«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2011, www.kabel-news.ru
32
Тема номера
ÑÂÅÐÕÏÐÎÂÎÄÈÌÎÑÒÜ
В
наши
дни
инженеры
-
физики
,
химики
,
электротех
-
ники
и
технологи
уже
научи
-
лись
создавать
сверхпрово
-
дящие
(
СП
)
километровые
кабели
,
передающие
электроэнергию
почти
без
потерь
,
и
электромагнитные
ка
-
тушки
,
создающие
огромные
поля
в
десятки
тысяч
эрстед
.
Будущее
разви
-
тие
СП
-
технологий
сулит
человечеству
огромные
перспективы
,
и
прежде
всего
в
сохранении
энергии
в
лини
-
ях
электропередачи
,
создании
прин
-
ципиально
новых
двигателей
для
транспорта
,
диагностических
устано
-
вок
для
медицины
.
Приведем
крат
-
кие
сведения
об
основных
событи
-
ях
на
скачкообразном
пути
познания
сверхпроводимости
.
100 лет назад была
открыта
сверхпроводимость
Сверхпроводимость металлов открыл в 1911 г. голландец Х. Камерлинг-Оннес.
Три четверти века ушло на то, чтобы физики смогли понять сложнейшую при-
роду этого необычайно загадочного явления.
Борис ГОРОБЕЦ, профессор, к.ф.-м.н., д.г.-м.н.
Камерлинг
-
Оннес
впервые
в
мире
сумел
получить
жидкий
гелий
,
имеющий
из
всех
веществ
самую
низкую
температуру
кипения
4,2
К
(-268,8
0
С
).
Причем
у
следующих
за
гелием
хладагентов
точки
кипения
находятся
значительно
выше
:
у
водо
-
рода
— 20,3
К
,
кислорода
— 90,2
К
,
азота
— 77,4
К
.
Гелий
очень
редок
и
рассеян
,
его
литр
дороже
литра
жид
-
кого
азота
в
три
тысячи
раз
.
Прово
-
дя
опыты
с
металлами
в
жидком
ге
-
лии
,
Оннес
внезапно
обнаружил
ска
-
чок
вниз
,
до
нуля
электросопротивле
-
ния
ртути
при
охлаждении
ее
ниже
точки
Т
с
=4,15
К
,
которую
он
назвал
критической
.
Сразу
после
этого
от
-
крытия
в
передовых
лабораториях
мира
,
имеющих
жидкий
гелий
,
нача
-
ли
тестировать
на
СП
разные
метал
-
лы
и
сплавы
.
В
СССР
жидкого
гелия
не
было
до
конца
1930-
х
годов
,
ког
-
да
его
научились
получать
в
Инсти
-
туте
физических
проблем
АН
СССР
,
в
котором
П
.
Л
.
Капица
открыл
сверх
-
текучесть
гелия
.
СП
—
явление
,
род
-
ственное
сверхтекучести
,
но
сверхте
-
кучая
«
жидкость
»
представляет
собой
не
нейтральные
атомы
гелия
,
а
заря
-
женные
частицы
—
электроны
.
За
20
лет
после
открытия
СП
уче
-
ные
опробовали
все
доступные
им
металлы
и
множество
сплавов
.
К
1930
г
.
было
установлено
,
что
среди
чистых
металлов
наивысшей
точкой
Т
с
=9,20
К
обладает
ниобий
.
У
алюми
-
ния
Т
с
=1,18
К
.
У
меди
,
серебра
,
золо
-
та
,
а
также
у
щелочных
и
щелочнозе
-
мельных
металлов
не
обнаружено
то
-
чек
перехода
в
СП
-
состояние
.
Самы
-
ми
перспективными
низкотемпера
-
турными
сверхпроводниками
(
НТСП
)
оказались
сплавы
с
ниобием
: Nb
х
Ti
1-
х
(
Т
с
=8—10
К
),
потому
что
они
пластич
-
ны
.
Выше
Т
с
у
Nb
3
Sn (18
К
).
Этот
ин
-
терметаллид
выдерживает
магнит
-
ное
поле
до
100
тыс
.
