Жмурки с электричеством-2
Загадка природы! У нас в деревне в таких случаях говорят: «Листья дуба падают с ясеня…»
Кстати, есть ведь металлы, атомы которых имеют всего по одному валентному электрону.
Если все эти атомы отдадут по электрону ради нужд хорошей электропроводности, то у них не останется возможностей образовывать химические связи друг с другом.
Тогда на чём же держится металлическая кристаллическая решётка?
Теоретики выработали ответ и на этот вопрос. Будучи в здравом уме и трезвой памяти, они свистнули на помощь квантовую механику - и с тех пор клянутся и божатся, что структура металлов держится на совершенно особой связи, порождаемой газом тех самых свободных электронов.
То есть, уже не вполне свободных. Видите ли, у квантовой механики - дар похлеще, чем у царя Мидаса. Всё, к чему тот прикасался, превращалось в золото - через это бедняга и кончился. А всё, к чему прикасается квантовая механика, превращается в мешок с дерьмом, вывернутый наизнанку.
После такого чудесного прикосновения квантовой механики, свободные электроны в металлах стали считаться немного связанными. Причём, каждый из них стал считаться немного связанным не с каким-нибудь одним атомом, а со всеми сразу. По-научному это звучит так: «Каждый электрон из газа свободных электронов «как бы принадлежит сразу всем атомам решётки».
Понимаете? Это условно-беременной женщиной быть нельзя, а условно-свободным электроном - погрязшим в лёгких связях со всеми атомными ядрами в своём куске - можно! Была бы на то воля сочинившего сие!
Впрочем, сочинителей было несколько, и каждый из них полагал за аксиому, что остальные должны подстраиваться под него.
В результате этой нешуточной подковёрной борьбы появилась на свет шуточная зонная теория твёрдого тела - которая, как договорились считать в высоконаучных кругах, объясняет хорошую электропроводность металлов.
А шуточная она потому, что основана на т.н. «одноэлектронном приближении» - согласно которому, каждый электрон из газа свободных электронов взаимодействует только с ионами решётки, а остальных свободных электронов как бы нет.
Очень они мешают теоретикам, эти остальные свободные электроны: если считать, что их там набирается на целый «электронный газ», то хорошей электропроводности у металлов не бывать.
Другое дело - структура кристаллической решётки металла: тут, мол, без электронного газа - никак. Вы уж, дяденьки, определитесь! И, потом: не стыдно вам на электронный газ лишнее наговаривать? Он, конечно, вместе с ионами мог бы обеспечить квазинейтральность, как в облаке плазмы, но каким это образом он мог бы обеспечить жёсткую кристаллическую структуру?
Вон, в той же плазме - почему там нет жёстких кристаллических структур? Высокая температура мешает, что ли? Вот незадача… а охладишь плазму, так электроны с ионами прорекомбинируют, и от электронного газа кукиш останется… Ну, до чего же нелепо Природа устроена - совсем не так, как теоретикам нужно!
«Тем хуже для Природы!» - подбадривали себя теоретики. Заладили: «в металлах электронный газ, электронный газ…» Сейчас мы покажем, какой там «электронный газ». Помните мультик про козлёнка, который умел считать до десяти? Ну, вот. В справочниках даны плотности металлов и их атомные массы.
Этих данных достаточно, чтобы рассчитать средние расстояния между атомами в металлических кристаллах. А ещё в справочниках даны экспериментальные значения радиусов атомов металлов. Остаётся применить метод пристального вглядывания - и убедиться в том, что в металлах средние междуатомные расстояния близки к величине удвоенного атомного радиуса.
Вот те раз! Это означает, что кристаллическая решётка металла формируется при непременном участии самых внешних атомарных электронов! Т.е. эти электроны конкретно входят в состав атомов, а не в состав электронного газа!
Дорогой читатель, заметьте: мы не говорим, что свободных электронов в металлах совсем нет. Они есть, но… короче, их очень мало. Мы даже можем сказать - насколько очень. А помогут нам в этом те самые Толмен и Стюарт, которые изящненько доказали, что свободные электроны в металлах таки есть.
Хорошенько заэкранировавшись от магнитного поля Земли, они намотали на катушку длинную и тонкую медную проволоку, концы которой присоединили к гальванометру. Катушку с проволокой приводили в быстрое вращение, а потом - хряп! - резко останавливали.
