Ложняк сверхпроводимости

                                 © Федюкин Вениамин Константинович

                                              тел. раб. (812)766-01-10

                                               e-mail: kaf16@engec.ru

                                   2

Fedγukin V.K. About non-superconductivity of electrical current but

on super-magnetization. SPb.: SPbSEEU, 2008. – 112 p.

                              Annotation

      The analysis of basic experiments and their interpretation and

plenty theories of so-called “superconductivity of electrical current” in

metals and other solids under low (cryogen) temperatures are pre-

sented. The wrong ideas about superconductivity are shown. It is

demonstrated here, that the phenomenon called by Kamerling-Oness

as superconductivity is not the same one because it is not induced by

improbable super-fluidity of electrons in the body. It is approved that

discovered by Kamerling-Oness phenomenon is stable polarization of

electron structure of atoms and as a sequence is super- magnetization

of the body in the whole. It is proposed to consider this phenomenon

as super- magnetization but not as superconductivity of electricity.

The original model of microscopic theory of super- magnetism is pre-

sented here. Developed by author approach to creation of new theory

of matter super-magnetization under low over critical temperatures

seems to be more adequate to physical nature of this phenomenon. It

is evident this theory will allow to solve various principled problems

of science and practice for application of super-magnetic in future en-

gineering.

      This book means for engineers, scientists, post-graduate students

and students who is interested in problems of physics and technology

for new techniques.

Fedγukin Veniamin Konstantinovich,

Professor, DSc

Office phone: (812) 766-01-10

E-mail: kaf16@engec.ru

       dept.ukm@engec.ru

                                    3

                          Введение

     Наука, как плод познавательной деятельности людей, не ограждена от ошибок. История науки знает много случаев ошибочного толкования и теорий сущности отдельных явлений и предметов. К числу таких противоречивых, непонятных и необъяснимых пока явлений относится так называемая  «сверхпроводимость» электрического тока у различных материалов при очень

низких температурах.

     Прошло уже почти 100 лет с тех пор, как было обнаружено феноменальное физическое явление, названное его первооткрывателем Гейке Камерлинг-Оннесом, сверхпроводимостью. Однако до сих пор физическая природа этого явления остается загадочной и непонятной. Многократные попытки создать достоверную микроскопическую теорию «сверхпроводимости» оказались неудачными, а предлагавшиеся феноменологические описания этого явления противоречивы и не «освещают путь практике».

     Учеными разных стран выполнены многочисленные теоре-

тические исследования, а проблема научного объяснения неверо-

ятной «сверхпроводимости» электрического тока металлами и

другими материалами остается нерешенной. Ведутся нескончае-

мые дискуссии о физической природе «сверхпроводимости». Но,

очевидно, без четкого понимания того, что такое «сверхпроводи-

мость», без модели и без приемлемой микроскопической теории

этого явления, как оснований для создания общей физической

теории, решение проблемы получения указанного эффекта при

естественных температурах сильно осложнено и вряд ли может

быть осуществлено в ближайшие годы. А хочется, чтобы колос-

сальный энергетический эффект, ошибочно, по нашему мнению,

названный «сверхпроводимостью», скорее получил широкое ис-

пользование в производственной и потребительской практиках.

     После первых публикаций автора по вопросам «сверхпрово-

димости» прошло около 100 лет.

Все эти годы была надежда, что

будет предложена подходящая микроскопическая теория «сверх-

проводимости». Однако этой надежде не суждено было осущест-

виться. Причиной не создания пригодной теории «сверхпроводи-

мости» по-видимому является консерватизм мышления. Ученые

не пытались отойти от привычного представления об электриче-

                              4

ском токе, об электронном строении атомов и проводников. Для

решения таких сложных, почти тупиковых проблем таких как

теория «сверхпроводимости» необходим нетрадиционный под-

ход, принципиально иные идеи, другая парадигма.

     Автору надоело ждать, когда такого рода новые идеи, дру-

гие взгляды на «сверхпроводимость» появятся, и он решил, как

говорят «на свой страх и риск», перед наступлением 100-летнего

юбилея «сверхпроводимости» представить научной обществен-

ности свое видение (понимание) того, что открыл К-Оннес в дав-

нем 1911 году.

     В настоящей работе обосновывается факт того, что мы име-

ем дело не с эффектом сверхпроводимости, а с переходом мате-

риалов в сверхмагнитное или сверхдиамагнитное состояние при

температурах ниже критической. Возможно такое понимание яв-

ления, открытого К-Оннесом, поможет решить многие проблем-

ные вопросы рассматриваемого перехода материалов в состояние

сверхмагнетизма.

