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.
    электропроводность. В металлах и сплавах протекание электри-
ческого тока является следствием направленного движения носи-
телей заряда – свободных электронов, не связанных жестко с
кристаллической решеткой металла. Различная проводимость
различных металлов и сплавов обусловлена разным числом в них
свободных электронов на единицу объема, а также их подвижно-
стью» [5, стр. 565]. Под электрическим сопротивлением понима-
ется противодействие, которое оказывает проводник движущим-
ся в нем электрическим зарядам, в частности, свободным элек-
тронам. Считается, что электросопротивление при нормальных
температурах обусловлено тепловым движением атомов провод-
ника. При возрастании температуры повышаются тепловые коле-
бания атомов проводника и увеличиваются столкновения элек-
тронов (носителей зарядов) с атомами, что препятствует движе-
нию электронов и этим повышает сопротивление электрическому
току. Снижение температуры, наоборот, уменьшает амплитуду
колебаний атомов и, следовательно, уменьшает количество
столкновений электронов с атомами, потери энергии электронов
уменьшаются, сопротивление проводника движению в нем элек-
тронов уменьшается.
     Прежде предполагалось, что при абсолютном нуле темпера-
туры атомная структура вещества неподвижна и если размеры
атомов становятся ничтожно малыми, то электросопротивление
такого идеального проводника должно быть равным нулю (рис. 5,
кривая 1). Исходя из этих предположений и опытов по «сверх-
проводимости» был сделан ошибочный вывод: «сверхпроводя-
щие» материалы являются идеальными проводниками. Позднее
под давлением фактов этот вывод-предположение был опроверг-
нут, да он и изначально-то был неправдоподобным, т.к. движу-
щиеся электроны не могут абсолютно не взаимодействовать с
атомами, а увеличивающаяся при охлаждении плотность атомов
(и без того плотноупакованной кристаллической решетки, на-
пример, металлического проводника) должна увеличивать элек-
тросопротивление (рис. 5, кривая 3).
     Так как любой проводник не идеален, то электроны непре-
менно сталкиваются с атомами проводника даже при абсолютно
нулевой температуре, поэтому электросопротивление не может
быть меньше некоторого минимального значения, что было под-

                             31


тверждено еще К-Оннесом при исследовании электрических
свойств платины при сверхнизких температурах. Этот факт схе-
матично показан на рис. 5, кривая 2.
     Известно, что у некоторых металлов наблюдалось увеличе-
ние электросопротивления при очень низких температурах. Это
объясняется предполагаемой конденсацией свободных электро-
нов на атомы, вследствие чего проводимость (количество прово-
димого электричества), определяемая числом свободных элек-
тронов в теле, уменьшается (рис. 5, кривая 3), а так как при тем-
пературе 0°К все свободные электроны закрепляются в атомах, то
поэтому электросопротивление должно стремится к бесконечно-
сти (R→∞), а не к нулю (R=0) [5] и [67].
     В работе [5] правильно указывается, что «приведенные точ-
ки зрения не могут объяснить, почему при некотором значении
температуры (ниже Tкр – В.Ф.)между электронами и решеткой
внезапно прекращаются соударения – обмен энергией, т.е. возни-
кает сверхпроводимость» [5, стр. 329].

             R, Ом



                        3


                        2

                            1

                                                T, °К
        Рис. 5. Зависимости электросопротивления проводников
                            от температуры

     На основе вышеизложенного можно сделать некоторые
ключевые суждения для понимания физики электрических заря-
дов, электрического и магнитного полей, электрического тока и
электросопротивления, которые вероятно помогут понять зага-