И гальванометр регистрировал слабый импульс тока. Деваться некуда: этот импульс тока давали заряженные частицы, двигавшиеся в проволоке по инерции после остановки вращения.
А что это за частицы? Извольте: во-первых, направление импульса тока указывало на отрицательный заряд этих частиц. Во-вторых, рассчитывался их удельный заряд - он оказался таким же, как и у частичек катодных лучей.
Ну, тогда однозначно, это электроны! Причём - свободные, если они там ухитряются двигаться по инерции. Всё?
Нет, не всё. Ещё можно было рассчитать и количество этих свободных электронов - но Толмен и Стюарт об этом умолчали. Может, неспроста? Ведь из их данных получается, что в меди - одном из лучших проводников - один свободный электрон приходится не на десять атомов, не на сотню их и даже не на тысячу, а на полтора-два миллиона! «Беда, беда, конец концепции газа свободных электронов!»
Видите, так и есть: за редчайшим исключением, каждый электрон в металле входит в состав того или иного атома - и, значит, структура решётки держится не на газе свободных электронов, а на обычных химических связях.
Впрочем, на не совсем обычных. Помните, есть металлы, у атомов которых - всего один валентный электрон? Такой атом может образовать одну химическую связь, а для поддержания трёхмерной решётки требуется, как минимум, три связи на атом. Тупик, что ли? Наоборот, выход на оперативный простор!
Конечно, атом с одним валентным электроном не может образовать три связи одновременно. Но он может образовывать их попеременно, связываясь с соседями по очереди.
Для этого, статусы внешних электронов в атоме должны циклически переключаться (чисто программными средствами): побыл ты какое-то время валентным, т.е. способным создать связь - передай этот статус другому, и т.д.
Куча атомов с такими циклическими переключениями направленных валентностей вполне способна поддерживать трёхмерную структуру. Только химические связи в такой структуре - не стационарные, а переключаемые, и структура является динамической.
В это с трудом верится? Знаете, у нас тоже поначалу глаза были круглые. А потом как пошли потоком факты, которые объяснялись одним махом! Тут и пластичность-ковкость металлов, в отличие от хрупкости кристаллов с железобетонными химическими связями.
Тут и потрясающая химическая агрессивность чистых поверхностей металлов. Тут и проникновение атомов из одного металлического образца в другой, когда они сильно прижаты друг к другу.
Тут и лёгкое проникновение в подогретые металлические образцы атомов примесей, например, углерода. Тут и убийственный факт нестабильности молекул металлов: пары металлов - конкретно одноатомны. Жуть какая-то: если атом металла имеет один валентный электрон, то почему бы двум таким атомам не соединиться в стабильненькую двухатомную молекулу?
Что мешает? А то и мешает, что электроны в атомах металлов являются валентными по очереди. Если даже два таких атома ухитрятся и успеют сцепиться в молекулу, то, при первом же переключении валентного статуса, эта сцепка развалится.
Между прочим, частота этих валентных переключений является важной характеристикой металла - от неё зависят его механические и химические свойства. Причём, эта частота изменяется с изменением температуры, и свойства металла - соответственно, тоже. Иногда это выглядит впечатляюще.
В Антарктиде обнаружилось: при -70оС, тонкий дюралевый лист можно резким движением «порвать как бумагу», а ещё при такой температуре дюраль отлично горит на открытом воздухе!
А к чему мы заладили про валентные переключения в атомах металлов? Да к тому, что эти переключения играют ключевую роль в электронной проводимости металлов.
В идеальном монокристалле металла, валентные переключения идеально согласованы. Но реальные проводники являются конгломератами микрокристалликов.
На границах этих микрокристалликов, а также на дефектах их кристаллических решёток нарушается согласованность валентных переключений - поэтому эти границы и дефекты являются своеобразными генераторами свободных электронов.
Если к проводнику приложено электрическое напряжение, то эти свободные электроны пытаются двигаться к аноду. Но - куда там! - тут же натыкаются на атомы. Это только большие учёные любят рассуждать о том, что свободные электроны движутся в кристалле, проходя сквозь атомы - ведь атомы, по-ихнему, «состоят в основном из пустоты»!
