Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №6

Левитация сверхпроводника

по материалам журнала «Наука и жизнь»

В этой заметке речь пойдет о наблюдении эффекта Мейснера. Эффект Мейснера — полное вытеснение магнитного поля из материала при переходе в сверхпроводящее состояние. Впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками Мейснером и Оксенфельдом.

Объяснение эффекта связано со строго нулевым значением электрического сопротивления сверхпроводников. Действительно, проникновение магнитного поля в обычный проводник связано с изменением магнитного потока, которое, в свою очередь создаёт ЭДС индукции и наведённые токи, препятствующие изменению магнитного потока. Если же сопротивление строго нулевое, наведённые на поверхности сверхпроводника токи будут полностью компенсировать всякое изменение потока, препятствуя проникновению магнитного поля.

За этой, казалось бы, ничем не примечательной, научной констатацией, кроется потрясающий факт — сверхпроводник может свободно висеть в магнитном поле — левитировать, как это можно видеть далее на снимках.

Этот снимки были взяты из демонстрационных роликов найденных на сайте www.youtube.com (поиск на фразу «Meissner Effect»). Посмотреть один из роликов в Интернет можно и по более удобной ссылке, например вот по этой: http://vasionok.livejournal.com/134059.html.

В принципе воспроизвести эффект левитации сверхпроводника может любой человек, имеющий таблетку сверхпроводника, магнит и немного жидкого азота в полуоткрытом термосе.

Изготовить таблетку сверхпроводника трудно, но возможно. По крайней мере, один материал из числа высокотемпературных сверхпроводников вы вполне можете изготовить под руководством учителя физики или руководителя кружка. Всем, кто заинтересуется возможностью демонстрировать самодельные сверхпроводники, было бы полезно прочитать опубликованные в журнале "New Scientist", 1987, V. 115, № 1571, P. 36–39 заметки Поля Гранта. Он пишет о том, как лаборатория фирмы IBM, в которой он работает, помогала учителям и школьникам ставить химические и физические опыты с высокотемпературными сверхпроводниками. Ниже мы полностью приводим рецепт изготовления такого сверхпроводника, написанный дочерью П. Гранта, которая в 1987 году была школьницей.

Конечно, в наших школах осуществить описываемые дальше опыты сложнее. Многие компоненты и инструменты нам менее доступны.

Итак, прежде всего мы предлагаем научиться изготавливать сверхпроводник состава Y-Ba-Cu-O. В качестве исходных компонентов понадобятся окись иттрия Y₂O₃, углекислый барий ВаСО₃ и окись меди СuО.

РЕЦЕПТ

Перемешайте, а затем растолките в порошок в ступке.

Получившуюся смесь отожгите — продержите в печи при температуре 950 °C приблизительно 12 часов.

Охладите полученный комок, и вновь растолките его в ступке.

Спрессуйте порошок в таблетки (может быть, впоследствии для проведения каких-либо опытов понадобятся другие формы, например кольца).

Снова отожгите получившиеся таблетки при той же температуре и в течение того же времени, однако теперь с обязательной подачей в печь кислорода.

Медленно охладите таблетки — скорость понижения температуры не должна превышать 100 град/ч.

ЗАМЕЧАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Как сам материал сверхпроводника Y-Ba-Cu-O, так и исходные компоненты не относятся к числу ядовитых веществ. Однако при работе с ними необходимо соблюдать определенные правила. Нужно использовать защитные очки, перчатки, а при измельчении компонентов в ступке обязательно надевать марлевые повязки на рот. Вдыхать пыль углекислого бария и окиси меди вредно. Проводите все операции в помещении, оборудованном вытяжкой, — это, впрочем, обязательный элемент оборудования любой химической лаборатории, в том числе школьной.

ЗАМЕЧАНИЯ К РЕЦЕПТУ

Указанные количества исходных компонентов позволяют получить около 7 г сверхпроводника Y-Ba-Cu-O, или около 5 таблеток диаметром 1 см и толщиной 1 мм. Ниже мы расскажем об опытах, которые можно провести с ними, а сейчас о некоторых трудностях, встречающихся при изготовлении.

Исходные компоненты не относятся к числу редких. Их наверняка можно получить в различных научных учреждениях, а также на многих предприятиях в порядке шефской помощи. Получить описываемый сверхпроводник можно по более простой схеме и из других компонентов, однако лучше начинать с приведенного рецепта. Для отжига можно использовать печь, предназначенную для изготовления керамики. Такие печи есть во многих кружках керамики и в художественных студиях. Дело в том, что изготовляемый сверхпроводник также представляет собой керамику, как и некоторые знакомые предметы домашнего обихода. Только нам нужна керамика-металл, поэтому таблетки будут другого цвета — черные.