эрстед
при
плот
-
ности
транспортного
тока
до
тысяч
А
/
мм
2
.
Но
он
хрупок
, «
нетехнологичен
».
Рекордное
значение
Т
с
=24
К
показал
сплав
Nb
3
Ge,
также
хрупкий
.
Этот
ре
-
корд
продержался
до
1986
г
.
Чаще
всего
изготавливают
и
применяют
НТСП
на
основе
сплава
ниобия
с
ти
-
таном
.
Жилки
НТСП
-
проводов
диаме
-
тром
менее
0,1
мм
располагаются
в
медной
матрице
,
их
скручивают
,
по
-
крывают
медью
(
или
хромом
,
ни
-
келем
),
потом
подобную
операцию
повторяют
со
скрученными
,
более
толстыми
жилками
.
Общее
число
СП
-
жилок
в
сечении
достигает
сотен
ты
-
сяч
.
Затем
НТСП
-
кабель
помещают
в
стальную
трубу
и
обжимают
.
Мечтой
ученых
было
найти
веще
-
ство
,
которое
переходило
бы
в
СП
-
состояние
выше
точки
кипения
азо
-
та
.
Тогда
вся
техника
сверхпроводи
-
мости
резко
упрощалась
бы
:
можно
было
применять
нейтральный
,
безо
-
пасный
и
дешевый
жидкий
азот
.
Но
в
период
с
1930
по
1986
г
.
ничего
принципиально
нового
среди
НТСП
найдено
не
было
.
Вместе
с
тем
были
Х
.
Камерлинг
-
Оннес
Х
.
Камерлинг
-
Оннес
«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2011, www.kabel-news.ru
33
Тема номера
ÑÂÅÐÕÏÐÎÂÎÄÈÌÎÑÒÜ
сделаны
решающие
теоретические
достижения
.
В
1950
г
.
будущие
но
-
белевские
лауреаты
В
.
Л
.
Гинзбург
и
Л
.
Д
.
Ландау
вывели
математическое
уравнение
для
описания
СП
в
провод
-
никах
макроскопических
размеров
.
Основная
идея
была
такая
.
При
фа
-
зовом
переходе
в
СП
-
состояние
ниже
точки
Т
с
часть
электронов
(
не
все
!)
становится
единым
ансамблем
.
Та
-
кие
электроны
теряют
индивидуаль
-
ные
свойства
,
характерные
для
ча
-
стиц
со
спином
½,
их
поведение
те
-
перь
описывается
единой
макроско
-
пической
пси
-
функцией
(
-
теория
),
которая
«
позволяет
»
этому
облаку
электронов
перемещаться
без
тре
-
ния
в
кристаллической
матрице
,
неся
огромный
ток
.
Другая
часть
сво
-
бодных
электронов
,
перемещающих
-
ся
с
трением
,
будет
присоединяться
к
СП
-
ансамблю
по
мере
приближения
температуры
к
абсолютному
нулю
.
В
этом
состоянии
все
электроны
ста
-
ли
бы
сверхпроводящими
.
В
середине
1950-
х
годов
Л
.
Ку
-
пер
(
США
)
выдвинул
парадоксальную
идею
о
возможности
взаимопритя
-
жения
в
паре
электронов
в
твердом
теле
при
достаточно
низкой
темпера
-
туре
.
Такие
электронейтральные
ку
-
перовские
пары
не
испытывают
тре
-
ния
при
движении
в
кристаллической
решетке
.
В
конце
1940-
х
до
середи
-
ны
1950-
х
годов
была
создана
ми
-
кроскопическая
теория
сверхпрово
-
димости
,
в
разработке
которой
веду
-
щую
роль
сыграли
Дж
.
Бардин
,
Л
.
Ку
-
пер
,
Дж
.
Р
.
Шриффер
(
все
из
США
),
а
также
советский
физик
Н
.
Н
.
Боголю
-
бов
.
В
1972
г
.
трое
указанных
амери
-
канцев
получили
Нобелевскую
пре
-
мию
и
микроскопическую
теорию
СП
стали
называть
теорией
БКШ
.
Без
формул
и
графиков
из
квантовой
те
-
ории
вряд
ли
возможно
объяснить
простым
языком
механизмы
,
лежа
-
щие
в
основе
макро
-
и
микротеорий
СП
*
.