Белочки и зайчики, стряхните эту лапшу со своих ушек! Отлично известно, что глубина проникновения свободного электрона в атом зависит от энергии этого электрона.
Чтобы добраться до какой-нибудь внутренней электронной оболочки в атоме, свободный электрон должен иметь такую же энергию, как и энергия связи электронов в этой оболочке. Чтобы добраться до ядра, он должен иметь энергию, большую чем энергия связи у самого сильно связанного атомарного электрона!
Вот почему для низкоэнергичных электронов кристаллическая структура твёрдого тела, с плотной упаковкой атомов, является непреодолимым препятствием. Иначе в природе не было бы никаких диэлектриков.
Да, мол, но что же тогда отличает металлы от диэлектриков, если свободные электроны сквозь металлы всё-таки проходят? Да нестационарность химических связей и отличает, ёжики! У свободного электрона, упёршегося в атом с нестационарными химическими связями, есть шанс улучить момент и войти в состав этого атома - с освобождением электрона, входившего в состав этого атома прежде.
Этот новоиспечённый свободный электрон продвинется к аноду и тоже упрётся в атом, где сценарий замещения-освобождения может повториться - и так далее.
В таком режиме - ротации кадров между свободными и связанными электронами - и будет происходить продвижение электронов к аноду. Кстати, можно сделать грубую оценку для скорости такого продвижения.
Для этого междуатомное расстояние, скажем, 3 Ангстрем, поделим на период цикла валентных переключений - частота которых при комнатной температуре, как нам подсказывают, имеет порядок 1010 Гц.
Тогда для скорости продвижения электронов получим величину 3 м/с. Если учесть, что продвижение электронов происходит не вполне по прямым, да не через каждый атом, да не на каждый цикл переключений валентностей… и сбросить, на все эти дела, пару порядков - то в итоге получим сантиметры в секунду.
Это близко к тому, что и обнаруживается в экспериментах по определению «подвижности свободных электронов в металлах».
А теперь - ещё одна интересность. Каждый новоиспечённый свободный электрон в металле, торкнувшись в сторону анода, успевает набрать какую-никакую энергию до того, как упереться в атом.
Допустим, произошла эта тихая смена - с замещением-освобождением. Электрон, который оказался замещён, освобождён, и послан, сами понимаете, к аноду - этот электрон начинает свой путь, имея нулевую энергию.
А куда девается та энергия, с которой пришлый электрон шмякнулся в атом? А она не девается, а превращается - причём, не во что-нибудь, а в тепло. Узнаёте? Это же и есть механизм выделения джоулева тепла при продвижении электронов в проводнике!
Только, обращаем внимание: из этого объяснения следует, что продвижение электронов в проводнике сопровождается выделением джоулева тепла непременно. Тут академики, широко улыбнувшись, напомнят нам про явление сверхпроводимости.
Супер-пупер: упорядоченное движение электронов, мол, есть, а выделения джоулева тепла - нету! Это что же - приговор тому, что мы тут излагаем? Подождите, надо разобраться! Ведь здесь возможны варианты! Вдруг окажется, что при т.н. сверхпроводимости никакого упорядоченного движения электронов нет вовсе?
Вы погодите смеяться - одна минута идиотского смеха сокращает жизнь на одну минуту! Помните, мы говорили про два способа переноса электричества?
Про то, как в металлах реализуется первый из них - через движение электронов - мы уже пару слов сказали.
Теперь скажем пару слов про второй из них, через движение зарядовых разбалансов. У этого второго способа есть принципиальные отличия от первого.
Электроны имеют какую-никакую массу, поэтому перенос электричества в металлах через движение электронов является процессом инерционным и, как мы видели выше, довольно медленным. При движении же зарядовых разбалансов не происходит переноса вещества, поэтому такой процесс переноса электричества является безынерционным, и он может происходить с сумасшедшей скоростью, достигающей скорости света.
Вы спросите: где такое видано? Здрасьте-пожалста! Да чуть не на каждом шагу! Вот двухпроводная линия, с длиной в 10 км, к дальним контактам которой присоединён конденсатор.
После замыкания рубильника, подключающего источник постоянного напряжения к ближним контактам этой линии - как быстро появится напряжение на конденсаторе? Правильно: оно появится с задержкой, равной частному от деления длины линии, 10 км, на скорость света, т.е. через 33 микросекунды.