Цвет керамического сверхпроводника — важный показатель его качества. Если он с прозеленью, значит, опыт изготовления неудачен, и все надо начинать сначала (при этом таблетки можно вновь измельчить). Зеленый цвет свидетельствует о недостатке кислорода в образце. Желательно получить материал с химической формулой YВа₂Сu₃О₇. Однако контролировать содержание кислорода по исходной смеси невозможно, к тому же кислород способен улетучиваться в процессе изготовления. Так что подача кислорода в печь при отжиге существенна. Сам кислород можно получить в научных, медицинских, производственных организациях (он используется, например, при сварке). Для подачи его в печь применяют насос, который служит для накачки воздуха в аквариум. Скорость подачи кислорода должна быть минимальной, скажем такой, чтобы кожа ощущала легкое дуновение газа.

Довольно существенно поддержание температуры отжига. Работа будет бесполезной, если температура отжига опустится ниже 900 °C. Превышение рабочей температуры на 100 градусов приведет к расплавлению смеси. Тогда придется ее вновь растолочь и начать все сначала. Так что надо предварительно проверить термометр печи, обычно он показывает далекие от истинных значения.

Очень важно медленно охлаждать изготовленные таблетки: быстрое охлаждение ведет к потере кислорода. Таким образом, первоначально цикл отжиг-охлаждение будет занимать 20 часов. Необходимо организовать ночные дежурства.

При изготовлении понадобится также пресс. Оценка показывает, что нужно развивать усилие в 7 тысяч кгс на таблетку диаметром около 1 см, чтобы получить хороший образец. По-видимому, таблетки удастся спрессовать даже с помощью самодельного винтового пресса.

Стоит обратить внимание также на выбор тигля, в котором отжигается материал. Металлический тигель способен реагировать со сверхпроводником, иногда с нежелательными последствиями. К тем же последствиям приведут примеси в смеси исходных материалов. Например, 2–3 % примеси атомов железа вместо меди ведут к подавлению сверхпроводимости.

ЧТО ДЕЛАТЬ С ИЗГОТОВЛЕННЫМИ ТАБЛЕТКАМИ

Конечно, можно убедиться в резком падении сопротивления при сверхпроводящем переходе. Однако с помощью стандартных приборов школьной лаборатории вряд ли удастся по величине сопротивления отличить сверхпроводящий образец от медного. Гораздо нагляднее демонстрация эффекта Мейснера.

В любом случае для охлаждения понадобится жидкий азот. Попытайтесь попросить его в физических институтах. Сейчас он применяется довольно широко — ив медицине, и даже в кондитерской промышленности. Личный опыт одного из авторов показывает, что жидкий азот удается транспортировать (общественным транспортом) и хранить в обычном бытовом термосе со стеклянной колбой. (Ни в коем случае не закрывать термос крышкой!) Нельзя, однако, гарантировать, что такая колба не лопнет при наливании жидкого азота.

Непосредственно для опытов удобно наливать азот в неглубокие пенопластовые кюветы (можно использовать для этого пенопластовые крышки от упаковки приборов и некоторых бытовых изделий). В жидкий азот нельзя только совать пальцы, а в остальном он практически безопасен в работе.

Простейший опыт состоит в том, что неохлажденная в азоте таблетка спокойно лежит на магните, никак не реагируя на магнитное поле, а охлажденная висит над ним. Можно придумать различные варианты этого опыта, в том числе весьма впечатляющие.

Положение таблетки над одним полюсом магнита неустойчиво. Она как бы находится на вершине скользкой горки и довольно легко соскальзывает в бок. Из нескольких магнитов получается такая конфигурация магнитного поля, что таблетка находится как бы в "ложбинке". Тогда ее можно не только подвесить, но и закрутить в воздухе.

Поскольку трение о воздух мало, таблетка крутится до тех пор, пока повышающаяся температура не достигнет Т_с (температуры перехода в нормальное состояние). Тогда таблетка просто упадет на магниты.

Еще более эффектные опыты можно провести при более сложной конфигурации магнитного поля. Если устроить "ложбинку" длинную, то таблетка сможет двигаться вдоль нее при малейшем толчке и совершать довольно длинные путешествия по извилистой дорожке. После охлаждения в жидком азоте таблетка сохраняет сверхпроводимость на воздухе при комнатной температуре около минуты. Более длительные опыты нужно проводить в парах жидкого азота. С точки зрения удобства охлаждения левитацию проще демонстрировать "наоборот": подвешивать кусочек магнита над лежащей в кювете с жидким азотом таблеткой сверхпроводника.

И в заключение остается только пожелать удачи, тем, кто заинтересуется этой заметкой, и попытается сделать таблетку сверхпроводника по описанному в ней рецепту.