Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
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 достигнуто2, - ситуация в высшей
степени неприятная. Позднее, в 1933 г., В. Мейснер, Р. Ок" сенфельд 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.
Далее в этой главе будут описаны работы Камерлинг-Оннеса, а также
Мейснера, Оксен-фельда и Хайденрейха,
1 Интересно отметить, что подобная картина в действительности имеет место
в чистых полупроводниках.- Прим. ред.
2 Если образец находился в магнитном поле до перехода в сверхпроводящее
состояние, то после перехода внутри него сохранится магнитный поток; если
же образец поместить в поле уже в сверхпроводящем состоянии, то магнитный
поток в нем будет отсутствовать.
57
Установка, использованная Камерлинг-Оннесом для ожижения гелия,
изображена на рис. 4.1 (а - фотография всей установки, б - ее
схематическое устройство). Большая часть буквенных обозначений на рисунке
относится к таким деталям установки, которые здесь не рассматриваются.
Нас интересуют лишь те обозначения, которые указывают на движение потока
гелия. Оно осуществляется по следующим этапам:
"а) гелий проходит через трубку С а, нижний конец которой парами жидкого
воздуха охлаждается значи-
Рис. 4.1. Фотография установки Камерлинг-Оннеса для ожижения гелия (a)
[Commun.Phys. Lab. Univ. Leiden, № 108 (1908), лист I]; схема устройства
основной части установки (б). Буквенные обозначения на обеих частях
рисунка объяснены в тексте [Соттип. Phys. Lab. Untv Leiden, № 108 (1908),
рис. 3].
58
тельно ниже точки замерзания воды, верхний конец трубки поддерживается
при комнатной температуре; в этой трубке гелий хорошо высушивается;
б) далее через трубку, разделенную на две части, каждая из которых
помещена внутри трубчатых теплообменников Da и Db, окруженных
теплоизоляцией. В одной из них гелий охлаждается парами водорода, в
Рис. 4.1. (Продолжение)
59
другой - парами гелия; пройдя через эти трубки, два потока гелия вновь
соединяются;
в) через трубку СЬ, заполненную активированным древесным углем и
погруженную в жидкий воздух. Здесь задерживаются те немногие остатки
воздуха, которые могли быть захвачены потоком гелия в процессе
циркуляции;
г) через теплообменник В3, помещенный в жидкий воздух, используемый для
охлаждения экранов вокруг объемов, заполненных водородом и гелием;
д) через теплообменник В2, в котором гелий охлаждается парами жидкого
водорода;
е) через теплообменник Ви помещенный в испаряющийся при давлении 6 мм рт.
ст. жидкий водород; здесь сжатый гелий охлаждается до 15 К;
ж) отсюда в регенератор Л...;
з) затем гелий расширяется через дроссель АЬ".
Последний этап является ключевым во всем процессе.
Когда газ получает возможность расширяться и выходить через отверстие из
области высокого давления в область более низкого давления, температура
его понижается, правда, при условии, что газ уже находится при
температуре ниже определенного значения, так называемой температуры
инверсии, которая зависит от вида газа 1. Чтобы можно было добиться
ожижения значительной части газа, до дросселирования он должен иметь
температуру раза в три ниже температуры инверсии, которая для гелия равна
51 К. Именно для этого необходимы все предварительные стадии охлаждения.
Вот почему уже само по себе ожижение гелия явилось тогда большим
достижением.
"...Когда температура опускалась столь низко, что начинал стекать жидкий
гелий, он собирался в нижней части стеклянного сосуда Дьюара Еа. Вокруг
прозрачной нижней части этого сосуда создавалась (тепловая) защита из
жидкого водорода. Для этой цели предназначался второй стеклянный сосуд
Дьюара ЕЬ, который вместе с сосудом Еа образовывал замкнутое простран-
1 Этот эффект известен под названием эффекта Джоуля - Томсона Или Джоуля