Ясно, что такое молниеносное появление напряжения на конденсаторе обеспечивается вовсе не притоком электронов на отрицательную обкладку и оттоком их от положительной обкладки - поскольку электроны продвигаются с черепашьей скоростью.
Хуже того: задержка на молниеносное появление напряжения не зависит от ёмкости конденсатора! А ведь если здесь дело было бы в притоке-оттоке электронов, то появление того же самого напряжения на конденсаторе большей ёмкости потребовало бы притока-оттока большего количества электронов - а, значит, и большей временной задержки.
Да электротехники это хорошо знают: постоянная времени для зарядки конденсатора через приток-отток электронов равна произведению ёмкости конденсатора на омическое сопротивление цепочки.
Чудненько! Так чем тогда обеспечивается молниеносное появление напряжения на конденсаторе - с задержкой, которая не зависит от его ёмкости? Будем валять дурака дальше - или, для разнообразия, допустим, что дело здесь в движении по проводам всплесков электричества, образуемых зарядовыми разбалансами?
Ведь эти две зарядки конденсатора, через приток-отток электронов и через индуцирование зарядовых разбалансов, различаются не только по своим характерным временам.
Результаты этих двух зарядок - при одном и том же получившемся напряжении на конденсаторе - различаются кардинально. Зарядку через приток-отток электронов можно назвать активной: такой, активно заряженный, конденсатор может дать мощную разрядную искру в воздухе при попытке замкнуть его выводы.
Зарядку же через индуцирование зарядовых разбалансов можно назвать реактивной: если, как в нашем примере с 10-километрорвой линией, оторвать от неё конденсатор через 33 микросекунды после подачи напряжения на линию, то, не пройдя стадию притока-оттока электронов, мощной разрядной искры конденсатор не даст.
Да и вообще: при движении зарядовых разбалансов по проводникам, даже джоулево тепло не выделяется. С чего ему выделяться?
Это свойство, т.е. отсутствие выделения джоулева тепла, особенно показательно проявляется в постоянных магнитах.
Помните, мы говорили о нестационарных, переключаемых химических связях в металлах? При условии высокой упорядоченности этих переключений, имеет смысл говорить о миграциях химических связей в образце. Причём, эти миграции могут циклически повторяться - вдоль одних и тех же замкнутых цепочек атомов.
Теперь представьте: такой образец находится под воздействием внешнего магнитного «поля». И в образце происходит нечто поразительное. А именно, внешнее «поле» индуцирует подвижки зарядовых разбалансов: их миграции происходят вместе с миграциями химических связей - вдоль тех же замкнутых цепочек атомов.
Это называется: стадия намагничивания. Когда внешнее «поле» устраняют, и намагничивание прекращается, миграции химических связей продолжаются, как ни в чём не бывало.
Но теперь вместе с химическими связями мигрируют зарядовые разбалансы, которые никуда не исчезли.
А движение зарядовых разбалансов по замкнутым траекториям - это движение электричества по замкнутым траекториям. Т.е., это замкнутые токи, которые сами порождают магнитное «поле». Красота! Пока цел кусок металла, химические связи мигрируют.
А вместе с ними мигрируют зарядовые разбалансы. Годами и десятилетиями! Что им сделается? Они же каши не просят, и на джоулево тепло себя не расходуют. Не в этом ли секрет постоянных магнитиков? Или это настолько похоже на правду, что в это невозможно поверить?
Ну, ладно, со сверхпроводимостью полегче будет. «На этот раз - только документы и только факты!» Всё, что связано со сверхпроводимостью - это особая область в физике. Фабрика грёз просто!
За исследования по сверхпроводимости дали несколько Нобелевских премий, в том числе - Бардину, Куперу и Шрифферу - за ейную теорию; хотя, по статуту Нобелевской премии, она присуждается только за практические результаты. Но уж случай выдался исключительный - практичность теории БКШ оказалась выше крыши!
Посудите сами. Всем, кто серьёзно искал ответ на вопрос - как это свободные электроны могут двигаться в веществе без потерь на джоулево тепло? - люди в белых халатах ставили диагноз «вывих мозга». А той троице повезло.
