Единое окно доступа к образовательным ресурсам

"Сверхпроводимость электричества" как понятие о сверхъестественном явлении, тогда как в действительности, оно есть метастабильное сверхдианамагничивание веществ

Голосов: 2

Выполнен анализ основных экспериментов, их интерпретаций и множества теорий так называемой "сверхпроводимости электрического тока" в металлах и других твердых телах при низких (криогенных) температурах. Показана ошибочность представлений о "сверхпроводимости". Доказывается, что явление, названное Камерлинг-Онессом сверхпроводимостью, не является таковым и оно не обусловлено невероятной сверхтекучестью электронов в теле. Утверждается, что обнаруженное К-Онессом явление есть метастабильная диаполяризация электронной структуры атомов и, как следствие этого, сверхдианамагниченность всего тела. Изложена оригинальная модель микроскопической теории сверхмагнетизма. Разрабатываемый автором подход к созданию новой теории сверхдианамагничиваемости веществ при низких закритических температурах представляется более адекватным физической природе этого явления, что очевидно позволит решить многие принципиальные вопросы науки и практики использования сверхдиамагнетизма в технике будущего. Для инженерно-технических, научных работников, аспирантов и студентов, занимающихся или интересующихся проблемами физики и технологий производства новой техники.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
         Открытое К-Оннесом явление, названное сверхпроводимо-
стью, вот уже почти 100 лет активно исследуется. Однако физи-
ческая природа и сущность этого явления до сих пор остаются
непонятными, дискуссионными.
     Проблема явления, названного сверхпроводимостью, акту-
альна в теоретическом и практическом отношениях. Поэтому не
случайно Г. Камерлинг-Оннес еще в 1913 г. стал лауреатом Но-
белевской премии за сжижение гелия и обнаружение эффекта
«сверхпроводимости» [62], хотя его объяснение данного явления
не соответствует действительности.

1.2. Эффекты, обнаруженные К-Оннесом и Б.Д. Джозефсоном

     В работе [62] Я.И. Френкеля читаем: «Камерлинг-Оннесу
пришло в голову разрезать сверхпроводящее свинцовое кольцо, в
котором был индуцирован электрический ток, и посмотреть, что
при этом получится. Казалось, что ток должен прекратиться; в
действительности, однако, отклонение магнитной стрелки, реги-
стрировавшей силу тока, при перерезке кольца нисколько не из-
менилось – так, как если бы кольцо представляло собой не про-
водник с током, а магнит» [62, стр. 5]. В литературе почти не
упоминается «знаменитый когда-то… опыт К-Оннеса со сверх-
проводящим кольцом из свинца, в котором индуцированный ток
не менялся при его рассечении» [62, стр. 18].
     Много позднее К-Оннеса, т.е. в 1962 г., двадцати двух лет-
ний английский физик-теоретик (в то время еще аспирант по кур-
су экспериментальной физики в Кембриджском университете)
Б.Д. Джозефсон, рассматривая свойства контакта между двумя
сверхпроводниками, пришел к выводу о существовании совер-
шенно необычных эффектов, связанных с возможностью проте-
кания через достаточно тонкий слой диэлектрика сверхпроводя-
щих токов. Из его теории следовало, что при нулевой разности
потенциалов через диэлектрический барьер может протекать ис-
ходно постоянный сверхпроводящий ток, но преобразованный в
высокочастотный туннельный ток. Вскоре после эксперимен-
тального обнаружения эффектов джозефсона выяснилось, что и
другие типы «слабых» контактов между двумя сверхпроводника-
ми обладают туннельным эффектом – свободно «пропускают