Просто
констатируем
,
что
притя
-
жение
в
паре
электронов
возникает
на
большом
расстоянии
за
счет
вза
-
имодействия
их
с
фононами
—
кван
-
тами
колебаний
кристаллической
ре
-
шетки
,
причем
вступают
во
взаимо
-
действие
только
электроны
с
проти
-
воположными
спинами
и
импульса
-
ми
.
Обмен
фононами
приводит
к
сла
-
бому
притяжению
электронов
в
купе
-
ровских
парах
на
некоторых
рассто
-
яниях
,
намного
больших
параметра
решетки
,
когда
кулоновское
отталки
-
вание
друг
от
друга
электронов
уже
не
играет
роли
.
Существует
еще
одно
важнейшее
свойство
сверхпроводников
—
иде
-
альный
сверхпроводник
полностью
выталкивает
из
своего
объема
маг
-
нитное
поле
(
эффект
Мейснера
).
Точ
-
нее
,
в
СП
магнитное
поле
не
прони
-
кает
до
некоторой
критической
на
-
пряженности
Н
с
.
Этим
СП
принципи
-
ально
отличаются
от
обычных
прово
-
дников
,
в
которые
магнитное
поле
может
проникать
по
всему
объему
.
Если
приложить
поле
выше
значения
Н
с
,
то
оно
разрушит
СП
-
состояние
.
Между
тем
в
реальный
сверхпровод
-
ник
,
содержащий
как
СП
-
фазу
,
так
и
обычную
фазу
в
промежуточном
со
-
стоянии
,
в
интервале
температур
от
0
К
до
Т
с
,
магнитное
поле
частично
проникает
,
оно
лишь
выталкивается
из
объема
СП
в
тонкий
приповерх
-
ностный
слой
.
Ток
через
такой
прово
-
дник
проходит
исключительно
через
СП
-
фазу
,
которая
шунтирует
несверх
-
проводящую
фазу
.
По
магнитным
свойствам
СП
раз
-
деляются
на
две
группы
.
К
СП
перво
-
го
рода
относится
ряд
чистых
метал
-
лов
,
за
исключением
ниобия
и
вана
-
дия
.
К
СП
второго
рода
относятся
ты
-
сячи
сплавов
и
керамик
.
Понятие
об
СП
второго
рода
ввел
в
конце
1950-
х
годов
советский
физик
-
теоретик
А
.
А
.
Абрикосов
,
получивший
в
2003
г
.
Нобелевскую
премию
за
их
теорию
.
Принципиальным
отличием
СП
вто
-
рого
рода
является
наличие
в
них
тончайших
нитевидных
неоднородно
-
стей
диаметром
порядка
10
-7
см
(
де
-
фектов
,
примесных
фаз
),
вытянув
-
шихся
вдоль
СП
и
ориентированных
вдоль
магнитного
поля
.
Вокруг
них
возникают
вихри
сверхпроводящего
*
Для читателей, интересующихся
сверхпроводимостью, рекоменду-
ем научно-популярную книгу: В.Л.
Гинзбург, Е.А. Андрюшин. «Сверх-
проводимость». М. Альфа-М.
2006. 110 с.
тока
.
Большее
практическое
значе
-
ние
в
электротехнике
имеют
СП
вто
-
рого
рода
,
потому
что
у
них
Т
с
и
Н
с
го
-
раздо
выше
,
чем
у
СП
первого
рода
.
С
2000
г
.
в
США
освоили
изготовле
-
ние
низкотемпературных
сверхпро
-
водников
(
НТСП
),
несмотря
на
боль
-
шие
технологические
трудности
из
-
за
их
хрупкости
.
Они
стали
применяться
в
небольших
компактных
системах
—
электромагнитных
СП
-
катушках
,
соз
-
дающих
сильные
однородные
маг
-
нитные
поля
—
до
20—100
тыс
.
эр
-
стед
.
Они
используются
в
медицин
-
ских
ядерно
-
магнитных
томогра
-
фах
(
метод
называют
магниторезо
-
нансной
томографией
,
МРТ
).
Это
са
-
мый
чувствительный
из
методов
об
-
наружения
и
диагностики
струк
-
тур
,
состоящих
из
мягких
биологи
-
ческих
тканей
,
и
в
первую
очередь
опухолей
.
При
исследовании
паци
-
ента
,
находящегося
на
специальной
полке
,
вкатывают
внутрь
огромно
-
го
СП
-
электромагнита
.
В
мире
уже
изготовлены
многие
тысячи
ЯМР
-
томографов
.
Но
в
России
их
число
со
-
ставляет
пока
всего
десятки
(
импорт
-
ных
).
Так
,
например
,
в
огромном
Он
-
кологическом
научном
центре
на
Ка
-
ширке
всего
один
такой
томограф
.
ЯМР
-
томографы
охлаждают
жидким
гелием
,
дозаправка
гелия
происхо
-
дит
раз
в
три
года
.
Помимо
томогра
-
Устройство для получения
Устройство для получения
жидкого гелия
жидкого гелия
«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2011, www.kabel-news.ru
34
Тема номера
ÑÂÅÐÕÏÐÎÂÎÄÈÌÎÑÒÜ
фов
,
разработаны
и
применяются
электронакопительные
системы
на
НТСП
-
магнитах
для
регулирования
пиковых
нагрузок
в
больших
электро
-
сетях
,
коммутаторы
и
токоограничи
-
тели
мощных
сетей
.
Температурный
рекорд
интерме
-
таллида
Nb
3
Ge
держался
до
конца
1986
г
.
Казалось
,
что
существует
не
-
кий
предел
для
СП
-
состояния
матери
-
алов
—
не
выше
30
К
.
А
ведь
только
дешевый
и
безопасный
жидкий
азот
мог
бы
в
принципе
обеспечить
зна
-
чительное
развитие
электротехники
на
основе
СП
.
И
вдруг
в
конце
1986
г
.
произошел
неожиданный
скачок
вверх
по
Т
с
.
К
.
Беднорц
и
А
.
Мюллер
(
Швейцария
)
синтезировали
разные
вещества
,
в
том
числе
керамику
,
из
-
меряли
множество
их
свойств
и
на
всякий
случай
тестировали
на
сверх
-
проводимость
.
Оказалось
,
что
их
ке
-
рамика
на
основе
купратов
—
кисло
-
родного
соединения
меди
с
ланта
-
ном
и
стронцием
—
имела
Т
с
=36
К
.
В
научном
мире
начался
бум
.
В
мар
-
те
1987
г
.
были
получены
керами
-
ки
из
купратов
иттрия
и
бария
,
кото
-
рые
уже
перескочили
азотный
рубеж
(77
К
)!
Такие
«
послеазотные
»
сверх
-
проводники
стали
называть
высо
-
котемпературными
(
ВТСП
),
в
отли
-
чие
от
«
доазотных
»
НТСП
.
В
резуль
-
тате
погони
за
веществами
,
у
кото
-
рых
можно
было
бы
достичь
точки
пе
-
рехода
в
СП
-
состояние
при
возмож
-
но
большей
критической
температу
-
ре
Т
с
,
установлен
на
данный
момент
«
рекорд
»
Т
с
=138
К
(
при
нормальном
давлении
).
Он
получен
на
керами
-
ке
состава
H-Ba-Ca-Cu-O(F).
Под
дав
-
лением
400
кбар
точка
Т
с
этой
кера
-
мики
достигла
166
К
,
т
.
е
. «
всего
»
на
100
градусов
ниже
комнатной
тем
-
пературы
.
Вот
один
забавный
случай
из
истории
«
погони
за
ВТСП
»,
расска
-
занный
В
.
Л
.
Гинзбургом
.
Некий
наш
крупный
ученый
сдал
статью
в
науч
-
ный
журнал
с
сообщением
о
синте
-
зе
новой
СП
-
керамики
.
При
этом
он
исказил
ее
формулу
,
чтобы
результат
«
не
украли
».
Он
исправил
формулу
в
последний
момент
,
в
верстке
,
и
тут
узнал
,
что
создана
керамика
по
его
искаженной
формуле
,
причем
как
ВТСП
она
оказалась
не
хуже
.
Конструкция
ВТСП
-
кабелей
пред
-
ставляет
собой
многослойную
струк
-
туру
,
напыляемую
на
стальную
ленту
.
Снизу
идут
два
микронных
слоя
MgO,
второй
из
них
ориентирован
под
углом
30—40
о
с
целью
ориенти
-
рования
напыляемых
на
него
ми
-
крокристаллов
ВТСП
из
керамики
Y-Ba-Cu-
О
;
верхний
защитный
слой
—
из
меди
.
В
начале
ХХ
I
века
на
ми
-
ровом
рынке
появились
кабели
дли
-
ной
1,5
км
и
ВТСП
-
трансформаторы
.
В
Японии
разработана
опытная
бес
-
колесная
железная
дорога
на
СП
магнитной
подвеске
.
Мощное
под
-
держивающее
магнитное
поле
соз
-
дают
ВТСП
-
электромагниты
,
установ
-
ленные
в
вагоне
.
Вдоль
пути
уложены
поперечные
металлические
стерж
-
ни
,
в
которых
наводится
волна
тока
,
управляемая
компьютером
. 5
дека
-
бря
2005
г
.
состоялось
первое
испы
-
тание
такого
поезда
.
Он
развил
ско
-
рость
более
500
км
/
ч
,
просвет
с
по
-
лотном
составил
около
10
см
.
В
России
,
во
ВНИИ
кабельной
про
-
мышленности
(
ВНИИКП
),
уже
созда
-
на
200-
метровая
ВТСП
-
линия
с
номи
-
нальным
напряжением
20
кВ
и
пе
-
редаваемой
мощностью
50
МВт
,
ко
-
торую
в
2011—2012
гг
.
установят
на
московской
подстанции
«
Динамо
»
для
опытной
эксплуатации
.
Чепецкий
механический
завод
(
ЧМЗ
)
произво
-
дит
НТСП
-
кабели
для
обмоток
магни
-
тов
по
проекту
ITER —
первого
в
мире
термоядерного
реактора
,
строящего
-
ся
под
Марселем
силами
ряда
госу
-
дарств
,
в
т
.
ч
.
России
.
Как
бы
скепти
-
чески
ни
относились
к
данному
про
-
екту
многие
крупнейшие
физики
,
убежденные
,
что
в
лучшем
случае
это
будет
дорогостоящая
демонстраци
-
онная
модель
,
не
способная
произ
-
водить
полезную
энергию
, ITER
по
-
зволяет
финансировать
разработку
и
внедрение
ряда
новейших
техно
-
логий
,
в
т
.
ч
.
и
СП
-
проводников
.
Так
,
ЧМЗ
совместно
с
ВНИИКП
произве
-
дут
до
2013
г
. 170
т
НТСП
-
жил
на
осно
-
ве
NbTi
и
Nb
3
Sn,
которые
обеспечат
пятую
часть
тороидальной
обмотки
основного
«
сосуда
»
для
плазмы
в
ре
-
акторе
,
а
также
двух
из
шести
прямо
-
осных
катушек
электромагнитов
.
Пока
никто
из
ученых
не
мо
-
жет
точно
предсказать
,
существует
ли
реальная
перспектива
получить
комнатно
-
температурные
сверхпро
-
водники
(
КТСП
).
В
.
Л
.
Гинзбург
подчер
-
кивал
,
что
для
этого
принципиальных
физических
ограничений
нет
,
но
вме
-
сте
с
тем
для
прорыва
к
КТСП
,
скорее
всего
,
потребуется
синтез
совершен
-
но
новых
веществ
,
не
существую
-
щих
в
природе
.
Получение
КТСП
со
-
вершило
бы
подлинный
переворот
в
электротехнике
,
существенно
повли
-
яло
бы
на
развитие
цивилизации
в
ХХ
I
веке
.
Оригинал статьи: 100 лет назад была открыта сверхпроводимость
Сверхпроводимость металлов открыл в 1911 г. голландец Х. Камерлинг-Оннес. Три четверти века ушло на то, чтобы физики смогли понять сложнейшую природу этого необычайно загадочного явления.