Наверное, с ними приключилась какая-то полезная мутация - их мозги отделались лишь лёгким перегревом, выдавши желанный продукт. Вот что подарили нам эти светлые головушки: при температуре ниже критической, свободные электроны разбираются попарно и объединяются в т.н. куперовские пары.
Эти-то пары и обладают, мол, чудесной способностью двигаться сквозь вещество, не встречая никакого сопротивления. Пикантная подробность из жизни куперовской пары: образующие её два электрона имеют, как утверждает теория БКШ, противоположные спины и противоположные импульсы.
Оригинально! Ну, спины-то - чёрт с ними. Но если два электрона имеют противоположные импульсы, то ведь суммарный перенос электричества - нулевой! Нельзя ли с этого места - поподробнее? Оказывается, нельзя.
Авторы учебников, которые упоминают про то, что компаньоны из куперовской пары имеют противоположные импульсы, тут же добавляют: «Это не следует понимать буквально». А как это следует понимать - не уточняют. То ли из-за того, чтобы не сболтнуть ещё чего-нибудь лишнего, то ли из-за того, что краткость - сестра таланта.
По-любому, у читателя должно создаваться впечатление, что он имеет дело не с дурдомом, а с храмом точной науки - в лучшем смысле этого слова. Ну, как можно было не дать Нобелевскую премию за такую теорию?!
Давайте же восстановим если уж не историческую справедливость, так хотя бы историческую хронологию! Началось всё с опытов Каммерлинг-Оннеса, который исследовал электропроводность ртути при сверхнизких температурах.
Делал он это топорно - замеряя гальванометрами напряжение на кусочке ртути и силу тока через него. При понижении температуры кусочка ртути примерно до 4оК, что-то там резко в нём менялось - было похоже на то, что его сопротивление скачком падало. Но насколько оно падало - точно установить не удавалось.
Намучившись с этой топорной вознёй с гальванометрами, Каммерлинг-Оннес перешёл на более продвинутую методику. Он стал делать колечки из свинца и, как ему казалось, возбуждать в них, в сильно охлаждённых, кольцевой ток электронов.
Он же читал Максвелла: «при изменении магнитного потока через замкнутый проводящий контур, в нём возникает э.д.с. индукции», и т.д.
Ну, вот. Если изменяющееся магнитное «поле» прикладывалось к колечку при субкритической температуре, то происходило чудо, которое толковали как возникновение кольцевого тока электронов. Который, якобы, годами (!) не затухал - поддерживалась бы субкритическая температура.
Опыты это подтверждали! Только, позвольте, как они могли подтверждать, что в колечке действительно годами циркулируют электроны? Амперметр же в это колечко не встраивали.
Делали проще: о наличии тока электронов судили по магнитному действию колечка. Отклоняет колечко магнитную стрелочку - значит, ток электронов в колечке есть. Годами отклоняет - значит, годами ток электронов есть!
Стоп, стоп. Постоянный магнит тоже годами отклоняет стрелочку, но токов электронов в нём нет. Может, дяденьки, вы нас разыгрываете, и те самые колечки - это тоже магниты? Оказывается, это было проверено - дело-то нехитрое.
Каммерлинг-Оннесу пришло в голову разрезать сверхпроводящее свинцовое кольцо… Казалось, что ток должен прекратиться; в действительности, однако, отклонение магнитной стрелки, регистрировавшей силу тока, при перерезке кольца нисколько не изменилось - так, как если бы кольцо представляло собой не проводник с током, а магнит».
Это цитата из книжки Френкеля «Сверхпроводимость», вышедшей в 1936 году. Едва ли сейчас можно разыскать экземплярчик этой книги - добрые дяди изъяли все, до которых смогли дотянуться. Ибо эта книга содержит научную тайну чрезвычайной важности: в т.н. сверхпроводящем кольце никакого кольцевого движения электронов нет.
А что же там есть - что годами отклоняет магнитную стрелочку? Намагниченность там есть, т.е. упорядоченное движение зарядовых разбалансов.
Т.е., второй способ движения электричества - без переноса вещества и без потерь на джоулево тепло, но с магнитным действием. Да, но при охлаждении образца под критическую температуру происходит скачкообразный переход в режим генерации сильного магнитного «поля».
Чем обусловлен этот переход? Это - ключевой вопрос! Смотрите: намагниченность обеспечивается движением зарядовых разбалансов по замкнутым цепочкам атомов. Есть ли ограничение на длину таких цепочек?