                              5

                1. Факты и их интерпретации

                1.1. Опыты Камерлинг-Оннеса

     С середины 19-го века было хорошо известно, что электро-

сопротивление металлов уменьшается с понижением их темпера-

туры. Однако вплоть до начала 20-го века не было сведений о со-

противлении металлов электрическому току при сверхнизких

температурах. Поэтому голландский исследователь Гейке Камер-

линг-Оннес, работавший в Криогенной лаборатории города Лей-

дена, в 1908 г. получил жидкий гелий и решил исследовать изме-

нение сопротивления электрическому току металлов при темпе-

ратурах жидкого гелия ниже 4,2°К. Результаты этих исследова-

ния платины и ртути К-Оннес опубликовал в 1911 г. В его стать-

ях было показано большое уменьшение сопротивления платины,

золота и ртути при сверхнизкой температуре жидкого гелия. Экс-

траполируя полученные данные до 0°К, К-Оннесом было выска-

зано предположение о сверхпроводимости, в частности, твердой

(закристаллизовавшейся) ртути, как наиболее чистого от приме-

сей металла. Позднее в статье, написанной К-Оннесом к третьему

Международному Конгрессу по низким температурам, состояв-

шемуся в сентябре 1913 г. в городе Чикаго, он написал: «Я уже

склоняюсь к мнению, высказанному Дюаром, что сопротивление

должно стремиться к нулю при абсолютном нуле температуры,

но результаты опытов при температуре жидкого гелия оказались

совершенно неожиданными. Сопротивление очень чистой плати-

ны становится постоянным вместо того, чтобы проходить через

минимум или бесконечно уменьшаться при стремлении темпера-

туры к абсолютному нулю». Предельные значения уменьшения

обычного электросопротивления при понижении температуры

сплавов было известно, и объяснялось это наличием в них приме-

сей. Считая, что только примеси препятствуют исчезновению со-

противления платины и, возможно, золота, К-Оннес решил про-

изводить опыты «с единственным металлом, из которого можно

надеяться получить проводники самой высокой степени чистоты,

а именно – с ртутью… Заранее можно было сказать, что сопро-

тивление проводника из твердой ртути будет иметь измеримую

                               6

величину при температуре кипения гелия, но упадет до ничтож-

ной величины при более низких температурах, которых я мог бы

достигнуть. Имея перед собой такую великолепную перспективу,

можно было не считаться с трудностями. Они были преодолены,

и результат опытов оправдал все ожидания. Не осталось сомне-

ния в существовании нового состояния ртути, в котором сопро-

тивление фактически исчезает… Ртуть перешла в новое состоя-

ние, которое в соответствии с его необыкновенными электриче-

скими свойствами можно назвать сверхпроводящим состоянием»

[67, стр. 9-10].

      Позднее сам К-Оннес определил, что добавление к ртути

значительного количества примесей не препятствует «падению

сопротивления до нуля».

      Известно, что К-Оннес в первых своих опытах использовал

потенциометрический метод расчетного определения величины

электросопротивления, пропуская по платиновой проволоке, ох-

лажденной до гелиевых температур, постоянный электрический

ток. Потенциометрическая схема для измерений малых сопро-

тивлений электрическому току проводника показана на рис. 1.

                   4                      2

                                              3

                                      1

 Рис. 1. Обычная схема потенциометрического способа измерения малых

  электросопротивлений: 1 – исследуемый проводник, 2 – электрическая

      батарея постоянного тока, 3 – милливольтметр (гальванометр,

               миллипотенциометр), 4 – миллиамперметр

                                  7

     При потенциометрическом (косвенном) измерении электро-

сопротивление рассчитывается по показаниям миллиамперметра

и гальванометра (милливольтметра) используя известный закон

Ома. При определении очень малых значений электросопротив-

ления точность и чувствительность измерительных приборов

должны быть очень большими. Возможно, что измерительные

приборы, используемые Оннесом тогда (в 1911 г.) еще не имели

достаточной чувствительности и точности для измерения сверх-

малых величин параметров электрического тока (силы тока I и

напряжения U). Вероятно, что, дойдя до пределов чувствительно-

сти миллиамперметра и гальванометра, К-Оннесу не удалось из-

мерить остаточное электросопротивление ртути при температу-

рах ниже 4,2°К. Этот «нулевой» результат инструментального

происхождения мог быть ошибочно воспринят Оннесом как пол-

ное отсутствие электросопротивления у твердой ртути при ее

глубоком переохлаждении до температур ниже 4,2°К.

     В ряде литературных источников, например, в [16] и [65]

приводится рассчитанная К-Оннесом зависимость электросопро-

тивления ртути от уменьшения температуры (рис. 2).

                 R, Ом

                  0,15

                  0,125

                  0,10

                  0,075

                                      Hg

                  0,05

                  0,025     10-5 Ом

                      0

                          4,0 4,1 4,2 4,3 4,4   T, °К

 Рис. 2. Зависимость электросопротивления ртути по К-Оннесу (1911 г.)

