100 великих научных открытий

Причина же сверхпроводимости была открыта лишь в 1957 г., с появлением теории БКШ, названной по первым буквам фамилий американских физиков Джона Бардина (1908–1991), Леона Купера (р. 1930) и Джона Роберта Шриффера (р. 1931). Согласно этой теории, в экстремальном холоде атомы металлов, будучи очень тяжелыми, прекращают колебаться, и кристаллическая решетка застывает в одном положении. Свободные электроны внешней атомной оболочки отправляются в путешествие между «прутьями» решетки, наделяя металл способностью проводить ток, а сами атомы, лишившись отрицательных зарядов, ионизируются — то есть заряжаются положительно. Как только сверхпроводник подключается к батарее и в нем возникает напряжение, электроны направляются в одну сторону, периодически натыкаясь на атомы-ионы. Те, хоть и не начинают колебаться, все-таки на миг немного сближаются и создают положительное энергетическое поле, которое притягивает еще одну отрицательную частицу. В итоге второй электрон проскальзывает вперед «зайцем», словно прицепившись к первой частице, и так происходит снова и снова. При этом на создание пар электроны тратят массу энергии, и у них попросту не остается сил на то, чтобы хоть как-то взаимодействовать с атомами. Ослабленные электроны сбавляют темп, в то время как атомы уже не реагируют на них и не «ставят подножки». Сопротивление падает до нуля — электроны двигаются дальше без остановок и потерь энергии.

Позже были открыты сплавы металлов, которые становятся сверхпроводниками уже при температурах ‒253 °C, ‒243 °C и даже ‒113 °C, а это более чем вдвое выше абсолютного нуля (‒273 °C). Как металлам удается проводить ток без сопротивления при такой высокой температуре, наука объяснить не может, ведь теория БКШ в этих случаях не работает. Поскольку такие сверхпроводники слишком ломкие и дорогие, применения им еще не нашлось, а вот низкотемпературные сверхпроводники ныне активно используются в электротехнике, особенно той, что связана с сильными магнитными полями. Например, в составе магнитно-резонансного томографа (МРТ) сверхпроводящие электромагниты помогают диагностировать разные заболевания, поскольку их поле «подстраивает под себя» направление атомов водорода в теле человека и с помощью этих атомов ловит сигналы от всех органов, выявляя поврежденные ткани.

Сверхпроводники готовы транспортировать электричество без энергетических потерь ровно столько времени, сколько поддерживается вокруг них экстремальный холод. Это позволяет им создавать устойчивое магнитное поле и делает прекрасной основой для электромагнитов — не только более мощных по сравнению с железными, но и более экономичных. Скажем, чтобы поддерживать в небольшом 10-сантиметровом соленоиде мощность 10 Тл, необходимо затратить более 5000 кВт электроэнергии и ежеминутно охлаждать магнит тремя кубами воды. Сверхпроводящему магниту достаточно просто находиться в гелиевом «холодильнике», и он будет бесперебойно генерировать поле мощностью 20 Тл!

Если обычные провода теряют по пути 30 % энергии, просто нагревая воздух, то сверхпроводящие за счет отсутствия сопротивления не теряют энергии вовсе, а значит, повышают выработку электричества на треть. Более того, материалы с высоким уровнем проводимости позволяют строить генераторы и двигатели с очень значительным коэффициентом полезного действия. Поэтому сверхпроводники становятся очень востребованными в энергетике.

В начале 2000-х в датском Копенгагене в обычную трехфазную сеть внедрили 30-метровый сверхпроводник, и то же самое сделали в американском Детройте, только длина кабеля была вчетверо больше. Так, постепенно сверхпроводники занимают заслуженное почетное место в мире технологий.

Переменный ток

Мы давно уже привыкли, что по проводам в наших домах течет переменный ток, подразумевающий регулярную смену направления движения электронов и их заряда, а значит — скачки напряжения в цепи. Между тем еще в позапрошлом столетии ученые сомневались, стоит ли использовать переменный ток или же лучше выбрать постоянный.

В начале 1830-х английский физик Майкл Фарадей сообщил об открытии электромагнитной индукции, на которой и основано действие переменного тока, а год спустя ему пришло письмо от некого Р. М. с проектом синхронного генератора — механизма по превращению энергии вращательного движения в энергию переменного тока. Фарадею проект понравился, и он переслал письмо со своими комментариями в научный журнал, где некогда публиковалась и его статья: авось анонимный инженер читает издание регулярно и найдет там материал о генераторе. Судя по всему, Р. М. публикацию увидел, поскольку через несколько месяцев выслал уточнения к проекту и более детальное описание механизма, в котором, впрочем, не предусматривалось схемы для преобразования переменного тока в постоянный, однонаправленный и ровный по уровню напряжения. Потому для связи, освещения и химических реакций такой генератор не подходил.