Да, есть. Оно продиктовано вот чем: синхронизация валентных переключений на длине такой цепочки должна происходить за время, которое меньше периода валентных переключений. А длительность этой синхронизации равна частному от деления длины цепочки на скорость света.
Значит, период валентных переключений определяет максимально возможную длину цепочки с упорядоченным движением зарядовых разбалансов! А теперь вспомним, что период валентных переключений зависит от температуры. Чем температура меньше, тем период валентных переключений больше - а, значит, тем больше возможная длина цепочки.
И вот, при одной прекрасной температуре, область возможной синхронизации разрастается на весь образец. Выражаясь научным слогом, весь образец начинает представлять собой один домен. Это и есть скачок в состояние, которое предложили называть сверхнамагниченностью.
В случае замкнутого проводника, зарядовые разбалансы при этом обретают возможность циркулировать по всей его длине!
Тут внимательные читатели, конечно, заметят, что та прекрасная температура, при заходе под которую наступает сверхнамагниченность, является не характеристической величиной для конкретного материала, а зависит от размера образца - в частности, от его длины.
Чем эта длина больше, тем сильнее придётся охлаждать образец, чтобы перевести его в состояние сверхнамагниченности. Неужели, мол, физики - такие идиоты, что этого не заметили?
Эх, милые мои! Да кто ж вам сказал, что они этого не заметили? Ещё как заметили! Именно с этим и связана та ужасная драма, которая разыгралась в истории «сверхпроводящих» устройств!
Ведь как гладко всё начиналось! Наматывали катушечку, а два конца этой обмотки соединяли друг с другом. Получался, что называется, короткозамкнутый соленоид.
В условиях слабого затравочного магнитного поля охлаждали этот соленоид ниже критической температуры - и он скачком переходил в режим генерации сильного поля.
Светясь от счастья, экспериментаторы показывали публике это короткозамкнутое чудо, в котором ток тёк годами без потерь. «Видите, - втолковывали публике, - источники тока теперь на фиг не нужны! Мы их всех повыкидываем на свалку! И съэкономим миллиарды киловатт-часов электроэнергии!» От таких речей публика проникалась глубочайшим уважением к науке.
Откуда публике было знать, что поддержание соленоида при субкритической температуре требует производства хладагента, а это в итоге сжирает больше электроэнергии, чем поддержание в соленоиде обычного тока проводимости. «Давайте, орлы, - рукоплескала публика, - развивайте это стоящее дело!»
Да орлы и сами понимали, что это дело стоящее, и что его надо развивать. Хочется ведь большего! Чтобы получить более сильное магнитное «поле» и съэкономить больше киловатт-часов, нужно сделать что?
Правильно, нужно увеличить число витков в соленоиде, а, значит, и длину его обмотки. Да нет проблем! Берём проволочку подлиннее, наматываем, кончики замыкаем, затравочное поле включаем, соленоид подмораживаем, и… и ничего не происходит.
В нескольких лабораториях проверили - воспроизводимость стопроцентная. Физики оказались в положении детей, чья любимая игрушка растаяла в воздухе прямо на глазах. «Как это? - соображали физики. - Чё это она так? Почему это малые соленоиды переходят в режим генерации сильного поля - а большие, при той же температуре, не переходят? Материал ведь один и тот же!»
С горя устроили международное совещание «по проблемам» сверхпроводимости. Собственно, проблема-то была одна, и на повестке дня стоял единственный вопрос: «Что же делать дальше?»
Признаваться в том, что «мы тут все немножко лопухнулись с представлениями о сверхпроводимости», было никак невозможно. Это выглядело бы несолидно, да и скоропалительно.
А надо было, чтобы выглядело так: «Наше дело правое! Электроны в сверхпроводниках как двигались, так и движутся! Экономия киловатт-часов идёт вперёд семимильными шагами!» Самым сложным в этой программе был второй пункт: как изобразить движение электронов, если они ни фига не движутся?
И, знаете, быстренько отыскалось такое изумительное решение, что и изображать-то ничего не понадобилось. Если электроны отказываются двигаться добровольно, надо заставить их двигаться принудительно!
