением приложенного магнитного поля, то тепло должно поглощаться (например, если образец теплоизолирован, то его температура понижается). А это соответствует фазовому переходу Ι рода. Для сверхпроводников ΙΙ рода переход из сверхпроводящего в нормальное состояние при любых условиях будет фазовым переходом ΙΙ рода.
Эффект Мейснера
Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейснера , заключающийся в выталкивании сверхпроводником магнитного потока . Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.
Изотопический эффект
Изотопический эффект у сверхпроводников заключается в том, что температуры Т с обратно пропорциональны квадратным корням из атомных масс изотопов одного и того же сверхпроводящего элемента .
Момент Лондона
Вращающийся сверхпроводник генерирует магнитное поле , точно выровненное с осью вращения, возникающий магнитный момент получил название «момент Лондона». Он применялся, в частности, в научном спутнике «Gravity Probe B », где измерялись магнитные поля четырёх сверхпроводящих гироскопов , чтобы определить их оси вращения. Поскольку роторами гироскопов служили практически идеально гладкие сферы , использование момента Лондона было одним из немногих способов определить их ось вращения .
Теоретическое объяснение эффекта сверхпроводимости
Уже на относительно ранней стадии изучения сверхпроводимости, во всяком случае после создания теории Гинзбурга - Ландау , стало очевидно, что сверхпроводимость является следствием объединения макроскопического числа электронов проводимости в единое квантово-механическое состояние. Особенностью связанных в такой ансамбль электронов является то, что они не могут обмениваться энергией с решёткой малыми порциями, меньшими, чем их энергия связи в ансамбле. Это означает, что при движении электронов в кристаллической решётке не изменяется энергия электронов, и вещество ведёт себя как сверхпроводник с нулевым сопротивлением. Квантово-механическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решётки или примесях. А это и означает отсутствие электрического сопротивления. Такое объединение частиц невозможно в ансамбле фермионов. Оно характерно для ансамбля тождественных бозонов. То, что электроны в сверхпроводниках объединены в бозонные пары, следует из экспериментов по измерению величины кванта магнитного потока, который «замораживается» в полых сверхпроводящих цилиндрах. Поэтому уже в середине прошлого века основной задачей создания теории сверхпроводимости стала разработка механизма спаривания электронов. Первой теорией, претендующей на микроскопическое объяснение причин возникновения сверхпроводимости, была теория Бардина - Купера - Шриффера , созданная ими в 50-е годы прошлого столетия. Эта теория получила под именем БКШ всеобщее признание и была удостоена в 1972 году Нобелевской премии . При создании своей теории авторы опирались на изотопический эффект, то есть влияние массы изотопа на критическую температуру сверхпроводника. Считалось, что его существование прямо указывает на формирование сверхпроводящего состояния за счет работы фононного механизма.
Теория БКШ оставила без ответа некоторые вопросы. На её основе оказалось невозможно решить главную задачу - объяснить, почему конкретные сверхпроводники имеют ту или иную критическую температуру. К тому же дальнейшие эксперименты с изотопическими замещениями показали, что из-за ангармоничности нулевых колебаний ионов в металлах существует прямое воздействие массы иона на межионные расстояния в решетке, а значит и прямо на значение энергии Ферми металла. Поэтому стало понятно, что существование изотопического эффекта не является доказательством фононного механизма, как единственно возможного ответственного за спаривание электронов и возникновение сверхпроводимости. Неудовлетворенность теорией БКШ в более поздние годы привела к попыткам создать другие модели, например, модель спиновых флуктуаций и биполяронную модель. Однако, хотя в них рассматривались различные механизмы объединения электронов в пары, к прогрессу в понимании явления сверхпроводимости эти разработки тоже не привели.
Сравнение вычисленных значений критических температур сверхпроводников с данными измерений.
Согласно одной из последних теорий, предложенной Б. В. Васильевым, спаривание электронов является необходимым, но недостаточным условием для существования сверхпроводящего состояния. Более того, какой конкретно механизм приводит к такому спариванию - не так уж важно. Важно, чтобы такой механизм существовал и был работоспособным во всем диапазоне температуры, где существует сверхпроводящее состояние.
Причина этого объясняется следующим образом: объединившись в пары, электроны создают бозоны, не объединенные в единый тождественный ансамбль. Их различают некоррелированные нулевые колебания. Для перехода бозонов в тождественное состояние необходимо упорядочить их нулевые колебания. По этой причине параметры, характеризующие механизм упорядочения нулевых колебаний в электронном газе, оказываются определяющими для свойств сверхпроводников.
Применение сверхпроводимости
Достигнуты значительные успехи в получении высокотемпературной сверхпроводимости . На базе металлокерамики, например, состава YBa 2 Cu 3 O x , получены вещества, для которых температура Т c перехода в сверхпроводящее состояние превышает 77 К (температуру сжижения азота).
Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей, поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Однако в связи с тем, что магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости, для получения сильных магнитных полей применяются т. н. сверхпроводники II рода, в которых возможно сосуществование сверхпроводимости и магнитного поля. В таких сверхпроводниках магнитное поле вызывает появление тонких нитей нормального металла, пронизывающих образец, каждая из которых несёт квант магнитного потока. Вещество же между нитями остаётся сверхпроводящим. Поскольку в сверхпроводнике II рода нет полного эффекта Мейснера, сверхпроводимость существует до гораздо больших значений магнитного поля H c 2 . В технике применяются, в основном, следующие сверхпроводники:
См. также
- Сверхпроводимость и нулевые колебания
Примечания
- Dirk van Delft and Peter Kes The discovery of superconductivity (англ.) // Physics Today . - 2010. - Vol. 63. - С. 38-43.
- Алексей Левин Сверхпроводимость отмечает столетний юбилей . Элементы.ру (8 апреля 2011). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 8 апреля 2011.
- В. Л. Гинзбург , Е. А. Андрюшин Глава 1. Открытие сверхпроводимости // Сверхпроводимость ISBN 5-98281-088-6
- В. Л. Гинзбург , Е. А. Андрюшин Глава 5. Звезда сверхпроводимости // Сверхпроводимость . - 2-е издание, переработанное и дополненное. - Альфа-М, 2006. - 112 с. - 3000 экз. -
