Разработки уроков

Калькулятор расчета пеноблоков смотрите на этом ресурсе
Все о каркасном доме можно найти здесь http://stroidom-shop.ru
Как снять комнату в коммунальной квартире смотрите тут comintour.net

Начальные классы

Калькулятор расчета пеноблоков смотрите на этом ресурсе
Все о каркасном доме можно найти здесь http://stroidom-shop.ru
Как снять комнату в коммунальной квартире смотрите тут comintour.net

Русский язык

Калькулятор расчета пеноблоков смотрите на этом ресурсе
Все о каркасном доме можно найти здесь http://stroidom-shop.ru
Как снять комнату в коммунальной квартире смотрите тут comintour.net

Литература

Калькулятор расчета пеноблоков смотрите на этом ресурсе
Все о каркасном доме можно найти здесь http://stroidom-shop.ru
Как снять комнату в коммунальной квартире смотрите тут comintour.net

Английский язык

Калькулятор расчета пеноблоков смотрите на этом ресурсе
Все о каркасном доме можно найти здесь http://stroidom-shop.ru
Как снять комнату в коммунальной квартире смотрите тут comintour.net

Немецкий язык

Калькулятор расчета пеноблоков смотрите на этом ресурсе
Все о каркасном доме можно найти здесь http://stroidom-shop.ru
Как снять комнату в коммунальной квартире смотрите тут comintour.net

Французский язык

Калькулятор расчета пеноблоков смотрите на этом ресурсе
Все о каркасном доме можно найти здесь http://stroidom-shop.ru
Как снять комнату в коммунальной квартире смотрите тут comintour.net

История

Калькулятор расчета пеноблоков смотрите на этом ресурсе
Все о каркасном доме можно найти здесь http://stroidom-shop.ru
Как снять комнату в коммунальной квартире смотрите тут comintour.net

Обществознание

Калькулятор расчета пеноблоков смотрите на этом ресурсе
Все о каркасном доме можно найти здесь http://stroidom-shop.ru
Как снять комнату в коммунальной квартире смотрите тут comintour.net

Биология

Калькулятор расчета пеноблоков смотрите на этом ресурсе
Все о каркасном доме можно найти здесь http://stroidom-shop.ru
Как снять комнату в коммунальной квартире смотрите тут comintour.net

География

Калькулятор расчета пеноблоков смотрите на этом ресурсе
Все о каркасном доме можно найти здесь http://stroidom-shop.ru
Как снять комнату в коммунальной квартире смотрите тут comintour.net

Математика

Калькулятор расчета пеноблоков смотрите на этом ресурсе
Все о каркасном доме можно найти здесь http://stroidom-shop.ru
Как снять комнату в коммунальной квартире смотрите тут comintour.net

 

– Профессор, профессор! – с такими криками двое молодых людей ворвались в кабинет и отвлекли почтенного профессора от его занятий.

– Корнелис, Гиллес, что у вас стряслось? – с неудовольствием спросил профессор Хейке Камерлинг-Оннес своих ассистентов, суматошное поведение которых не сулило хороших новостей.

– Лучше вам самому посмотреть! – сказал старший из них.

Пока они втроём шли в лабораторию, ассистенты наперебой объясняли профессору, что они ставили очередной плановый опыт по измерению электросопротивления при низких температурах, но тут случилось неожиданное…

– Постой, мама, – сказала Галатея. – Что такое электросопротивление? И о каких низких температурах идёт речь? Температуре замерзания воды?

– После изобретения батареи Вольты немецкий учёный Георг Ом провёл множество экспериментов с измерениями тока в электрической цепи с включением разных металлов и установил, что одна и та же батарея рождает в цепи различный ток – в зависимости от величины, которую можно назвать сопротивлением проводников, из которых состоит электроцепь.

– То есть Ом нашёл металлы, которые сопротивлялись прохождению тока? – уточнила Галатея.

– Они все сопротивлялись, но в разной степени. Лучше всех проводили ток серебро и медь, заметно хуже – железо и олово. А ртуть пропускала через себя ток ещё хуже железа.

Ом вывел закон, который связал силу батареи Вольты, величину тока в цепи и величину электросопротивления элементов цепи. В честь Ома электросопротивление сейчас измеряется в омах, а его закон стал знаменитым законом Ома.

Дальнейшие эксперименты показали, что при нагревании металла его сопротивление немного возрастает, а при охлаждении – уменьшается. В те времена ток рассматривался как течение некой электрической жидкости, поэтому существовало мнение, что сопротивление металлов при очень низких температурах перестанет падать и начнёт быстро расти – потому что электрическая жидкость застынет и остановится.