А для этого надо не замыкать концы обмотки соленоида накоротко, а присоединять их ко внешнему источнику тока! Благо, их ещё не успели повыкидывать на свалку, как публике обещали. Только, при подключённом внешнем источнике тока, не получится замкнутой сверхпроводящей цепочки.
Видите ли, если залить жидким гелием источник тока, то он… в общем, тогда он плохо работает. Поэтому жидким гелием следует заливать только соленоид, как и раньше. Пусть теперь только часть цепочки будет сверхпроводящая, это не страшно!
Ток в цепочке всё равно будет циркулировать годами - пока пашет источник тока! Публика-дура ни о чём не догадается - если, конечно, не тарахтеть про внешние источники тока на каждом углу!
О, лучшие научные кадры занимались «сверхпроводящими» электромагнитами с внешними источниками тока. Пришлось решать грандиозную задачу: поддерживать веру в то, что здесь в соленоиде электроны движутся в сверхпроводящем режиме, хотя по токоподводам они движутся в режиме обычной проводимости.
Между тем, имелось немало свидетельств о том, что, при внешнем источнике тока, в соленоиде течёт только обычный ток проводимости. Ну, например - подаёте вы напряжение на соленоид, который ещё не охлаждён ниже критической температуры. При этом, бесспорно, сверхпроводимости ещё нет.
А вы соленоид охлаждаете, охлаждаете - и вот его температура становится субкритической. Омическое сопротивление соленоида, якобы, должно скачком обратиться в нуль. Значит, сопротивление всей цепи должно скачком уменьшиться, а ток в этой цепи, соответственно, скачком увеличиться.
Так вот: никто о таких скачках не сообщал. У короткозамкнутых соленоидов скачкообразные переходы наблюдались, а у соленоидов с внешним источником тока - нет. С чего же вы, дяденьки, брали, что здесь происходил переход в сверхпроводящий режим? С того, что этот переход теория предсказывала?
А на практике он - где? Вы ещё скажите, что этот наш «отдельный пример ничего не доказывает». Да неужели этот пример - отдельный? Да неужели он - не доказывает? А вы, случайно, не из тех, которым можно что-то доказать, лишь прищемив кой-чего? Ну, ладно, вот второй пример.
В случае схемы с внешним источником тока, имеется счастливая возможность измерять силу тока в цепи. А, зная геометрию соленоида, можно рассчитать напряженность магнитного «поля», которое должен генерировать соленоид при прохождении через него такого-то тока проводимости.
Оказывается, что в режиме «сверхпроводимости» соленоид генерирует «поле», которое, практически, совпадает с рассчитанным через геометрию. Не означает ли это, дяденьки, что через соленоид на самом деле течёт обычный ток проводимости? Или вам и второго примера мало? Ладно, на третий вы сами напросились.
Перейдя к схемам «сверхпроводящих» соленоидов с внешним источником тока, исследователи столкнулись с доселе неслыханным грозным явлением. Если прозевать момент и допустить, что ток через соленоид станет больше некоторой критической величины, то соленоид… сгорит к чёртовой матери.
Этот феномен поначалу поверг лучшие научные кадры в шок. Ужас был не в том, что соленоиды сгорали. Ужасна была реальная угроза разоблачения дурилочки про сверхпроводимость - ведь сверхпроводник, с его нулевым омическим сопротивлением, по определению сгореть не может.
В такой ситуации главное было не растеряться, не впасть в истерику, а проявить научное мужество и отбрёхиваться, отбрёхиваться… В общем, быстренько состряпали успокоительную теорию. Она разъясняла для тех, кто в танке, что сгорает вовсе не сверхпроводящий соленоид.
Перед тем, как сгореть, он успевает превратиться в обычно-проводящий - вот он-то, подлец, и сгорает. А как происходит превращение в такого подлеца? Ну, это совсем просто. При критическом токе, в сверхпроводнике возникает ма-а-аленькая область обычной проводимости.
Возникает она спонтанно. Если кто не знает, термин «спонтанно» произошёл от выражения «с понта» и, в переводе на общепонятный язык, означает «хрен знает с чего». Ну, вот, с одного понта в сверхпроводнике возникает область обычной проводимости, а с другого понта она шустро разрастается на весь образец. Это, мол, его и губит…
А откуда берётся энергия на нагрев и сгорание? Ну, это ещё проще. Когда соленоид был сверхпроводящим, у него были такие запасы магнитной энергии - о-го-го! Вот эта энергия и превращается в джоулево тепло!..
