Вниз по лестнице температур

Вниз по лестнице температур Открыти е сверхпроводимости было бы невозможным без достижения очень низких те мператур. Путь к таким температурам начинался с попыток превратить газ в жидкость. Первые шаги были сделаны в конце XVII века. Английский физик Робе рт Бойль в 1662 году и француз Эдм Мариотт в 1676 году независимо друг от друга у становили первый газовый закон: при постоянной температуре объем возду ха в закрытом сосуде обратно пропорционален давлению, производимому им на стенки сосуда. Зависимость одной характеристики состояния веществ а от другой при постоянной температуре называется изотермой. Изотермы, н айденные Бойлем и Мариоттом, похожи на гиперболы. На графике видно неск олько гипербол: каждая из них соответствует своей температуре, причем та гипербола, которая получена при более высокой температуре, располагает ся выше. Это наблюдение выражается вторым газовым законом, который устан овил французский ученый Шарль в 1787 году: объем газа при постоянном давле нии пропорционален его температуре. [pic] После Шарля расширение газов и зучали также и другие ученые, такие как Джон Дальтон, Жозеф Гей-Люссак. В середине прошлого века французский физик Клапейрон объединил все най денные газовые законы в единый, согласно которому объем V, давление р и тем пература Т газа связаны простым соотношением pV = RT (R - газовая постоянная, ра вная примерно 8,3 Дж/К.моль). Этот закон является общим для всех газов. Двин емся по шкале температур, используя второй газовый закон. Если при сниже нии температуры на 1оС объем газа уменьшается на 1/273 часть, то примерно при -273оС объем газа должен упасть до нуля, весь газ должен стянуться в точку. И ными словами, должно существовать такое предельное значение температу ры, ниже которого само это понятие теряет смысл. Такое значение темпера туры английский физик Уильям Томпсон предложил называть абсолютным ну лем. Температура Т в законе Клапейрона отсчитывается от этой предельной температуры. В конце XVII века голландский ученый Маурициус Ван Марум реш ил выяснить справедлив ли закон Бойля-Мариотта для всех известных к тому времени газов. Среди выбранных им для исследования веществ был аммиак. Ван Марум проводил свои опыты при комнатной температуре, постепенно сжи мая газ. Вначале аммиак вел себя так, как предсказывал закон. Но затем прои зошло неожиданное: при давлении примерно 700 килопаскалей, объем газа резк о уменьшился и газ превратился в жидкость. Физики последовали по пути В ан Марума и смогли сжижить при комнатной температуре еще несколько газо в. И все же целый ряд газов, и среди них воздух, кислород, азот и водород, не у давалось превратить в жидкость. Эти газы стали называть "постоянными". Дл я сжижения постоянных газов требовались не только высокие давления, но и низкие температуры. Одним из первых это понял Майкл Фарадей. В 1823 году Фара дей по поручению английского химика Хамфри Дэви, у которого он тогда раб отал лаборантом, изучал тепловое разложение химического соединения хл ора. Вещество нагревалось в Г-образной герметически запаянной стеклянн ой трубке. Колено трубки, куда было помещено вещество, нагревалось пламе нем спиртовки, второе колено находилось при комнатной температуре. Фара дей обнаружил, что на стенках холодного конца трубки появился какой-то м аслянистый желтый налет. После опыта Фарадей долго думал, что это такое и понял, что это мелкие капельки сжиженного хлора. Три года спустя Фараде й вернулся к своему опыту, но теперь дальнее колено он поместил в охлажда ющую смесь. Он получил не отдельные капельки, а целы столбик жидкого хлор а. Так удалось перевести в жидкое состояние еще несколько газов, но "посто янные" газы устояли и на этот раз. Опыты продолжались было обнаружено кр итическое состояние, т.е. состояние при котором нельзя понять, что находи тся в сосуде жидкость или пар. В середине XVIII века шотландский ученый Томас Эндрюс начал исследования критического состояния. Он работал с окисью а зота, хлористым водородом, аммиаком, сероводородом, но основною часть оп ытов провел с двуокисью углерода. Все эти вещества обнаружили сходное по ведение. Изотермы, полученные Эндрюсом, отличались от изотерм идеально го газа. На гиперболах появились прямые участки. Слева от этих участков в ещество находиться в жидком состоянии, справа - в виде пара. На самих прямы х участках кривой пар и жидкость находятся в равновесии друг с другом, зд есь вещество пребывает одновременно в двух агрегатных состояниях. [pic] Если температура газа намного превышает критическую, то на диаграмме Э ндрюса изотермы представляют собой почти идеальные гиперболы. По мере п риближения ее к критической температуре изотермы начинают все более от клоняться от гипербол, и эти отклонения говорят о все большем отличии со стояния вещества от идеального газа, все большей близости его к превраще нию в жидкость. В 1877 году французский горный инженер Кайте предпринял по пытку сжижить "постоянный" газ. Кайте смог получить жидкий кислород пут ем резкого охлаждения газа при быстром его расширении, выпуске в атмосфе ру. Но в жидком состоянии кислород находился не долго. В 1883 году польским физикам Зыгмунту Вроблевскому и Каролю Олбшевскому удалось получить ж идкий кислород в устойчивом состоянии. Для охлаждения кислорода они исп ользовали жидкий этилен, который кипел при давлении в три раза меньшем а тмосферного и температуре 143 К. Критическая температура кислорода равна 155К, а критическое давление 5 МПа, так что при температуре этилена 143К для сжи жения кислорода его уже почти не надо было расширять. Но без этилена кис лород опять превращался в газ. После сжижения кислорода следующими был и водород и азот. В 1891 году был открыт новый газ -гелий. Сжижить гелий после н ескольких неудачных попыток других ученых попытался голландский физик Хейк Камерлинг-Оннес. Он начал с определения критической температуры ге лия. 10 июля 1908 года начался эксперимент. Сначала нужно было сжижить водород , который затем должен был предварительно охлаждать гелий. Затем началас ь циркуляция охлажденного гелия в его ожижителе. Температура гелия нача ла понижаться. Жидкий гелий удалось получить. Открытие и исследование сверхпроводимости Онесс решил провести изме рения электрического сопротивления металлов при гелиевых температура х. Он изготовил проволочки из нескольких образцов платины. Все проволочк и были одинаковой длины и сечения, но при измерении в кипящем гелии имели разные значения сопротивлений. Оказалось, что в проволочках было разное количество примесей, и чем больше было примесей, тем более высоким было с опротивление. Онесс решил продолжить свои опыты на более чистом металле . Он испытывал золото. Но даже при максимально чистом золоте обнаруживал ось хоть и малое, но все же заметное остаточное сопротивление. R, Ом 0,13 0,125 0,10 Hg 0,075 0,05 0,025 10-5 0 4000 4010 4020 4030 4040 Т, К Онесс взял ртуть чрезвычайно высокой степени частоты, сопро тивление которой при температуре 4,2К было очень малым, а при дальнейшем по нижении температуры таким, что его вообще нельзя было определить прибор ами, имевшимися в лаборатории. Но оказалось, что сопротивление ртути при температурах около 4,2К уменьшалось не плавно, а скачком падало до неизмер имо малой величины. Выяснилось, что такое же внезапное исчезновение сопр отивления испытывают еще два металла: олово и свинец. Исследование све рхпроводимости продолжалось. сопротивление проводника в узком интерва ле температур падает до неизмеримо малого значения. Но возник вопрос: не падает ли сопротивление до нуля? Если сопротивление остается конечным, м ожно предположить, что налицо просто некий особый случай обычного прово дника с удивительно малым сопротивлением. Если же оно падает до нуля - при температуре хотя и очень низкой, но все же отличающейся от абсолютного н уля, - то электропроводность, равная обратной величине сопротивления, ст ановится бесконечно большой: именно такой смысл вложил Онесс в понятие сверхпроводимости. Ответ на этот вопрос Онесс получил в 1914 году. Сопроти вление, равное нулю означает, что электрический ток, однажды созданный в замкнутом проводнике, будет в нем циркулировать вечно, даже если проводн ик отсоединить от источника напряжения. Источник будет не нужен: электро ны при движении в проводнике уже не рассеивают свою энергию в тепло и нет необходимости восполнять ее потери. [pic] Онесс изготовил маленький солен оид - катушку из свинцового провода - и соединил его с электрической батар еей с помощью двух ключей - внешнего и внутреннего. Катушку он погрузил в к риостат с жидким гелием. Идущий по ней ток создавал магнитное поле, кото рое существовало и в пространстве вне криостата. Чтобы обнаружить это по ле, Онесс взял маленький постоянный магнит, игравший ту же роль, что и комп асная стрелка. В начале опыта внешний ключ был замкнут, а внутренний - ра зомкнут, и по катушке шел ток. Затем внутренний ключ замыкался, а внешний р азмыкался, так что теперь катушка была замкнута сама на себя, отсоединен а от батареи. Стрелка компаса в этот момент не изменила своего положени я. Это означало, что по проводнику продолжает идти ток. Теперь оставалос ь ждать. В обычных проводниках из-за сопротивления ток исчезает практиче ски мгновенно после отключения источника напряжения. Через несколько ч асов весь жидкий гелий испарился, и опыт прекратился. Но в течение всего э того времени стрелка компаса не шелохнулась. Впоследствии этот опыт нео днократно повторялся другими исследователями. В одном из опытов наблюд ение за циркулирующим током длилось в течение нескольких лет. И за все э ти годы ток в сверхпроводящем кольце не изменился. Из этого следовал выв од, что электрическое сопротивление сверхпроводника точно равно нулю. Появление новых сверхпроводников В десятые годы в Лейденской лаборатории в дополнение к ртути, свинцу и ол ову были открыты сверхпроводящие свойства индия таллия и галлия. Все эти металлы сходны друг с другом в том, что имеют невысокие температуры плав ления и довольно небольшую твердость. В двадцатые годы, когда в поиски но вых сверхпроводников включились и другие лаборатории, немецкий физик Вальтер Мейснер обнаружил, что сверхпроводники встречаются и среди дос таточно твердых и тугоплавких металлов: ими оказались титан, ниобий, тан тал и торий. Разработка новых методов сверхглубокого охлаждения в трид цатые годы позволила вторгнуться в область температур ниже 1К. Число вно вь открытых проводников пополнилось алюминием, цинком и другими элемен тами. На сегодняшний день известно около 40 химических элементов, обнаруж ивающих сверхпроводимость. Уже в первые годы изучения сверхпроводимо сти выяснилось, что среди металлов, обладающих при нормальных температу рах высокой электропроводностью, сверхпроводники почти не встречаются . Так, например, золото, серебро, медь - не сверхпроводники. Для многих элеме нтов возникновение сверхпроводимости и температура перехода в сверхпр оводящее состояние не зависели от степени загрязненности их примесями, для других же металлов сверхпроводимость удалось обнаружить, лишь когд а они были получены в очень чистом виде. В двадцатые годы, помимо новых с верхпроводников, были открыты и новые черты самого явления. Выяснилось, что в момент перехода металла из нормального состояния в сверхпроводящ ее никакого тепла не выделяется и не поглощается. Вместе с тем теплоемко сть металла на таком переходе испытывала скачок. Ни внешний вид, кристал лическая структура металла при этом не изменялись. Если тепло при пере ходе не выделяется и не поглощается, это означает, что переход между норм альным и сверхпроводящим состоянием не является обычным фазовым перех одом. Измерения критического магнитного поля показывали, что его велич ина не постоянна, а зависит от элемента, а для данного элемента- от темпера туры сверхпроводника, причем для всех изучавшихся сверхпроводников за висимость имела одинаковую и характерную форму. При температурах, близк их к абсолютному нулю, критическое поле было наибольшим и медленно менял ось с температурой. Однако при приближении к температуре сверхпроводящ его перехода критическое поле уменьшалось все быстрее, пока в самой точк е перехода не обращалось в нуль. Вблизи критической температуры для разр ушения сверхпроводимости было достаточно совсем небольших магнитных п олей. Зависимость критического поля от температуры Вк Вк0 0 Тк Т Сверхпроводник и магнитное поле Постепенное накопление эксперимента льных сведений о сверхпроводниках было прервано в 1933 году открытием, сдел анным В. Мейснером и Р. Оксенфельдом. До этого проводились испытания с по лыми проводниками, т.к. эти проводники имели маленькую массу, и их легче бы ло охладить. Мейснер и Оксенфельд проводили испытания на сплошных образ цах из олова и свинца, состояло в том, что когда охлаждался образец с введе нным в него магнитным потоком, в момент наступления сверхпроводящего пе рехода этот поток мгновенно выталкивался из образца. Магнитная индукци я сразу обращалась в нуль, и при нулевом конечном магнитном поле итог обе их операций был совершенно одинаковым. Сверхпроводники оказались иде альными диамагнетиками: они выталкивали из себя магнитное поле во всех с лучаях. При намагничивании полого сверхпроводника сначала происходи т то же самое, что и при намагничивании сплошного. На поверхности сверхпр оводника появятся незатухающие замкнутые токи, которые создадут "проти вополе". Токи уничтожат магнитное поле в толще сверхпроводника и в полос ти. Если же намагнитить образец при температуре выше критической, а зат ем, охладив, перевести его в сверхпроводящее состояние, то возникающее " п ротивополе" уничтожит магнитное поле в толще сверхпроводника, но сохран ит его в полости. Это поле, захваченное несверхпроводящей полостью, перв ые исследователи приняли за поле всего сверхпроводника, но это заблужде ние было развеяно опытом Мейснера и Оксенфельда. Диамагнетизм сверхпр оводников хорошо демонстрируется опытом, который осуществил в 1945 году пр офессор московского университета В. К. Аркадьев. Он изготовил небольшу ю свинцовую чашу и погрузил ее в жидкий гелий, а затем на тросике начал мед ленно опускать в нее постоянный брусковый магнит. По мере приближения ма гнита к чаше натяжение тросика постепенно ослабевало, и наконец, магнит свободно повис над чашей. Объясняется этот эффект просто: под действием магнита в сверхпроводящей чаше возникают "противотоки", создающие "проти вополе". В результате выталкивания магнитного поля из чаши возникает отт алкивание чаши и магнита, которое и проявляется в том, что магнит парит в в оздухе над чашей. А что происходит вне сверхпроводника, при помещении е го в магнитное поле? Если сверхпроводник имеет форму узкого цилиндра и ли узкой пластины, располагающихся вдоль силовых линий приложенного по ля, то внесение его в магнитное поле не искажает заметным образом картин у силовых линий этого поля. Если же проводник имеет иную форму, то в его п рисутствии распределение силовых линий поля существенно изменяется. Н апример, если образец имеет вид шара, то силовые линии расступаются пере д шаром, сгущаются в окрестности его экватора и снова смыкаются позади ш ара. [pic] Число силовых линий, пересекающих площадку постоянного сечени я, есть мера напряженности поля. Сгущение силовых линий около экватора ш ара говорит о том, что магнитное поле здесь сильнее, чем вдали от шара. По ка приложенное к сверхпроводнику магнитное поле невелико, неоднородно сть этого поля, вызванная образцом, для сверхпроводника несущественна. Н о когда поле начинает приближаться к критическому, на проводнике возник ают чередующиеся нормальные и сверхпроводящие области. Когда же дости гается критическое значение, проводник целиком переходит в нормальное состояние. А что будет со сверхпроводником, если к нему подключить элек трический ток? По мере нарастания тока собственное его поле увеличивает ся и, наконец, наступает момент, когда оно достигает значения, равного кри тическому в случае приложения внешнего магнитного поля. Сверхпроводим ость исчезает, т.к. сверхпроводнику все равно, какое поле на него действуе т - собственное поле тока или внешнее магнитное поле. Соответствующее зн ачение тока тоже было названо критическим. За четверть века, прошедшую с момента открытия сверхпроводимости, были выявлены основные ее черты. П режде всего выяснилось, что это явление не уникально и присуще целому ря ду металлических элементов, причем для всех них температура перехода в с верхпроводящее состояние оказалась очень низкой, порядка нескольких К ельвинов. Затем было установлено, что сверхпроводимость разрушается ма гнитным полем. В зависимости от формы образца и его ориентировки в магни тном поле это разрушение могло происходить либо скачком по достижении к ритического поля, либо постепенно по достижении такого поля сначала в от дельных участках образца. Был открыт важнейший эффект Мейснера - Оксенфе льда: выталкивание магнитного поля из сверхпроводящих образцов вне зав исимости от тех условий, в каких поле прикладывается к образцам. Далее, бы ло обнаружено существование критических токов в сверхпроводниках. И на конец, появилась первая теория сверхпроводимости Лондонов, которая учи тывает идеальную электропроводность и идеальный диамагнетизм сверхпр оводников. Новая теория сверхпроводимости Основной класс веществ, в которых разыгрываются известные эффекты сверхпроводимости, являются металлические кристаллы. Микроскопической теории сверхпрово димости предстояло выяснить, какую роль в этих эффектах играют частицы, из которых состоят кристаллы, - электроны и ионы. Теория Лондонов не могл а объяснить промежуточного состояния. Нужна была новая теория. Волновая функция в сверхпроводящей области отличается от таковой в нормальной о бласти, а на границе между ними достаточно быстро меняется. Кроме того, эт о не совсем обычная волновая функция: она описывает только коллектив све рхпроводящих электронов. В нормальной области таких электронов нет, и, е стественно , волновая функция в ней должна обратиться в нуль. Это обращен ие в нуль на границе сверхпроводящей и нормальной областей должно произ ойти постепенно. Чтобы соответствовать тому, что получается на опыте, во лновая функция должна постепенно уменьшаться по величине по мере повыш ения температуры сверхпроводника и обращаться в нуль при критической т емпературе, когда сверхпроводящие области вовсе исчезают. Для получени я необходимых уравнений для волновой функции, нужно было учесть сам пере ход в сверхпроводящее состояние, т.е. тот факт, что при определенной темпе ратуре свободная энергия сверхпроводящей фазы должна стать меньше, чем у нормальной фазы. Следовало принять во внимание также и то, что на сверхп роводимость влияет магнитное поле, создавая чередование нормальных и с верхпроводящих областей и вовсе разрушая сверхпроводимость при достиж ении критической напряженности во всем образце. Движение сверхпровод ящих электронов более упорядочен, чем движение нормальных электронов. С ущность этого упорядочения пока была непонятна, но само возникновение с верхпроводимости можно было истолковать как фазовый переход от менее к более упорядоченному состоянию. В отсутствии магнитного поля такой пер еход не сопровождался выделением или поглощением тепла. В таких условия х фазовый переход относится ко второму порядку. Если же переходу характе рно скачкообразное изменение среднего расстояния между атомами или мо лекулами в веществе (при изменении такого расстояния либо затрачиваетс я, либо выделяется энергия), то это фазовый переход первого рода. Но суще ствуют и такие превращения, при которых средние расстояния между атомам и меняются не скачком, а непрерывно, но даже наималейшее изменение расст ояний равносильно скачкообразному изменению порядка их взаимного расп оложения. Порядок расположения атомов в кристалле характеризуется опр еделенной симметрией, и в отличие от расстояния симметрия не непрерывна я, а дискретная характеристика: данная симметрия может исчезать или появ ляться лишь скачком. Симметрией можно характеризовать не только взаим ное расположение атомов в кристалле. Ею можно описывать электрические и магнитные свойства кристаллов и даже движение частиц. Превращения веще ства, в которых их состояния меняются непрерывно, а симметрия скачком, бы ли названы фазовыми переходами второго рода. Симметрия связана со степ енью упорядоченности движения частиц. Отличие нового порядка от старог о можно описывать, вводя специальную величину - параметр порядка. Понима ют, что он равен нулю для старого порядка и возрастает, по мере того как ра зличие нового и старого порядка становится все более значительным. Рол ь параметра порядка в своей теории Гинзбург и Ландау уготовили квадрату волновой функции сверхпроводящих электронов. При критической температ уре она обращается в нуль. При понижении температуры она возрастает: все большая доля электронов принимает участие в сверхпроводимости, а квадр ат волновой функции как раз дает вероятность обнаружить такой электрон. Эта вероятность пропорциональна общему числу электронов. [pic] Построим рисунок, изображающий магнитное поле и квадрат волновой функции (конц ентрацию) сверхпроводящих электронов на границе сверхпроводящей и нор мальной областей. Ход магнитного поля характеризуется экспоненциально й зависимостью от расстояния до границы, и мерой быстроты спада магнитно го поля является глубина проникновения (. Аналогично изменяется - но в про тивоположную сторону - квадрат волновой функции; мера быстроты ее измене ния получила название длины когерентности: обычно ее обозначают (. Гинз бург и Ландау выяснили, что поверхностная энергия будет положительной, е сли отношение (/( меньше, чем 1/(2(0,7. Мы имеем дело с таким сверхпроводником, у которого на границе с нормальными областями концентрация сверхпроводя щих электронов снижается до нуля постепенно. Быстрота этого снижения оп ределяется длиной когерентности, и надо рассмотреть две возможности, со ответствующие тому, что длина когерентности меньше или больше глубины п роникновения. В первом случае магнитное поле, проникая в сверхпроводни к, встречает почти во всей зоне проникновения "полноценный" сверхпроводн ик с полной концентрацией сверхпроводящих электронов. Поверхностная э нергия в этом случае должна быть отрицательной. Во втором случае почти во всей пограничной области между сверхпроводником и нормальным метал лом магнитное поле равно нулю. Приграничная область напоминает сверхпр оводник вдали от границы, но концентрация сверхпроводящих электронов в ней все же понижена по сравнению с удаленной от границы областью. Энерги я в единице объема приграничной области выше, чем энергия в единице объе ма области, удаленной от границы, и ближе к энергии в единице объема норма льного металла. Тогда энергия, отнесенная к единице площади границы, - это и есть поверхностная энергия, - должна быть положительной. Промежуточн ое состояние соответствует ситуации, когда длина когерентности больше глубины проникновения. Этот случай реализуется у веществ, которые можно назвать сверхпроводниками I рода. Вещества, у которых длина когерентност и меньше глубины проникновения, называются сверхпроводниками II рода (ме таллические сплавы). Применение сверхпроводников В 1930 году два молодых голландца Де Хаас и В оогд сделали важное открытие. Работая со сплавами свинца и висмута, они о бнаружили, что сплавы сохраняют сверхпроводимость вплоть до магнитных полей порядка 2Т. Это величина более чем в 30 раз превышала критическое пол е для чистого свинца. Онесс, мечтал изготовлять экономичные сверхпрово дящие магниты с напряженностями поля в десятки тесла, но был вынужден от казаться от этой идеи, обнаружив, что сверхпроводимость разрушается при полях, в тысячи раз более слабых. Теперь как будто появилась надежда изго товить магнит пусть и не на десятки, но на единицы тесла. Такие магниты мож но было бы использовать, например, в небольших электрических машинах. Д ля использования в электротехнике сверхпроводники должны иметь высоки е критические параметры. Прежде всего необходимо, чтобы достаточно высо кой была критическая температура. Если она окажется больше примерно 22К, т о для охлаждения станет возможным использовать вместо гелия более деше вый жидкий водород. Далее, необходимо, чтобы этот проводник выдерживал д остаточно сильные магнитные поля. Если из сверхпроводника изготовляют ся провода для линий передачи электрического тока, то для него важно име ть высокие значения критического тока в отсутствие сколько-нибудь суще ственного магнитного поля. Но если сверхпроводник предназначается для работы в обмотках магнита, то он должен выдерживать объединенный "натиск " большого тока и сильного магнитного поля. Сверхпроводники должны облад ать достаточно высокой пластичностью. Для того, чтобы быть сверхпровод ником, чистый металлический элемент или сплав должен иметь от 2 до 8 валент ных электронов на атом, тогда критическая температура особенно высока. С верхпроводимость при этом могут обнаруживать и такие сплавы, в которых о ба компонента не являются сверхпроводниками, - лишь бы среднее число эле ктронов в расчете на один атом попадало в указанные пределы. Наивысшую т емпературу среди чистых элементов имеет ниобий - 9,2 К. Наиболее очевидно е применение сверхпроводимости в линиях электропередачи. В стоимости электроэнергии, которую оплачивает потребитель, на долю ее производств а приходится лишь около трети. Остальные две трети - это передача и распре деление энергии. Потоки электроэнергии год от года растут, линии передач и удлиняются, во избежание больших потерь в них приходится повышать напр яжение. Сегодня строятся ЛЭП напряжением 1 МВ и даже выше. Коэффициент по лезного действия таких линий составляет около 95%. Наиболее дешевые ЛЭП - воздушные. Стоимость их строительства намного дешевле сооружения подз емного кабеля такой же пропускной способности. Но ЛЭП более удобны в не обжитых и малообжитых районах. Опасность высоких напряжений заставляе т отводить под ЛЭП большую территорию, такие напряжения вызывают высоки й уровень помех при приеме радио- и телевизионных передач. Высоковольт ные ЛЭП составляют опасность для самолетов. Применение сверхпроводящи х кабелей позволит повысить КПД подземных ЛЭП до 99,5%. Применение сверхпр оводимости коснулось и машин для выработки электроэнергии. Современны е электрогенераторы - крупные сооружения, в которых создаются большие ма гнитные поля, а роторы вращаются со скоростью 3000 об/мин. Сверхпроводимос ть обещает многое: уменьшить габариты генераторов почти в 2 раза, соответ ственно массу их - до 3 раз, а массу ротора - в 4-5 раз. Применение сверхпроводни ков снижает тепловые потери тока, так, что КПД генераторов сможет достич ь 99,5-99,8%. Сверхпроводимость можно также использовать в сверхпроводящих м агнитах. Увеличение напряженности магнитного поля с их помощью позвол ило бы существенно уменьшить размеры ускорителей. Сверхпроводники мо жно использовать и для сооружения накопителей энергии. Накапливать эн ергию можно с помощью топливных элементов, вращающихся маховиков и даже просто поднимая насосами воду в специальные водохранилища, которая, ког да нужно, приведет в движение турбины гидростанций. КПД всех этих накопи телей весьма различен - от 30% для газовых турбин, 65% для поднятой воды до почт и 100% для маховиков. Но КПД накопителей из сверхпроводников, в которых ток м ожет циркулировать неограниченное время, будет практически равен 100%. В заключение рассмотрим применение сверхпроводимости в транспорте на ма гнитной подвеске. Сегодня существуют электропоезда, способные развива ть скорость около 300 км/ч. Такая скорость, однако, является почти предельно й для колесных поездов: сила тяги становится недостаточной для преодоле ния сопротивления воздуха даже для поездов обтекаемой формы. Магнитная подвеска обещала очень быстрое, достаточно безопасное и удобное путеше ствие. В первом проекте сверхпроводникового поезда рельсы состояли из двух рядов дискретных путевых шин, в которых движение поезда наводит ток . Горизонтальные шины создают подъемную силу в те моменты, когда над ним и проходит поезд. Поскольку подъемная сила увеличивается по мере опуска ния поезда, его движение устойчиво в вертикальном направлении. Вертикал ьно же стоящие шины обеспечивают некоторую устойчивость поезда в гориз онтальном направлении: при смещении поезда с пути в них возникает ток, ко торый возвращает поезд в положение равновесия. Однако при небольших ско ростях этот ток слишком мал. Через несколько лет была предложена более удачная конструкция пути. Путевые шины в этой конструкции представляю т собой непрерывную металлическую полосу, имеющую профиль уголка. Как и в описанном выше проекте, горизонтальная часть полосы создает подъемну ю силу, а вертикальная обеспечивает боковую устойчивость поезда. Между ш инами-полосами проложен третий рельс - линейный электродвигатель. Тако е устройство намного проще, чем в первом проекте, но вместе с тем обладает серьезным недостатком. В авиации существует такое понятие "коэффициен т качества": он равен отношению подъемной силы и сопротивления движению. К сопротивлению, в данном случае сверхпроводникового поезда, надо отнес ти и тепловые потери тока в путевой несверхпроводящей шине. Например, в а люминиевом рельсе ток равен току в магните поезда; этот ток, нужный для со здания сильного магнитного поля велик, соответственно велики и тепловы е потери, и это сильно уменьшает коэффициент качества магнитного подвес а. Другая причина его снижения состоит в том, что ток магнита наводит отв етные токи и в вертикальных участках путевой шины, которые дополнительн о тормозят движение поезда. Наконец, в конце шестидесятых годов был пре дложен, пожалуй наилучший из известных проектов сверхпроводникового п оезда. В нем контуры токов, проходящих через магниты поезда и через путь, р асположены так, что магнитный поток в путевых шинах, или ток в пути, можно сделать очень малым, а значит, коэффициент качества магнитного подвеса - достаточно большим и ограниченным, в сущности, тол ько стоимостью магнита. Но для сохранения большой подъемной силы при это м приходится обеспечивать еще более высокую напряженность магнитного поля. Впрочем, для сверхпроводникового магнита это не составляет серьез ной проблемы. Каждый рельс имеет вид тонкой горизонтальной алюминиевой пластины, укрепленной на бетонн ых опорах. Сверху и снизу от нее симметрично располагаются сверхпроводя щие плоские катушки поезда. Такая конструкция одновременно обеспечива ет и вертикальную и горизонтальную устойчивость вагона, действуя в посл еднем отношении подобно ребордам на колесах. Вместе с тем она имеет и дру гие значительные преимущества по сравнению с конструкцией, в которой ис пользовалась изогнутая уголком алюминиевая шина. Например, амплитуда колебаний вагона по вертикали п ри зазоре между ним и путем 20 см снижается до 1 см вместо 10 см, что немедленно испытают на себе пассажиры. Со в ременем были предложены усовершенствованные варианты из описанных кон струкции, а затем наступил период постройки и испытания опытных сверхпр оводниковых поездов.