     Можно предположить, что полученные К-Оннесом значения

электросопротивления ртути в 10–5 Ом при температурах ниже

4,2°К находятся в пределах постоянной ошибки измерений, обу-

                                      8

словленной погрешностью приборов и неточностью методики

измерений. Не случайно поэтому получился как бы «скачкооб-

разный» переход к «практически нулевому» сопротивлению

электрическому току. В этом отношении можно привести много

примеров аналогичных «скачков». Скачкообразно, резко проис-

ходит кристаллизация чистых металлов и их плавление при по-

стоянной (критической) температуре, но на протяжении некото-

рого времени. Тут, как и в опытах К-Оннеса, «скачок» не во вре-

мени, а в различии состояний, в факте перехода от одного со-

стояния в другое.

     Первоначально К-Оннес утверждал, что при критической

температуре сопротивление току падает, по крайней мере, в 106

раз. Позднее сам К-Оннес и Р. Грассман показывали, что элек-

тросопротивление в «сверхпроводящем» состоянии составляет

меньше 10–12 сопротивления образца непосредственно над точкой

перехода. А еще позднее К-Оннес и его последователи стали ут-

верждать, что электросопротивление у многих металлов при ге-

лиевых температурах исчезает вовсе, оно равно нулю (R=0). Это

невероятное до сих пор мнение утвердилось в среде ученых фи-

зиков после других экспериментов К-Оннеса и других ученых с

кольцеобразными проводниками. Но «экспериментально устано-

вить, что электросопротивление равно нулю (ρ=0), принципиаль-

но неважно. Можно лишь утверждать, что значение ρ меньше не-

которого значения, определяемого точностью измерения» [5, стр.

332-333].

     Видимо зная, что способ прямого потенциометрического

измерения электросопротивления недостаточно точен и сложен,

К-Оннес разработал и широко использовал другой достаточно

простой метод исследования электромагнитных свойств метал-

лов, заключающийся в наблюдении за возможным затуханием

характеристик магнитного поля, наведенного в кольцеобразном

образце. Этот электромагнитный метод заключается в том, что

индуцируется электрический ток в замкнутой цепи (кольце) под

воздействием изменяющегося во времени магнитного поля. Ин-

дуцированный ток сопровождается возникновением магнитного

поля внутри и вокруг проводника. Это магнитное поле регистри-

руется (измеряется) при помощи магнетометра. После устранения

                               9

внешнего изменяющегося магнитного поля в переохлажденном

кольце сохранялось неопределенно долго наведенное магнитное

поле, намного большее, чем наводящее. Этот факт был воспринят

как незатухание электрического тока из-за отсутствия электросо-

противления. Сохранение магнитного поля исследуемого образца

после отключения электрического тока или после устранения

внешнего электромагнитного поля было, как уже отмечалось, не-

обоснованно названо К-Оннесом сверхпроводимостью электри-

ческого тока, а не сверхнамагничиваемостью.

     Если же объективно, то есть по результатам измерений, изо-

бразить на графике обнаруженный К-Оннесом эффект, то его

следует строить (в отличие от рис. 2) в экспериментально изме-

ряемых координатах: напряженность (сила) наведенного магнит-

ного поля H (Э) – температура T, °К. В таком случае нельзя гово-

рить об электрической сверхпроводимости – несопротивляемости

электрическому току. Наиболее вероятно, что обнаруженный эф-

фект К-Оннеса является эффектом максимальной намагниченно-

сти или сверхнамагничиваемости. Вопрос о правильности, об

адекватности названия эффекта К-Оннеса будет еще подробно

рассматриваться в данной публикации.

     В апреле–июне 1914 г. К-Оннес продемонстрировал, что

якобы ток, возбужденный однажды в замкнутом контуре при

температуре ниже критической температуры Ткр, °К не только

«практически не имеет электросопротивления», но и не ослабева-

ет со временем. Несколько позднее, в качестве доказательства

своих умозаключений, он перевез «сверхпроводящее кольцо с те-

кущим по нему током из голландского города Лейдена в англий-

ский Кембридж» [67, стр. 6]. При проверке этого явления в СССР

оказалось, что действительно магнитное поле, наведенное в

сверхпроводящем кольце, сохранялось без изменения в течение

более двух лет (март 1956 – сентябрь 1958 гг.). Эксперимент этот

был прекращен, так как дальнейшее его проведение стало неце-

лесообразным из-за больших затрат средств. Было оценено, что

время, требуемое для исчезновения обнаруженного эффекта, со-

ставляет не менее 100000 лет. В иностранной литературе имеют-

ся сведения о десятилетнем эксперименте с тем же результатом.

                               10