– Как река, замёрзшая в своих берегах! – воскликнула Галатея.

– Да. Самые низкие температуры, которые возможны в природе, – это минус 273,15 градуса Цельсия…

– А почему нельзя охладить металл до минус трёхсот градусов? – удивилась и даже слегка обиделась девочка.

– Потому что температура минус 273,15 градуса Цельсия соответствует полной остановке теплового движения атомов и молекул. Это абсолютный ноль по шкале Кельвина, соответствующий абсолютному покою. Дальше останавливать уже нечего!



Но приблизиться к этому абсолютному нулю долго не удавалось – пока проблемой получения сверхнизких температур не занялся профессор Камерлинг-Оннес. В 1894 году он создал очень эффективную установку по производству жидкого азота, дающую в час четыре литра этой ужасно холодной жидкости, и стал директором им же организованной Лейденской криогенной лаборатории. В 1908 году Камерлинг-Оннес превратил гелий в жидкость и достиг температуры всего в 0,9 градуса Кельвина или минус 272,25 градуса по Цельсию. За это профессор получил от коллег почетный титул «Господин Абсолютного Нуля». Профессор составил обширную программу исследования свойств различных веществ при таких низких температурах, к которой и приступил с помощью двух ассистентов – Корнелиса Дорсмана и Гиллеса Хольста.

8 апреля 1911 года Камерлинг-Оннес, взбудораженный сообщением помощников, пришёл в свою лабораторию – и убедился, что опыт поставлен полностью в соответствии с его указаниями: ртуть, замороженная до твёрдого состояния и охлаждённая до 3 градусов Кельвина, была присоединена к гальванометру для измерения её сопротивления. И гальванометр показывал… отсутствие всякого сопротивления столь холодной ртути!

– Это действительно странно, – согласился Андрей. – Словно речка, которая в самый сильный мороз взяла растаяла – и быстро побежала по руслу.




Дзинтара кивнула:

– Верно. Это совершенно противоречило представлениям о природе электрического тока при низких температурах.

Поставив серию опытов, Камерлинг-Оннес убедился, что электросопротивление ртути с понижением температуры падало сначала медленно, а потом – при 4,2 градуса Кельвина – скачком рушилось до нуля. Абсолютно неожиданный результат!

– Зато закономерный! – отметил Андрей. – Ведь профессор создал лучшую в мире лабораторию низких температур и методично исследовал физические свойства веществ при сверхнизких температурах. Он должен был наткнуться на это свойство сильно охлаждённых металлов…

– …которое стали называть сверхпроводимостью! – кивнула Дзинтара.




– Весть о таком странном свойстве металлов мгновенно облетела всё научное сообщество – и уже через два года профессор Камерлинг-Оннес получил за своё открытие Нобелевскую премию. Он стал знаменит, в его честь назван лунный кратер диаметром в 66 км, а также специальная медаль и премия.



А мировое сообщество криогенщиков, физиков и химиков стало ломать головы сразу над двумя проблемами. Экспериментаторы кинулись искать: какие ещё металлы и вещества проявляют сверхпроводимость? И нельзя ли получить сверхпроводящие материалы при обычной температуре, не охлаждая их до почти абсолютного нуля? Это стало бы революцией в электротехнике!

Вторая проблема встала перед теоретиками: она заключалась в том, что никто не понимал – как металл может идеально проводить электрический ток? Как возникает электросопротивление в обычном металле, который имеет довольно много практически свободных электронов? Свободные электроны, толкаемые электрическим полем, движутся среди атомов, сталкиваются с ними и теряют скорость, одновременно раскачивая атомы, то есть нагревая вещество. Эти столкновения электронов с атомами и являются источником электрического сопротивления. Но почему при низких температурах эти столкновения или исчезают, или перестают тормозить электроны?



Первыми достигли успеха экспериментаторы: в 1912 году они выяснили, что в сверхпроводящее состояние могут переходить свинец и олово, причем свинец переходил в сверхпроводящее состояние при 7,3 градуса Кельвина – заметно большей температуре, чем олово или ртуть.

Рекордсменом среди чистых металлов оказался ниобий, который становился сверхпроводящим при 9,2 градуса Кельвина. Дальше пришлось рассматривать сплавы и соединения.

В 1960 году был открыт сверхпроводник с критической температурой в 18 кельвинов. Молекула этого сверхпроводника состояла из трёх атомов ниобия и одного атома олова. После чего прогресс в «гонке сверхпроводников» практически остановился.

Прорывом стало открытие в 1986 году Карлом Мюллером и Георгом Беднорцем нового типа сверхпроводников. Например, соединение, состоящее из лантана, стронция, меди и кислорода, переходило в сверхпроводящее состояние при 36 кельвинах. А соединение иттрия, бария, меди и кислорода стало превращаться в сверхпроводник при температуре большей, чем температура кипения жидкого азота, – 77,4 кельвина.

– Это означает, что для исследования сверхпроводимости и для практического использования сверхпроводников стало можно использовать не дорогостоящий гелий, а дешёвый азот, – уточнил Андрей.

Дзинтара кивнула.

– В 2003 году был открыт керамический сверхпроводник на основе ртути, бария, кальция, меди и кислорода, который имел критическую температуру в 138 кельвинов. Многие вещества – например, сероводород – будут сверхпроводящими и при земных температурах – хотя бы зимой в Антарктиде, где минус 70 градусов по Цельсию, – но только при высоких давлениях. Так что экспериментаторы сделали важный шаг в поиске сверхпроводников при комнатной температуре и при обычном давлении. Конечно, в этих поисках им помогла бы хорошая теория сверхпроводимости – но тут теоретики подкачали, ведь полноценной теории сверхпроводимости, которая бы описывала разные типы сверхпроводников, до сих пор не создано.



Значительное продвижение в создании теории сверхпроводимости было достигнуто теоретиками Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом, работавшими в СССР. Они создали феноменологическую, то есть не затрагивающую микромеханизмы явления, теорию сверхпроводимости Ландау – Гинзбурга.

Первой микроскопической теорией сверхпроводимости стала модель американских физиков Бардина – Купера – Шриффера (БКШ). Она попыталась объяснить, почему электроны в сверхпроводнике не испытывают сопротивления от атомов вещества. Модель БКШ стала рассматривать объединение электронов в стаю…

– Как это возможно? – удивилась Галатея. – Электроны отталкиваются друг от друга.

– Да, когда они в свободном состоянии. Когда же они движутся в кристаллической решетке, то посылают друг другу сигналы с помощью фононов – особых колебаний решетки. И этот обмен позволяет им создавать пары, которые стали называть «электронными парами БКШ».

Галатея продолжала недоумевать. Тогда на помощь пришёл Андрей:

– Помнишь, мы потеряли друг друга в зарослях кукурузы? Тогда я пошёл туда, где сильнее всего качалась и шелестела кукуруза, – и нашёл тебя!

– Верно, нашёл… – кивнула Галатея, пытаясь представить себя электроном, а шелестение кукурузы – фононом.

Дзинтара продолжила:

– Но теория БКШ, за которую авторы получили в 1972 году Нобелевскую премию, не ответила на главный вопрос, интересующий экспериментаторов, – как вычислять критическую температуру для конкретных соединений?

Если узнать, от каких параметров вещества она зависит, то можно было бы сразу найти самый высокотемпературный проводник. Более того, если низкотемпературные проводники – с критической температурой ниже 77 кельвинов – обычно подчинялись теории БКШ, то высокотемпературные керамические сверхпроводники капризничали и подчиняться теории БКШ не хотели…

– В нагретых проводниках много тепловых шумов, то есть фононов, – задумался Андрей. – Я бы тоже не смог найти Галатею среди кукурузы, если бы дул сильный ветер!

– …поэтому учёным пришлось вводить дополнительную классификацию сверхпроводников: на те, которые следуют уравнениям Бардина – Купера – Шриффера, и на те, которые – нет. Универсальная теория сверхпроводимости до сих пор не создана, поэтому экспериментаторы двигаются вперёд на ощупь.

– Давайте создадим её, эту теорию! – загорелась Галатея.

Дзинтара засмеялась.

– Это непростое дело – теории создавать. Ни вы, ни я такой квалификацией не обладаем.

– Но поразмышлять-то можно? – неожиданно поддержал младшую сестру старший Андрей, который обычно был гораздо сдержаннее. – Вот я слушал тебя и вспоминал эффект Мёссбауэра из прошлой сказки. Когда Мёссбауэр охладил кристалл до температуры жидкого азота, то все гамма-кванты из кристалла стали вылетать с одинаковой энергией, потому что кристалл при низкой температуре стал такой прочный, что отдача кванта пришлась не на один атом, а на сто миллионов атомов. В результате гамма-квант оказался неспособен отдать свою энергию упругой и массивной кристаллической решётке!

– Ага… – задумчиво протянула Галатея. – И ты думаешь, что такой же эффект наблюдается в сверхпроводниках?

– Возможно! – кивнул Андрей. – Ведь при низких температурах атомные решётки должны быть как единое целое – и электрон, налетев на один атом, на самом деле налетит на весь кристалл. Он не сможет отдать ему свою энергию, отразится, как от идеального зеркала, и полетит дальше!

– Не растратив свою энергию! – широко раскрыла глаза Галатея. – То есть он не будет испытывать электросопротивления!

– Точно! – засиял Андрей. – В холодном кристалле электроны сталкиваются с атомами часто, но не могут передать им свою энергию и раскачать их.

– Кажется, мои дети стали вундеркиндами! Видимо, влияние неумеренного чтения научных сказок, – озабоченно сказала Дзинтара. – Но вы не спешите, любая теория требует математического оформления, там много может быть всяких вещей, которых вы просто не учитываете…

– А мы никуда и не торопимся, – сказал Андрей и подмигнул сестре. – Вырастем, всё оформим и всё учтём…


Примечания для любопытных

Хейке Камерлинг-Оннес (1853–1926) – выдающийся голландский физик. Создал эффективные установки по сжижению азота и гелия, открыл явление сверхпроводимости. Лауреат Нобелевской премии (1913).

Георг Ом (1787–1854) – видный немецкий физик, открывший связь между силой тока, напряжением и электрическим сопротивлением, единица которого названа в его честь. Член Королевского общества (1842).

Андерс Цельсий (1701–1744) – видный шведский астроном, предложивший шкалу температуры, где точку плавления льда и кипения воды разделяли 100 градусов. В честь него назван астероид 4169.

Гальванометр – электрический прибор для измерения тока в проводниках. Назван в честь итальянского учёного Гальвани.

Карл Мюллер (р. 1927) – выдающийся швейцарский физик, открывший вместе с Беднорцем в 1986 году новый тип керамических сверхпроводников. Лауреат Нобелевской премии (1987).

Георг Беднорц (р. 1950) – выдающийся швейцарский физик, открывший новый тип сверхпроводников. Получил вместе с К. Мюллером Нобелевскую премию за 1987 год.

Лев Давыдович Ландау (1908–1968) – выдающийся советский физик-теоретик. Создатель теории сверхтекучести и сверхпроводимости. Академик (1946), лауреат Нобелевской премии (1962).

Виталий Лазаревич Гинзбург (1916–2009) – выдающийся советский физик-теоретик. Создатель теории сверхпроводимости (теория Гинзбурга – Ландау) и сверхтекучести (теория Гинзбурга – Питаевского). Академик (1966), лауреат Нобелевской премии (2003).

Джон Бардин (1908–1991) – выдающийся американский физик, создатель трранзистора и первой микроскопической теории сверхпроводимости. Единственный в истории дважды лауреат Нобелевской премии по физике (1956 и 1972).

Леон Купер (р. 1930) – выдающийся американский физик, создатель теории сверхпроводимости (теории БКШ). Получил Нобелевскую премию (1972) вместе с Бардиным и Шриффером.

Джон Шриффер (р. 1931) – выдающийся американский физик, создатель теории БКШ, объяснившей важные особенности сверхпроводимости. Лауреат Нобелевской премии (1972).

Фонон – квазичастица, которая представляет собой квант колебания кристаллической решетки или квант звука, названный по аналогии с фотоном, который является квантом света. Введена Игорем Таммом.

Игорь Евгеньевич Тамм (1895–1971) – выдающийся советский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1958 год. Академик АН СССР.

Поиск

Поделиться:

Информатика

Калькулятор расчета пеноблоков смотрите на этом ресурсе
Все о каркасном доме можно найти здесь http://stroidom-shop.ru
Как снять комнату в коммунальной квартире смотрите тут comintour.net

Физика

Калькулятор расчета пеноблоков смотрите на этом ресурсе
Все о каркасном доме можно найти здесь http://stroidom-shop.ru
Как снять комнату в коммунальной квартире смотрите тут comintour.net

Химия

Калькулятор расчета пеноблоков смотрите на этом ресурсе
Все о каркасном доме можно найти здесь http://stroidom-shop.ru
Как снять комнату в коммунальной квартире смотрите тут comintour.net

ОГЭ и ЕГЭ

Калькулятор расчета пеноблоков смотрите на этом ресурсе
Все о каркасном доме можно найти здесь http://stroidom-shop.ru
Как снять комнату в коммунальной квартире смотрите тут comintour.net

Педагогическая копилка

Калькулятор расчета пеноблоков смотрите на этом ресурсе
Все о каркасном доме можно найти здесь http://stroidom-shop.ru
Как снять комнату в коммунальной квартире смотрите тут comintour.net

Переменка

Калькулятор расчета пеноблоков смотрите на этом ресурсе
Все о каркасном доме можно найти здесь http://stroidom-shop.ru
Как снять комнату в коммунальной квартире смотрите тут comintour.net
Яндекс.Метрика
Рейтинг@Mail.ru