                                 32


дочную «сверхпроводимость» и создать наиболее адекватную
модель этого необыкновенного явления.
     1. Электрические заряды в проводниках
     Так как вещества в принципе способны воспринимать элек-
трические и магнитные поля и даже намагничиваться, то, следо-
вательно, в их атомах есть диполи (микромагнитики) с положи-
тельными и отрицательными полюсами. Если эти диплом сориен-
тировать (развернуть) положительными полюсами к поверхности,
а отрицательными полюсами вовнутрь тела, то получаем у него
положительные заряды, и наоборот, если в сторону поверхности
направлены отрицательные полюса диполей, то имеем отрица-
тельно заряженное тело с таким же электрическим полем вблизи
его поверхности. Если же диполи сориентированы вдоль вытяну-
того проводника, т.е. если сформировать упорядоченную диполь-
ную структуру, направленную вдоль проводника, то получаем
суммарное магнитное поле параллельное проводнику.
     Диполь состоит из двух точечных (единичных) зарядов: по-
ложительного и отрицательного. Носителем точечного заряда в
проводнике является электрон. Следовательно, в диполе два элек-
трона и два заряда, значит суммарный заряд диполя равен заря-
дам двух электронов, а элементарный квант энергии диполя ра-
вен 2е. В теорию «сверхпроводимости» эти сдвоенные в диполе
электроны с квантом энергии электромагнитного поля равным 2е,
ввел в 1956 г. американский ученый Л. Купер, поэтому их стали
называть куперовскими парами. (Л. Купер – Нобелевский лауреат
1974 года).
     2. Электрическое и магнитное поля
     Статистическое электрическое поле, как посредник между
заряженными телами отталкивает их или притягивает друг к дру-
гу. Оно, а не электроны и даже не диполи, является энергоноси-
телем, осуществляющим взаимодействие заряженного тела с дру-
гим заряженным телом или с исходно нейтральным, но заря-
жающимся телом под влиянием электрического поля предвари-
тельно заряженного тела.
     При продвижении (перемещении, распространении) и изме-
нении напряженности электрического поля у него появляется
магнитная составляющая (магнитное поле), а вместе они пред-
ставляют собой электродвижущее электромагнитное поле. Это

                              33


обобщенное поле, как и статистическое электрическое, является
носителем переменной электромагнитной энергии распростра-
няющейся по проводнику, хотя непосредственным источником
этой энергии являются диполи, состоящие из спаренных и свя-
занных с атомами, а не свободных электронов.
     3. Электрический ток проводимости – это перенос потен-
циальной электрической энергии электромагнитного поля по про-
воднику к объекту преобразования ее в тепловую, механическую
и другие, а также в энергию радиоволн, в энергию света и т.д.
Распространение полевой электромагнитной энергии по провод-
нику происходит как, частично, внутри проводника, так и, в су-
щественно большей мере, по материальному пространству вбли-
зи проводника.
     4. Электросопротивление. Очевидно, что электросопро-
тивление распространению электромагнитной энергии вдоль про-
водника обусловлено не столкновениями свободно движущихся
электронов с атомами токопроводящей среды, так как таких элек-
тронов в проводнике просто нет.
     Известно, что основная часть электрической энергии нахо-
дится не в проводнике, а вблизи его. В этом отношении провод-
ник выполняет роль естественного направляющего для тока. Наи-
большие затраты энергии тока проводимости, по-видимому, идут
на создание упорядоченной субмикроструктуры диполей токо-
проводящего вещества и на некоторый разогрев в связи с этим.
Разогрев состоит в усилении колебаний атомов, а это приводит к
частичному разрушению созданной в проводнике дипольной суб-
структуры, которую приходится постоянно восстанавливать.
Этот процесс разрушения и воссоздания субструктуры диполей
происходит только тогда, когда есть энергопередача, называемая
электрическим током. Очевидно, в этом заключается основная
суть электросопротивления.
     Вероятно изложенные здесь альтернативные представления
о зарядах, энергетических полях, электрическом токе, электросо-
противлении и т.п. могут стать основой для создания новой,
уточненной теории электричества и послужат предпосылками для
разработки адекватной теории физических явлений, происходя-
щих в материалах при сверхнизких температурах.


                              34


     2.2. Гипотезы о физической природе «электрической
                     сверхпроводимости»