О, горе, горе! Нет повести печальнее на свете! Если даже допустить, что у магнитного «поля» есть какая-то энергия, то, чтобы она быстро превратилась в другую форму, поле должно быстро ослабнуть. А для этого сила тока, генерирующего «поле», должна быстро уменьшиться.
Т.е. ток, при превращении из сверхпроводящего в обычный, должен скакнуть вниз! Где вы такое видели, любезные? Скачка тока вверх при прямом превращении - обычного тока в «сверхпроводящий» - никто не заметил, хотя носом рыли. А когда понадобился скачок при обратном превращении - вот он, легко и непринуждённо!
Небось, сильно на сковородочке припекло? Тоже мне, «теория критического тока». Есть версия получше. Через соленоид с внешним источником тока течёт только обычный ток проводимости. Этот ток - неслабый. Он гораздо неслабее, чем в обычных электромагнитах. Но это просто благодаря использованию страшно низкотемпературного хладагента, который эффективно отводит джоулево тепло.
Ну, а если ток возрастёт настолько, что хладагент уже не справится с отводом тепла, то соленоид и сгорит себе. Обычное дело. Это похоже на правду, в отличие от «теории критического тока». Но её сочинители не лгали - поклянутся чем угодно! Если их прижать к стенке, то выяснится, что они всего лишь добросовестно заблуждались!
Знаете, для подтверждения теории «критического тока», авторы книг не стеснялись публиковать фотографии пострадавших соленоидов - с жуткими следами тепловых разрушений. Вот, мол, что бывает, если не считаться с нашей теорией!
Ну, ну. С тем же успехом можно публиковать фотки порванных в клочья презервативов - для подтверждения теории о чьём-то там половом гигантизме. Не слишком ли добросовестно вы заблуждаетесь, любезные?
Вот так и живём! У короткозамкнутых соленоидов наблюдался скачкообразный переход в режим генерации сильного поля. Это был режим сверхнамагниченности, который обеспечивался движением по соленоиду не электронов, а зарядовых разбалансов - но это была хотя бы видимость сверхпроводимости.
Соленоиды же с внешним источником тока не способны даже на такую видимость. Как бы они не старались. Казус в том, что, для режима сверхнамагниченности, при субкритической температуре должна быть вся цепь, а не только её часть.
Так-то вот. Хорошо уже то, что про экономию миллиардов киловатт-часов никто больше не заикается. Одни лишь главные отклоняющие магниты Большого адронного коллайдера (в количестве 1232 штук) имеют многожильные титан-ниобиевые «сверхпроводящие» обмотки с длиной чуть поболе километра на каждом магните.
Разумеется, эти обмотки запитываются внешними источниками тока, габариты и технические характеристики которых - не для слабонервных. Моря киловатт-часов и гольфстримы жидкого гелия… Учитесь, студенты, грамотно разводить лохов на несметные деньги!
Для сравнения: в XIX веке физика не с жиру бесилась, а в трудах и скорбях искореняла заблуждения об электрических флюидах, и укрепляла истину о том, что носителями электричества являются частицы вещества.
Например, Фарадей исследовал прохождение постоянного тока через растворы электролитов. Натурально, ток в электролитической ванне обеспечивался переносом вещества к тому и другому электроду: растворённые газы весело бурлили, выделяясь на электродах в виде пузырёчков, а растворённые металлы - организованно, послойно - оседали на катоде, формируя гальваническое покрытие.
Что особенно важно: прохождение определённого количества электричества через электролитическую ванну вызывало выделение на электроде совершенно определённого количества того или иного растворённого вещества. Правда, тут не последнюю роль играла ещё и валентность этого вещества.
Вмазывание в электрод некоторого количества двухвалентных частиц требовало прохождения в два раза большего количества электричества, чем в случае такого же количества одновалентных частиц.
Вот когда замаячил вывод о дискретном характере электричества, т.е. об элементарном электрическом заряде!
И вот, до сих пор считается, что ток в электролитах - это движение ионов, которые как раз бывают однократные, двукратные, и так далее. Всё это здорово - но, дорогой читатель, не терзают ли вас смутные сомнения?..
О.Х. Деревенский
***
Источник.