                              11


ток сверхпроводимости» [24]. Утверждается, что Джозефсоново
туннелирование происходит при нулевой разности потенциалов
электрического поля между двумя сверхпроводниками, разделен-
ными диэлектриком, образуя сверхток
                         J = Jo sin(ϕ1–ϕ2) ,
где Jo – постоянна величина, а ϕ1,2 – фазы некоторой волновой
функции тока энергии по разные стороны от туннельного пере-
хода (энергетического барьера) [59]. Это по существу есть фор-
мула тока смещения, проходящего через разделенные диэлектри-
ком части «сверхпроводника». При этом очевидно, что электроны
не перескакивают через «барьер», так как носителем в данном
случае магнитной энергии является полевая материя, а не кор-
пускулярные электроны. Поэтому в «контактах Джозефсона» нет
электросопротивления. Однако, как следует из вышеприведенной
формулы Джозефсона, электрический то «сверхпроводимости»
(если он там есть) все же зависит от sin(ϕ1–ϕ2), т.е. не является
абсолютно неизменным, что противоречит наблюдениям и идее
идеальной проводимости.
     Сейчас известно много других «туннельных контактов Джо-
зефсона»: точечные контакты двух сверхпроводников, проводник
с микросужением, контакт с прослойкой из нормального металла
или с прослойкой из сверхпроводника с более низким значением
критической температуры Tкр.
     Но что такое известный в физике твердого тела туннельный
эффект? Туннельный эффект или туннелирование это преодо-
ление микрочастицей вещества потенциального барьера в случае,
когда ее полная среднестатистическая энергия E меньше высо-
ты (энергии) барьера V. Однако, при E≈const энергия микрочас-
тицы, в частности электрона, не является величиной постоянной
во времени и по величине равной E. Распределение энергии од-
ной и тем более множества микрочастиц носит статистический
характер, т.е. при некоторой общей (полной) энергии E часть час-
тиц имеют энергию меньше E, а некоторая часть частиц обладает
энергией E больше V (E>V) и поэтому они «преодолевают барь-
ер» с энергией преодоления (щели) V и оказываются там, где ка-
залось бы их не должно быть. Вероятность преодоления энерге-
тического барьера тем больше, чем меньше масса частицы и чем


                               12


меньше ΔE = Е – V. Но всего вышеизложенного нет в «контактах
Джозефсона». В них нет ΔE, так как измеряемая энергия (напря-
женность) магнитного поля по обе стороны материальной пре-
грады (барьера) в виде диэлектрической прослойки между
«сверхпроводниками» или зазора между ними и т.п. одинакова
(E=V). Следовательно, в так называемых «контактах Оннеса и
Джозефсона», судя по идеальной однородности (неизменности)
магнитного поля до и после «контактов», можно утверждать, что
в них нет энергетических барьеров, нет и туннельного эффекта. А
что есть? Есть непрерывность магнитного поля исследуемого об-
разца имеющего различные переходы от одной его части к дру-
гой.
     На основании вышеизложенного и других фактов наведения
и сохранения единого магнитного поля в образцах с разделенны-
ми их частями посредством тонких диэлектрических прослоек,
зазоров, сужений, микроконтактов и т.д. следует вывод о том, что
в экспериментах К-Оннеса и Б.Д. Джозефсона образцы вели себя
подобно постоянным железным магнитам при естественных тем-
пературах. Известно, что обычный постоянный магнит, разделен-
ный до намагничивания или после на множество частей, между
которыми небольшие зазоры, или немагнитные прослойки и т.п.
тоже не теряют и не уменьшают свои магнитные свойства. При
этом, как и в случае со «сверхпроводниками», нет туннельного
эффекта (туннелирования) каких-либо микрочастиц, нет преодо-
лений барьеров магнитным полм, т.к. практически нет самих
барьеров, в силу большой проницаемости магнитного поля.
     Так как эффект неизменности магнитного поля в «сверхпро-
водниках» с «контактами Джозефсона» и Оннеса впервые обна-
ружил К-Оннес, а Б.Д. Джозефсон потом исследовал их, то этот
эффект следует называть эффектом Оннеса-Джозефсона.
     Эффект Оннеса-Джозефсона имеет принципиальное и суще-
ственное значение для достоверной теории пока что загадочного
явления, обнаруженного К-Оннесом в давнишнем 1911 году.




                               13


          1.3. Опыты В. Мейсснера и Р. Оксенфельда

     В работе [24] констатируется, что в 1933 г. немецкие физики
В. Мейсснер и Р. Оксенфельд обнаружили поразительный эф-
фект, состоящий в том, что кольцевой сверхпроводник, охлаж-
денный ниже критической температуры Tкр в постоянном во вре-
мени магнитном поле, самостоятельно переходит… в состояние
«сверхпроводимости». Но это противоречит законам электроди-
намики, по которым в замкнутом контуре ток появляется только
в том случае, если действующее на проводник магнитное поле
меняется во времени. В опытах В. Мейсснера и Р. Оксенфельда
магнитное поле было постоянным во времени и поэтому не суще-
ствовало причин для возникновения в кольцевом (замкнутом)
проводнике ни обычной проводимости, ни сверхпроводимости
электрического тока. Известно, что по законам электродинамики
только переменное (изменяющееся) магнитное поле индуцирует
(создает) в проводнике электрическое поле и этим инициирует
движение электронов, которому препятствует (противодействует,
сопротивляется) основное вещество проводника. Ответственны-
ми за сопротивление току электрической энергии являются воз-
буждающиеся при этом электроны внутри атомов проводника.
     Очевидно, что материал любого проводника электричества
даже при сверхнизких температурах должен оказывать в опреде-
ленное сопротивление движению в нем электронов. Это утвер-
ждение соответствует общему представлению о веществе, науч-
ной логике и здравому смыслу. Однако, вопреки всему, Мейссне-
ром и Оксенфельдом якобы был установлен факт возникновения
в металлах даже под влиянием небольшого и постоянного маг-
нитного поля необыкновенной «сверхпроводимости» электронов
с нулевым электросопротивлением проводника при необнаружи-
ваемом экспериментально движении в нем электронов. Но такого
не может быть.
     Так как «сверхпроводимость» сопровождается появлением
остаточной намагниченности кольцеобразного проводника, то в
данном случае приходится объяснять эффект Мейсснера-
Оксенфельда созданием в проводнике метастабильной магнитной
структуры материала, то есть намагничиванием.