     Проблема «сверхпроводимости» оказалась труднейшей для
науки ΧΧ столетия. По своей нерешенности и значимости она
сопоставима с проблемой термоядерного синтеза. Есть мнение,
что «проблема сверхпроводимости тормозила прогресс электрон-
ной теории металлов» [69, стр. 8] и, наоборот, установившаяся в
физике «электронная теория металлов» и других веществ не до-
пускала возможности создания альтернативной и, возможно, бо-
лее правильной теории «сверхпроводимости».
     Хорошо известно, что «сверхпроводимость» вначале рас-
сматривалось учеными как «идеальная проводимость» электрон-
ного газа в толще проводника. Предполагалось, что строение
(структура) проводника (металла) состоит из двух элементов: из
ионно-кристаллической решетки и находящихся в металле (среди
ионов) свободных, т.е. не связанных с ионизированными атома-
ми, электронов, представляющих собой электронный газ множе-
ства отдельных электронов. И, следовательно, считается, что
электрический ток в металлическом проводнике – это направлен-
ное движение этих свободных электронов, а электросопротивле-
ние – результат столкновений электронов с колеблющимися ио-
нами кристаллической решетки или другой некристаллической,
например, аморфной структуры.
     Если считать, что при температуре 0ºК тепловое движение
ионизированных атомов вещества прекращается полностью, то
их размеры не становятся при 0ºК бесконечно малыми, а имеют
значительную величину. Кроме того, в силу теплового изменения
межатомных расстояний в твердом теле, плотность атомов при
уменьшении температуры увеличивается и поэтому количество
столкновений и взаимодействий электронов с атомами не может
уменьшится до нуля. Следовательно, электросопротивление R в
зависимости от температуры Т должно записываться следующим
уравнением:
                          R = R0 + αТ ,
где R0 – минимально возможное электросопротивление;
    α – коэффициент пропорциональности.


                              35


     Коэффициент пропорциональности α может быть постоян-
ным для некоторых материалов или зависящим от температуры,
но в любом случае, в соответствии с теорией электронного газа,
при Т=0ºК, R=R0=const.
     Однако, вышеприведенная формула для R неверна по суще-
ству, т.к. электроны, обладая волновыми свойствами, не сталки-
ваются как бильярдные шары, а если движутся, то взаимовлия-
ют, взаимодействуют со своими как-то самопроизвольно иони-
зированными атомами проводника и поэтому данная формула не
соответствует действительности и она должна быть совершенно
другой. Это свидетельствует о несостоятельности модели «элек-
тронного газа свободных электронов в проводнике». Данная мо-
дель и другие известные микроскопические модели электриче-
ского тока и «идеальной сверхпроводимости» электронов не объ-
ясняют ни «полного отсутствия сопротивления электрическому
току в сверхпроводниках», ни скачкообразного исчезновения
электросопротивления при температурах ниже Ткр.
     Поэтому нельзя не согласиться с В.Л. Гинзбургом, утвер-
ждавшем еще в 1946 г., что «дальнейших успехов теории сверх-
проводимости можно ожидать по-видимому лишь на пути... ко-
личественного описания сверхпроводимости и развития теории,
не прибегающей к представлениям об электронном газе метал-
лов» [5, стр. 175].
     Я.И. Френкель в своей работе «Сверхпроводимость», издан-
ной в 1936 г., показал, что свободные электроны в проводнике
«можно приближенно трактовать как газ с теплоемкостью, прямо
пропорциональной абсолютной температуре». Теплоемкость
проводника должна состоять из двух составляющих: из теплоем-
кости атомов и свободных электронов. Анализируя теоретиче-
ские и экспериментальные результаты, Я.И. Френкель пришел к
выводу, «что в отношении своей теплоемкости тело в сверхпро-
водящем состоянии ведет себя как диэлектрик, т.е. так, как если
бы в нем вовсе не было свободных электронов. Другими словами,
переход в сверхпроводящее состояние оказывается связанным с
своеобразным изменением агрегатного состояния электронов,
обуславливающих электрическую проводимость тела, а именно
из состояния, аналогичного газообразному или жидкому, выше
температуры «скачка», эти электроны переходят в какое-то иное

                              36


состояние, при котором они, с одной стороны, оказываются как
бы связанными с атомами, так же как и в диэлектриках, а с дру-
гой стороны, оказываются способными перемещаться по объему
тела без всякого отклонения (выражающегося в электрическом
сопротивлении тела), не взирая на тепловое движение его ато-
мов» [62, стр. 15].
     Так появилось представление о переходе в сверхпроводящее
состояние как о кристаллизации электронного газа в своего рода
кристаллическую электронную решетку. Представление об элек-
тронной решетке в металлах (наряду с атомной) развивалось в
связи с попытками объяснения сил сцепления атомов в металлах.
Гипотеза конденсации и кристаллизации электронов в металлах
при их переходе в «сверхпроводящее» состояние не получила
развития. Взамен трехмерной электронной кристаллической ре-
шетки, способной скользить без сопротивления сквозь решетку
металлических ионов, появилось представление об одномерных
электронных цепочках, способных скользить по атомным цепоч-
кам кристаллической решетки.
     Я.И. Френкель писал: «К аналогичному представлению об
одномерных электронных цепочках, скользящих по цепочке ио-
нов, как по конвейеру, пришел и я» [62, стр. 16]. Не анализируя
подробно идею о «сверхпроводящих электронных цепочках»,
легко перемещающихся по атомным цепочкам кристаллической
решетки, отметим только следующее. Проводники и «сверхпро-
водники» обычно состоят из множества кристаллических зерен
по разному (хаотически) ориентированных. Поэтому «конвейера»
вдоль проводника или «сверхпроводника» не может быть, т.к.
развернуть кристаллы зерен, да еще без сопротивления (не за-
трачивая колоссальной энергии) нельзя. И второе замечание, если
отдельные электроны перемещаются в проводнике с сопротивле-
нием, то необъяснимо как это могут цепочки электронов переме-
щаться в проводнике без сопротивления среды. Не устранив от-
меченные и, видимо, другие противоречия, идея электронной
конденсации в сверхподвижные цепочки не получила развития и
подтверждения. Но эта идея не исчезла, а существенно измени-
лась в виде конденсации электронов в пары в момент перехода
тел в «сверхпроводящее» состояние.


                              37


     В работе [13] есть информация о том, что существование
двухэлектронных биполярных состояний утверждал Р.А. Огг еще
в 1945 г., который наблюдал аномально высокую проводимость в
биполярных металл-аммиачных растворах, замороженных в жид-
ком азоте. В 1946 г. Р.А. Огг утверждал, что ток, индуцирован-
ный в кольце из замороженного раствора натрия в аммиаке не за-
тухает в течение нескольких минут, что соответствует падению
сопротивления на семнадцать порядков, по сравнению с электро-
сопротивлением раствора в жидком состоянии. Кольцо из замо-
роженного раствора помещалось в электромагнит (Н≈ 15000 Гс) и
после отключения внешнего магнитного поля наблюдалось маг-
нитное поле вблизи кольца в течение 1-2 минут.
     Опыты Р.А. Огга в 1973 г. повторили И.М. Дмитренко и
И.О. Щеткин. Традиционно считается, что это были первые экс-
перименты по обнаружению относительно высокотемпературной
(при 77ºК) «сверхпроводимости». Опыты Р.А. Огга и других ана-
логичны опытам К-Оннеса с кольцеобразным образцом из твер-
дой (замороженной в жидком гелии) ртути. Отметим еще раз, что
во всех этих случаях с бόльшим основанием следует утверждать
об открытии экстремальных намагничиваемостей образцов.
     А.С. Давыдов в работе [22] писал, что М. Шафрот в 1951 г.
указал на невозможность объяснить эффект Мейсснера..., если в
качестве начального выбрать состояние, не содержащее связан-
ных пар электронов. А в 1956 г. американский физик Л. Купер
предложил следующую описательную модель взаимодействия
электронов с решеткой. Когда отрицательно заряженный элек-
трон движется среди противоположно заряженных ионов решет-
ки, то он поляризует решетку, т.е. притягивает к себе ближайшие
ионы. При этом локально возрастает плотность положительного
заряда, электрон как бы окутывается облаком (полем) положи-
тельного заряда, и к этому облаку притягивается второй элек-
трон, в свою очередь несущий «на себе» область поляризации
решетки. Возникающее взаимное притяжение прежде свободных
электронов связывает электроны в пары, получившие впоследст-
вии название куперовских пар [24]. При таком описании процесса
образования куперовских пар возникает ряд принципиальных во-
просов: Почему и как это легкие электроны притягивают к себе
тяжелые и закрепленные в решетке ионы, а не наоборот? Почему

                              38


поток электронов выстраивается попарно, а не в последователь-
ные цепочки как по Я.И.Френкелю? И вообще, при переходе к
«сверхпроводимости» электроны вряд ли спариваются, т.к. они
существуют в атомах в форме диполей – двух связанных элек-
тронов с различными спинами. Заметим, кстати, что за предло-
жение и разработку идеи о спаривании электронов при переходе
к «сверхпроводимости» Л. Купер был удостоен Нобелевской пре-
мии.
     В пятидесятые годы прошлого века академик Л.Д. Ландау и
тогда еще член-корреспондент АН СССР В.Л. Гинзбург предпри-
няли попытку создания теории «сверхпроводимости» как сверх-
текучести свободных электронов в металлах. Вот что тогда писал
В.Л. Гинзбург: «Глубокая аналогия, существующая между сверх-
текучестью и сверхпроводимостью очевидна... Явление сверх-
проводимости может рассматриваться как сверхтекучесть элек-
тронной жидкости в металле» [16, стр. 158]. Такое мнение о
«сверхпроводимости» возникло в связи с тем, что П.Л. Капица
обнаружил сверхтекучесть гелия при криогенных температурах,
близких к абсолютному нулю. Так в «теории сверхпроводимо-
сти» возникла новая гипотеза, в которой электронный газ еди-
ничных и/или спаренных электронов был заменен электронной
жидкостью, способный двигаться в проводнике без сопротивле-
ния. За это П.Л. Капица удостоен Нобелевской премии в 1978 г.
     Так как сверхтекучесть была взята в качестве аналога
«сверхпроводимости», то необходимо здесь кратко рассмотреть
суть явления сверхтекучести изотопа гелия Не4 без трения о со-
прикосаемую поверхность.
     В 1937 году П.Л. Капица обнаружил, а в 1947 г. опублико-
вал, что жидкий гелий II (Не4) способен легко, самопроизвольно
протекать через капилляры и щели, т.к., во-первых, размер этих
атомов гелия при температурах порядка 1-2ºК по расчетам срав-
ним с межатомными расстояниями твердых тел. Обычный ато-
марный гелий имеет атомное число 2, а его изотоп Не4 это по-
существу спаренный гелий из двух атомов. Свойства этого изо-
топа существенно отличаются от свойств Не2 и Не3, тем, что в
нем две пары электронов, т.е. два диполя, которые компенсируют
магнитные поля друг друга и возможно поэтому Не4 становится,
с одной стороны, не просто инертным, а наиболее нейтральным

                              39


по отношению к находящимся поблизости другим атомам. Одна-
ко атомы подложки, отверстий, щелей, т.е. поверхностей любых
твердых тел являются (в силу большой внутренней энергии) по-
верхностно активными по отношению к практически нейтраль-
ному Не4, притягивают его к себе с силой Р и смачиваемость по-
верхности оказывается максимальной. С другой стороны – по-
верхностное напряжение Не4, т.е. сила F кулоновского взаимного
притяжения изотопных атомов Не4 и коэффициент поверхностно-
го натяжения α близки к нулю. Так создается условие, что Р>>F
и поэтому жидкий Не4 становится «сверхтекучим». Но при вся-
ком движении есть трение, есть процесс, уменьшающий энергию
движения. В случае с Не4 сила трения на много меньше силы по-
верхностной активности атомов (Р) твердого тела по поверхности
которого течет жидкий гелий II и меньше силы поверхностного
натяжения самого гелия. Поэтому, создается впечатление, что это
течение гелия происходит без трения. Аналогией здесь может
быть спуск с горы на санках или на велосипеде без вращения пе-
далей. Этот самопроизвольный спуск при равенстве сил трения и
земного притяжения будет происходить при постоянной скоро-
сти, а спуск с крутой горы – ускорено. Из этого не следует, что
спуск происходит без трения. Так и в случае со сверхтекучестью
гелия.
     Такое объяснение сверхтекучести гелия II, т.е. Не4, вполне
согласуется с классической теорией капиллярных явлений жид-
костей и для этого не требуется вводить «элементарные возбуж-
дения в жидком гелии II», которых почему-то нет в других жид-
костях, в Не2 и Не3 и т.д., так как жидкий гелий II – единственная
жидкость, в которой квантовые эффекты почему-то проявляются
раньше, чем жидкость затвердевает.
     Теоретическое объяснение сверхтекучести гелия II и связи
между явлениями сверхтекучести и квантовыми свойствами жид-
кого гелия II было предложено Л.Д. Ландау еще в 1941 г. Кванто-
вый характер жидкого Не4 обусловлен относительно слабым
взаимодействием атомов гелия. В других жидкостях взаимодей-
ствие атомов достаточно сильное, поэтому они затвердевают до
того, как появляются квантовые эффекты. В твердом теле при аб-
солютном нуле температуры атомы находятся в энергетически
минимальном состоянии. При температурах, отличных от нуля

                                40



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика