В течение довольно продолжительного времени основные усилия как экспериментаторов, так и теоретиков были направлены на то, чтобы разрешить загадку сверхпроводимости, понять природу самого явления. Конечно, и тогда необычные свойства сверхпроводников использовались в различных устройствах, но особенно интенсивно прикладная сверхпроводимость стала развиваться за последние годы. Если раньше сверхпроводящие вещества в основном были предметом исследования, то в последнее время все больше возрастает роль сверхпроводимости как метода, с помощью которого получаются интересные результаты в различных областях физики и техники. Возникла новая область техники— прикладная сверхпроводимость.
Одно нз важнейших достижений физики низких температур — использование сверхпроводящих сплавов для получения сверхсильных постоянных магнитов. Сверхпроводящий соленоид не нуждается, в отличие от обычного электромагнита, во внешнем источнике питания, поскольку протекающий в нем ток не испытывает электрического сопротивления. Сейчас уже получены сверхпроводящие соленоиды, позволяющие получать поля около 2*105 гс.
Много исследований посвящается вопросу об использовании сверхпроводников при создании вычислительных машин. Сверхпроводящий ток является незатухающим. Это позволяет использовать его в качестве идеального запоминающего устройства, причем скорость «вспоминания» сверхпроводящих устройств значительно превышает возможности человеческого мозга.
Сверхпроводники используются и в качестве переключающих устройств, работающих с очень высокой скоростью при малых затратах мощности.
На рисунке 2.7 изображено одно из таких устройств, так называемый проволочный криотрон. Слово «криотрон» греческого происхождения (kryos— холод). Прибор состоит из проволоки, сделанной например, из свинца или тантала, находящихся в сверхпроводящем состоянии. Эта проволока называется клапаном. На нее намотана более тонкая проволока из ниобия. Катушка, образованная этим тонким проводом, называется управляющей. При протекании по ней тока определенной величины сверхпроводимость в клапане разрушается.
Ниобий был выбран в качестве материала для изготовления управляющего провода по той простой причине, что сверхпроводимость сохраняется в нем при достаточно сильных магнитных полях. Критические же поля свинца или тантала, образующих клапан, являются весьма малыми, и сверхпроводимость в них поэтому разрушается при пропускании в ниобиевой катушке достаточно слабого тока. Сопротивление в клапане меняется при этом скачком от нуля до некоторого конечного значения. Это соответствует размыканию цепи. Уменьшая ток в управляющем проводе, можно снова восстановить сверхпроводящее состояние свинца или тантала.
Скорость переключения в криотронах достигает двух наносекунд (2-10-9). Высокая скорость в сочетании с простотой устройства и делает весьма привлекательным использование сверхпроводящих криотронов в вычислительной технике. Электронно-вычислительные машины со сверхпроводящими устройствами очень компактны.
В начале нашего рассказа мы говорили об эффекте отталкивания, который используется сейчас для создания опор без трения. Сверхпроводящая сфера благодаря этому эффекту висит над кольцом, в котором циркулирует незатухающий ток. Сила тяжести уровновешнвается магнитной «подушкой», создаваемой током, текущим по сверхпроводящему кольцу. Оказывается, что могут «парить» довольно тяжелые предметы. Так, например, в одном из опытов был подвешен свинцовый цилиндр массой 5
Устройство, в котором используется описанное явление, называется сверхпроводящим подвесом. Такие подвесы могут применяться в гироскопах, моторах и в ряде других устройств.
Сейчас в ряде стран ведутся работы по созданию «сверхпроводящей железной дороги. Создается поезд на магнитной «подушке». В вагонах будут находиться сверхпроводящие магниты, благодаря которым поезд повиснет над металлическим путепроводом. Скорость такого поезда сможет достигать 500 км/ч. Теперь уже ясно, что способность сверхпроводников висеть при определенных условиях без всякой поддержки приведет к созданию поездов будущего.
Принцип механического отталкивания положен в основу создания электрических машин, к. п. д. которых благодаря замечательным свойствам сверхпроводников оказывается равным 100%. В этих машинах вращающаяся часть (ротор) выполнена в виде шестиугольного сверхпроводящего стакана. Два магнита, вращающиеся по окружности статора, отталкивают от себя магнитной «подушкой»
сверхпроводящий ротор. Последний приходит во вращение, скорость которого доводится до 20000 об/мин и в принципе может быть увеличена до большего значения.
Очень заманчивой является перспектива создания сверхпроводящих трансформаторов. Существенно отсутствие в них тепловых потерь; сверхпроводящие трансформаторы при большой мощности (проектируются мощности, достигающие 1000000 квт) оказываются значительно более компактными по сравнению с обычными трансы- форматорами.
Благодаря эффекту Мейсснера появилась возможность создать так называемый магнитный экран — устройство, представляющее собой замкнутую металлическую оболочку из сверхпроводника, толщина которой превышает соответствующую глубину проникновения магнитного поля. Экспериментальная установка, окруженная такой оболочкой, оказывается не подверженной действию внешних магнитных полей.
Мы уже не раз говорили о том, что компактность сверхпроводящих установок является их большим преимуществом. Это качество становится главным при решении вопроса о применении сверхпроводников в космических кораблях. Хорошо известно, что в космосе имеются области повышенной радиации. Концентрация частиц в эгих областях намного превышает допустимую норму, что делает весьма опасным пребывание человека на борту корабля, совершающего космический полет. Для защиты корабля в окружающем его пространстве должно быть создано магнитное поле, искривляющее траекторию заряженных частиц и не позволяющее им достигнуть поверхности корабля. Заметим, что именно магнитное поле Земли защищает население земного шара от космической радиации.
Компактную установку, создающую достаточно мощную магнитную защиту, можно сделать только с использованием эффекта сверхпроводимости.
Есть и другой интересный прибор — сверхпроводящий болометр. Он предназначается для измерения радиации в инфракрасной: области спектра. Основной частью такого болометра является тонкая проволока из сверхпроводника (обычно используется Та или Sn), находящаяся при температуре, близкой к критической. Под действием падающего излучения температура проволоки повышается и становится больше Tk. При этом сверхпроводимость разрушается и в проволоке скачком восстанавливается нормальное сопротивление. Это приводит к легко регистрируемому падению напряжения. Резкость перехода в нормальное состояние делает сверхпроводимый болометр весьма чувствительным прибором. Порог чувствительности его составляет 10-10—10-12 вт.
Практическое использование сверхпроводимости существенно осложняется необходимостью получения весьма низких температур. Применение сверхпроводников значительно возросло, если бы удалось получить их при высоких температурах. К революции и игктротехнике привело бы создание вещества, сохраняющего сверхпроводящие свойства даже при температуре ≈100 °К. В самое последнее время появились надежды на положительное решение этого вопроса, и он, конечно, больше всего интересует сейчас физиков, занимающихся изучением свойств сверхпроводников.