                               14


     В. Мейсснер и Р. Оксенфельд, исследуя распределение маг-
нитного поля вокруг сверхпроводников, установили, что напря-
женность магнитного поля вблизи сверхпроводника больше при-
ложенного к нему внешнего магнитного поля. Этот факт В.
Мейсснер объяснял, предположив, что внешнее магнитное поле,
приложенное к проводнику до перехода его в сверхпроводящее
состояние, распространяется в нем так же, как и вне его, а при
переходе проводника в сверхпроводящее состояние магнитное
поле вытесняется из него, усиливая магнитное поле вблизи
сверхпроводника. Это спорное предположение получило широ-
кое распространение, несмотря на то, что наиболее логичным
было бы объяснение увеличения напряженности магнитного поля
усиленным намагничиванием проводника в условиях температур
ниже Tкр.
     В. Мейсснер и его сотрудник Р. Оксенфельд осуществили
следующий опыт: вместо цельной проволоки из белого олова
взяли оловянную трубку, поместив в ее внутренней полости ма-
ленькую катушку для измерения магнитного поля в этой полости
путем поворота оси катушки. Было установлено, что при охлаж-
дении трубки ниже Tкр магнитное поле в полости не исчезало и
более того, это остаточное поле сохранялось в полости трубки
после полного выключения внешнего поля. Это, по мнению экс-
периментаторов, свидетельствовало о «замораживании» магнит-
ного поля внутри трубки. Но это проще объяснить намагничива-
нием проводника при температурах ниже Tкр.
     Аналогичное «замораживание» магнитного поля в полости
сверхпроводящего оловянного шара было установлено (1935 г.)
английскими исследователями К. Мендельсоном и И. Баббитом.
Подобное исследование провели В.О. де-Гааз и О.А. Гино. В
обоих случаях наблюдалось «увеличение напряженности резуль-
тирующего магнитного поля во внешнем пространстве вблизи
поверхности сверхпроводника. Так, например, в экваториальной
области шара при переходе последнего в сверхпроводящее со-
стояние напряженность магнитного поля увеличилась в полтора
раза». [62, стр. 9].
     Итак, экспериментами В. Мейсснера и Р. Оксенфельда, К.
Мендельсона и И. Баббита, а также других исследователей уста-
новлено, что:

                              15


     1. при переходе материала в особое состояние при темпера-
туре ниже критической (Ткр,°К) и в результате воздействия на не-
го электрическим, электромагнитным или магнитным полем, в
нем возникает магнитное поле существенно большее, чем при ес-
тественных, например, при комнатных температурах;
     2. появившаяся намагниченность «замораживается», т.е. со-
храняется после прекращения внешнего воздействия энергетиче-
скими полями: электрическим (постоянным током), переменным
электромагнитным (индукция тока) и постоянным магнитным
(непосредственное, прямое намагничивание).

                 1.4. Об «эффекте Мейсснера»

     К. Мейсснер в своих научных трудах попытался теоретиче-
ски обосновать факты увеличения магнитного поля вблизи
«сверхпроводника» по сравнению с напряженностью воздейст-
вующего на проводник внешнего магнитного поля, обнаружен-
ные им и Р. Оксенфельдом и в опытах с шаром К. Мендельсона и
И. Баббита и других. Заметим сразу же то, что факт инструмен-
тального необнаружения магнитного поля внутри «сверхпрово-
дящего» шара не означает, что его там нет. Это вполне удовле-
творительно объясняется интерференцией – явлением, возни-
кающим при наложении двух или большего числа волн или полей
в одном и том же месте. В каждой точке внутреннего объема
«сверхпроводящего» шара встречаются достаточно интенсивные
элементы магнитного поля, идущие от внутренней поверхности
шара с разных сторон. Встречные поля компенсируют друг друга,
и этим создается впечатление об их малости или отсутствии в ча-
стности в центральной зоне шара. Так возникает внутри шара
«экранирующий эффект» от взаимодействия внешнего и наве-
денного поля в материале шара.
     Считается, что В. Мейсснером и Р. Оксенфельдом установ-
лено, что при температуре ниже критической магнитное поле
полностью выталкивается из сверхпроводника. Это предпола-
гаемое явление называют теперь эффектом Мейсснера. Указан-
ное выше вытеснение или выталкивание магнитного поля (его
силовых линий) из объема «сверхпроводника» проявляется, как


                               16


утверждал К. Мейсснер, в увеличении напряженности результи-
рующего магнитного поля во внешнем пространстве вблизи по-
верхности «сверхпроводника» [62]. Самопроизвольное выталки-
вание магнитного поля из «сверхпроводника» означает, что в нем
магнитная индукция В равна нулю (В=0). Принимая электросо-
противление току сверхпроводимости, как считается, равным ну-
лю (R=0), то это эквивалентно утверждению, что и электрическое
поле Е в направлении тока тоже равно нулю (Е=0). При условии,
что и индукция тока В=0 и электрическое поле Е=0, какой-либо
электрический ток в проводнике не может течь, т.к. нет к этому
причин. Поэтому направленного движения (проводимости) элек-
тронов при В=0 и Е=0 в материале не может быть. Итак, в мате-
риале остается только одно «замороженное» магнитное поле Н.
Но если и оно (магнитное поле) выталкивается из сверхпровод-
ника, то в нем вообще ничего не остается, что не соответствует
действительности.
     Утверждается, что «Мейсснер и Оксенфельд обнаружили не
только отсутствие проникновения магнитного поля в сверхпро-
водник, но и «выталкивание» поля из первоначально нормально-
го образца, когда он охлаждается ниже температуры Ткр» [62, стр.
8] и якобы, поэтому увеличивается напряженность Н вне «сверх-
проводника».
     В отношении эффекта Мейсснера существует множество
вопросов. Например:
     1. Какие такие загадочные силы выталкивают из проводника
внешне приложенное магнитное поле после перехода проводника
в диамагнитное «сверхпроводящее» состояние? По какой причи-
не магнитное поле, вызывающее «сверхпроводимость» электро-
нов в «сверхпроводнике» вытесняется из него, а «сверхпроводи-
мость» остается? Если внешнее поле выталкивается появившимся
собственным (внутренним) противоположно направленным по-
лем, то оно то уж должно быть в материале, а его, как предполо-
жил В. Мейсснер, там нет. А если внешнее и собственное поля
внутри «сверхпроводника» накладываются друг на друга и взаи-
моуничтожаются, то почему для обеспечения эффекта Мейсснера
эти поля должны быть непременно противоположно направлен-
ными, равными по величине и равномерно распределены в объе-
ме «сверхпроводника»?

                               17


     Если объяснять «мейсснеровский эффект диамагнетизма
сверхпроводников», т.е. отсутствие магнитного поля внутри
«сверхпроводника» взаимоуничтожающим действием внешнего и
внутринаведенного полей (а такое объяснение существует [62]),
то почему это аннулирование полей одновременно и вытесняет
(выталкивает) прежде проникающее в «сверпроводник» внешнее
магнитное поле за пределы «сверхпроводника», усиливая тем са-
мым магнитное поле вблизи его?
     Я.И. Френкель в упомянутой выше работе [62] по поводу
природы эффекта Мейсснера написал так: «…Находясь во внеш-
нем магнитное поле, сверхпроводник намагничивается, но не в
направлении поля, как, например, железо, а в противоположном
направлении, и притом таким образом, чтобы магнитное поле,
обусловленное этим намагничиванием, в точности уничтожало
внешнее поле внутри сверхпроводника». Никто из ученых не
объясняет, почему собственно намагничивание материала, буду-
чи в «сверхпроводящем» состоянии, должен быть именно таким
необычным, чтобы оправдать предположение Мейсснера о вы-
талкивании магнитного поля из «сверхпроводника».
     2. Если магнитное поле не проникает, а выталкивается из
переохлажденного «сверхпроводника», то как с его помощью в
проводнике все же возбуждается (возникает), как утверждается,
электрический ток?
     3. Если магнитное поле не может проникнуть внутрь
«сверхпроводника» и он как-то превращается из ферромагнитика
или парамагнитика в идеальный диамагнетик, то каким образом
увеличение внешнего магнитного поля разрушает диамагнитную
«сверхпроводимость» и вновь восстанавливает нормальное свой-
ство намагничивания? С другой стороны, как абсолютный диа-
магнетик «замораживает» магнитное поле, если его в «сверхпро-
воднике» как бы и не существует из-за «эффекта Мейсснера»?
     Следуя литературным источникам, «эффект Мейсснера»
нужно понимать как возникновение в «сверхпроводниках» осо-
бенного диамагнетизма, который, по Мейсснеру, не является пе-
ремагничиванием, например, ферро- или парамагнитного тела в
противоположном направлении по отношению к направлению
приложенного внешнего магнитного поля Н, а есть какое-то не-
обычное «выталкивание» внешнего поля из «сверхпроводника»

                             18


без возникновения (индукции) собственного магнитного поля Нс
внутри его. То есть «эффект Мейсснера» это переход «сверхпро-
водника» только к внутренней немагнитности, в вблизи его по-
верхности возникает и сохраняется, в отсутствии ранее прило-
женного магнитного поля Н, значительное магнитное поле, свя-
занное со «сверхпроводником».
     В объяснении, так называемого «эффекта Мейсснера», все
изрядно запутано.
     Существует мнение о том, что исчезновение магнитного по-
ля внутри сверхпроводника можно доказать непосредственно,
вводя в толщу сверхпроводника изолированную висмутовую
проволочку. Сопротивление висмута, особенно при низких тем-
пературах, возрастает с увеличением магнитного поля. Поэтому
исчезновение магнитного поля в «сверхпроводнике» можно об-
наружить по увеличению силы тока, проходящего через висмуто-
вую проволочку (при постоянном напряжении). Однако известно,
что изменение сопротивления (ΔR) висмута под влиянием маг-
нитного поля составляет примерно 5%. Даже специальная висму-
товая спираль, предназначенная для измерения силы магнитного
поля, обладает невысокой точностью (~2%) и ограниченной чув-
ствительностью. Сопротивление висмута сильно зависит от тем-
пературы. И не известно возрастание силы тока в висмутовой
проволочке, находящейся внутри «сверхпроводника» при гелие-
вых температурах, происходит от исчезновения магнитного поля
в «сверхпроводнике» или от резкого уменьшения электроспро-
тивления в связи с глубоким ее охлаждением. По вышеуказанным
причинам некоторое изменение силы тока в висмутовой прово-
лочке вставленной в отверстие «сверхпроводника», нельзя счи-
тать экспериментальным доказательством «эффекта Мейсснера».
Это умозаключение правильно еще и потому, что «изолированная
висмутовая проволочка» находится все же вне тела «сверхпро-
водника», а вне его, как известно, есть значительное магнитное
поле.
     Вывод: существование «эффекта Мейсснера», как явления
выталкивания магнитного поля из «сверхпроводника», нельзя
считать доказанным ни теоретически, ни экспериментально.



                              19


               1.5. Эксперимент В.К. Аркадьева

     В 1945 г. советский ученый В.К. Аркадьев предсказал и
осуществил, знаменитый теперь опыт с «плавающим магнитом».
Если постоянный магнит с полем Н поместить на поверхность
«сверхпроводникового» материла, то силовые линии этого маг-
нита индуцируют (создают) в «сверхпроводнике» значительное и
противоположно направленное магнитное поле Нс, которое соз-
дает отталкивающую силу, большую, чем сила тяжести магнита.
Так постоянный магнит оказывается приподнятым и плавающим
над «сверхпроводниковой» поверхностью, а по существу над
сверхнамагниченной поверхностью. При этом очевидно, что
Нс>mg, где m – масса магнита, g – ускорение силы тяжести (веса).
     Эксперимент В.К. Аркадьева состоял в следующем. Для
создания устойчивого положения плавающего магнита, т.е. чтобы
он не смещался в разные стороны, эксперимент проводился над
поверхностью «сверхпроводящего» тела в виде полусферы или
чаши. Чаша была изготовлена из немагнитного в нормальных ус-
ловиях, но «сверхпроводящего» при гелиевых температурах,
свинца. Чашу выкрасили в белый цвет, а для наглядности формы
чаши в ней нанесли черные линии. Чаша крепилась на ножках из
медных прутков. Эта конструкция помещалась в жидкий гелий,
уровень которого был ниже дна чаши. Чаша, охлаждалась до тем-
пературы Ткр, находясь в среде газообразного гелия и в непосред-
ственной близости к жидкому гелию. После перехода свинцовой
чаши в «сверхпроводящее» состояние, т.е. когда свинец стано-
вится «сверхпроводником», в нее опускали маленький постоян-
ный магнит прямоугольной формы, который зависал над дном
чаши на расстоянии примерно 1,5 см. На фотографии рис. 3 при-
веден вид эксперимента с плавающем магнитом.




                               20



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика