Крах концепции сверхпроводимости.

К 100-летнему юбилею открытия явления сверхпроводимости опубликован труд В.К.Федюкина [Ф5], где представлен беспрецедентный по своей глубине и простоте изложения критический анализ соответствующих экспериментов и их официальных теоретических интерпретаций. По результатам этого анализа автор сделал оглушительный вывод: в «сверхпроводящем» образце отнюдь не имеет место упорядоченное движение электронов в условиях нулевого омического сопротивления, а имеет место то, что автор называет «сверхнамагниченностью».

Дадим краткий обзор проделанного в [Ф5] анализа экспериментов. В первых опытах 1911 г. со ртутью, Камерлинг-Оннес применял потенциометрический способ нахождения сопротивления, при котором оно рассчитывается на основе измеренных напряжения и силы тока. Однако, при сверхпроводящем режиме, чувствительность приборов была недостаточна для таких измерений. Поэтому перешли на другой способ свидетельства о сверхпроводимости – по магнитному полю образца. В кольцевом образце индуцировали электрический ток с помощью изменяющегося во времени магнитного поля. В результате, переохлаждённое кольцо становилось источником наведённого магнитного поля, которое годами (!) не ослабевало. Этот факт интерпретировали как незатухание электрического тока в кольце из-за полного отсутствия омического сопротивления. Но вот о чём проговорился Френкель: «Камерлинг-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» [Ф6]. Далее, в 1933 г. Мейсснер и Оксенфельд обнаружили, что кольцевой проводник, охлаждённый ниже критической температуры в постоянном во времени магнитном поле, самостоятельно переходит в сверхпроводящее состояние. Но ведь в замкнутом контуре можно индуцировать ток магнитным полем лишь тогда, когда магнитный поток через контур изменяется во времени! «В опытах Мейсснера и Оксенфельда магнитное поле было постоянным во времени, и поэтому не существовало причин для возникновения в кольцевом (замкнутом) проводнике ни обычной проводимости, ни сверхпроводимости» [Ф5]. Для объяснения же того факта, что наведённое магнитное поле «сверхпроводника» оказывалось сильнее, чем индуцирующее поле, Мейсснер выдвинул идею о вытеснении магнитного поля из сверхпроводника. Эта модель оказалась настолько противоречивой, что «эффект Мейсснера» «нельзя считать доказанным ни теоретически, ни экспериментально» [Ф5]. Позднее, в 1962 г. Джозефсон предложил теорию, согласно которой через узкую диэлектрическую щель между двумя сверхпроводниками может протекать постоянный ток сверхпроводимости, способный вызывать переменный туннельный ток проводимости. В «переменности» туннельного тока – ключ к разгадке этого эффекта, а именно, «тока смещения, проходящего через разделённые диэлектриком части «сверхпроводника». При этом очевидно, что электроны не перескакивают через барьер…» [Ф5]. А что такое «токи смещения»? Это – не движение электронов, а миграции зарядовых разбалансов (9.1)!

Автор [Ф5] делает совершенно справедливый вывод о том, что разнообразные проявления «сверхпроводимости» – включая такие эффектные, как опыт Аркадьева с постоянным магнитом, левитирующим внутри чаши из сверхпроводника – разом находят непротиворечивое и естественное объяснение, если допустить, что мы в действительности имеем здесь дело с проявлениями сверхнамагниченности образцов. Конечно же, в режиме сверхнамагниченности нет упорядоченного движения свободных электронов – такое движение непременно затухало бы из-за потерь на джоулево тепло.

Интересно, что не было прямых доказательств того, что в проводящем кольце, охлаждённом ниже критической температуры, «годами» циркулировали электроны – поскольку о наличии тока сверхпроводимости судили исключительно по магнитному полю кольца. Но ведь и обычные постоянные магниты годами сохраняют свои свойства – причём, отнюдь не при сверхнизких температурах – а токов сверхпроводимости в этих магнитах нет. В чём же разница между источниками магнитного действия у постоянного магнита и у «сверхпроводящего» кольца? Разница здесь только в чисто теоретических воззрениях – согласно которым, по кольцу всё-таки циркулирует ток сверхпроводимости, обусловленный упорядоченным движением электронов. Впрочем, даже среди физиков мало кто знает, в чём заключается эта «упорядоченность». Многие слышали о том, что, согласно микроскопической теории сверхпроводимости Бардина, Купера и Шриффера (БКШ), дающие ток сверхпроводимости электроны объединены в т.н. куперовские пары. Но мало кто знает, что суммарный ток от куперовской пары равен… нулю! Вот авторы [З1] разъясняют: «общий импульс пары равен нулю… можно утверждать, что куперовская пара образуется электронами, имеющими противоположные импульс и спин», и немедленно добавляют: «Последнее не следует понимать буквально». Это очень важное добавление – которое подчёркивает абсурдность микроскопичекой теории сверхпроводимости.

А появился этот абсурд потому, что иного механизма переноса электричества в металлах, кроме как через движение свободных электронов, наука до сих пор не заметила. Между тем, миграции зарядовых разбалансов, порождающие намагниченность образца (9.3), происходят совершенно без потерь на джоулево тепло. Т.е., миграции зарядовых разбалансов являются истинными токами сверхпроводимости – даже при комнатной температуре.

Но остаётся вопрос: каков же физический смысл критической температуры? Что за фазовый переход происходит при охлаждении образца ниже этой температуры? Следуя логике вышеизложенных представлений о намагниченности (9.3), мы полагаем, что при субкритической температуре имеет место макроупорядоченность миграций зарядовых разбалансов во всём объёме образца – такая, что, в традиционных терминах, весь образец представляет собой один домен.

Каким же образом один домен может разрастись на весь объём образца? Эта возможность, на наш взгляд, следует из уменьшения частоты переключений направленных валентностей у атомов металлов по мере понижения температуры [Г6]. Действительно, упорядоченность переключений химических связей на замкнутой цепочке атомов не может быть устойчива, если период переключений химических связей меньше характерного «времени синхронизации» на длине этой цепочки – а это «время синхронизации» равно длине цепочки, делённой на скорость света. Тогда максимально возможная длина L ^* замкнутой цепочки атомов, которая способна, через стационарные миграции зарядовых разбалансов, порождать стационарное магнитное действие, определяется простым соотношением

L ^*= c/ f _вал(T).                                                                                               (9.7.1)

Значит, температура перехода в состояние сверхнамагниченности не является характеристической для конкретного материала: она зависит от характерных размеров образца! Если образец представляет собой замкнутый проводник, у которого отношение длины к размеру поперечного сечения много больше единицы, то в состоянии сверхнамагниченности, когда весь этот проводник является одним доменом, замкнутые линии миграций зарядовых разбалансов проходят по всей длине этого проводника. Поэтому в данном случае именно длина проводника является характерным размером, от которого зависит температура T ^* перехода в состояние сверхнамагниченности. Полученная нами [Г6] зависимость T^* (L ^*) приведена на Рис.9.7 для титана, ниобия и циркония, которые используются как «сверхпроводящие» материалы. Как можно видеть, при увеличении длины замкнутого проводника, требуется сильнее охлаждать его для перехода в состояние сверхнамагниченности. А, при одной и той же температуре хладагента, переход в состояние сверхнамагниченности может быть возможен для короткого контура, но невозможен для более длинного, сделанного из того же самого материала. Эти выводы играют ключевую роль в понимании драматической истории создания «сверхпроводящих» соленоидов.

Вначале была видимость успеха: фазовый переход при достижении критической температуры был резко выражен. Правда, при этом происходил переход не в сверхпроводящее, а в сверхнамагниченное состояние. Но до некоторых пор это не мешало делать короткозамкнутые соленоиды – у которых соединены два конца обмотки. При охлаждении ниже критической температуры в условиях, например, слабого затравочного магнитного поля, такой соленоид скачком переходил в режим генерации сильного магнитного поля – для поддержания которого не требовался внешний источник тока. Первые образцы таких соленоидов имели весьма скромные размеры. Но напряжённость генерируемого поля линейно зависит от числа витков соленоида – и, ради получения всё более сильных полей, наращивали число витков и, соответственно, длину обмотки. Быстро

 

       Рис.9.7

 

обнаружилось, что большие короткозамкнутые соленоиды – в отличие от малых, с тем же рабочим сплавом и при такой же низкой температуре – не переходят в режим генерации сильного поля. Мы объясняем этот феномен тем, что температура перехода в состояние сверхнамагниченности зависит от длины замкнутого проводника (см. выше). В рамках же официального подхода, критическая температура определяется только свойствами материала, но никак не размерами образца – поэтому разумного объяснения для неработоспособности больших короткозамкнутых соленоидов не нашлось.

Здесь ортодоксам можно было бы признать несостоятельность концепции сверхпроводимости. Вместо этого они, делая вид, что всё происходит в согласии с этой концепцией, стали принудительно создавать ток в «сверхпроводящей» обмотке – с помощью постоянно работающего внешнего источника питания, подключенного к её концам (см., например, [З1], стр.137). Такая схема использования «сверхпроводящих» соленоидов не афишировалась, поскольку ситуация стала абсурдной с точки зрения не только теории, но и практики. Действительно, если охлаждённая обмотка соленоида переходила бы здесь в сверхпроводящее состояние, приобретая нулевое омическое сопротивление, то ограничителями тока в цепи оказывались бы лишь её участки с нормальным сопротивлением, включая т.н. токоподводы. Значит, переход обмотки в сверхпроводящее состояние сопровождался бы скачкообразным увеличением тока в цепи и, соответственно, скачкообразным усилением магнитного поля соленоида. Однако, нам не удалось найти в литературе свидетельств о подобных скачках тока и напряжённости магнитного поля у соленоидов с внешним источником тока. А ведь если подобные скачки имели бы место, то о них непременно сообщили бы как о свидетельствах перехода обмотки в сверхпроводящее состояние. Вместо этого мы видим [Г6], что экспериментальное значение поля, генерируемого соленоидом при токе, заданном с помощью внешнего источника, соответствует значению поля, которое рассчитывается на основе геометрии соленоида – для такого же тока, но не в сверхпроводящем режиме, а в обычном. Где же тогда свидетельства о том, что соленоид с внешним источником тока работает именно в сверхпроводящем режиме? Эти свидетельства имеют чисто спекулятивный характер, будучи основаны на следующей логике: если короткозамкнутый соленоид переходит в сверхпроводящее состояние при охлаждении ниже критической температуры, то и соленоид с внешним источником тока обязан переходить в сверхпроводящее состояние при таком же охлаждении. Увы, эта логика хромает: короткозамкнутый соленоид переходит в режим не сверхпроводимости, а сверхнамагниченности, а соленоид с внешним источником тока принципиально лишён даже такой возможности.

Более того: о том, что соленоид с внешним источником тока может работать только в режиме обычной проводимости, убедительно свидетельствует такая находка, как «критический ток» соленоида. Теоретически, это опасно большой ток, при котором «спонтанно возникшая» в сверхпроводящей обмотке область обычной проводимости разрастается, и запасённая в соленоиде магнитная энергия превращается в джоулево тепло – которое, без специально принятых защитных мер, может разрушить соленоид [К10,З1]. Тепловые разрушения «сверхпроводящих» соленоидов с внешним источником, при достижении определённых значений тока в цепи, действительно имели место – но это происходило, на наш взгляд, совсем по другому сценарию. «Критический ток» - это нонсенс в случае, если бы сверхпроводимость имела место. Пока работали лишь с короткозамкнутыми соленоидами, ни о каких «критических токах» речи не было. Откуда там было им взяться? Ведь в состоянии сверхнамагниченности происходит циркуляция электричества без циркуляции электронов – и, соответственно, без продуцирования джоулева тепла. Никаких тепловых повреждений образца при этом быть не может. В случае же соленоида с внешним источником тока, на наш взгляд, в обмотке принципиально течёт лишь обычный ток проводимости, продуцирующий джоулево тепло. А хладагент, задачей которого является, якобы, охлаждение обмотки до субкритических температур, при которых выделение джоулева тепла отсутствует, в действительности всего лишь отводит это тепло, которое выделяется при любом ненулевом токе. «Критическим» же является такой ток, при котором хладагент не справляется с отводом тепла – и т.н. «сверхпроводник» сгорает.

Вышеописанный обман с т.н. сверхпроводящими соленоидами широко используется в научно-технических устройствах – Токамаках, магнитных системах мощных ускорителей, и др. Одни лишь главные дипольные магниты (в количестве 1232 штук) Большого адронного коллайдера [Л4] имеют многожильные обмотки из сплава Nb-Ti с длинами внутреннего и внешнего контуров, соответственно, 433 и 751 м [В2]. Согласно вышеизложенному (Рис.5.9), при Т=1.9^оК контур из сплава Nb-Ti с длиной более 500 м не сможет работать в режиме сверхнамагниченности, будучи короткозамкнутым. Неудивительно, что ток в обмотках главных дипольных магнитов БАКа обеспечивается мощными внешними источниками питания, причём внутренние и внешние обмотки магнитов запитываются, будучи соединёнными последовательно [В2,ВЕБ4,З2]. Заметим, что если малые короткозамкнутые соленоиды генерировали магнитное поле без внешнего источника тока, и сбережённая при этом электроэнергия была одним из главных аргументов у пропагандистов учения о сверхпроводимости – то соленоиды с внешним источником тока требуют его постоянной работы, и аргумент о сбережении электроэнергии здесь неуместен. Хуже того: если короткозамкнутые соленоиды создавали хотя бы видимость сверхпроводимости, демонстрируя скачкообразный переход в режим генерации сильного поля, то соленоиды с внешним источником тока не демонстрируют даже этого. Мы усматриваем здесь полный крах концепции сверхпроводимости.

Публику обмануть можно, но Природу – нет!

 

Ссылки к Разделу 9.

 

 

А2. Е.М.Артемьев, Л.В.Живаева. ЖТФ, 78, 10 (2008) 129.

Б4. В.Л.Бонч-Бруевич, С.Г.Калашников. Физика полупроводников. «Наука», М., 1977.

В2. A. Vergara-Fernandez. Reliability of the quench protection system for the LHC superconducting elements. http://cdsweb.cern.ch/record/745594/files/project-note-350.pdf

В3. Г.А.Воробьёв и др. Физика диэлектриков (область сильных полей). «Изд-во ТПУ», Томск, 2003. Доступна на http://www.enin.tpu.ru/lib/EICT_FDup.pdf

ВИД2. «Эпизод А. Сверхпроводящая керамика и тестер». - http://newfiz.info/films/films.htm

ВЕБ4. http://lhc.web.cern.ch/lhc/LHC-DesignReport.html

Г5. А.А.Гришаев. Металлы: нестационарные химические связи и два механизма переноса электричества. – http://newfiz.info/metals.htm

Г6. А.А.Гришаев. Температурная зависимость частоты переключений направленных валентностей у атомов металлов. – http://newfiz.info/fval.htm

Г13. А.А.Гришаев. Ультратонкие магнитные материалы спинтроники: крах концепции спина электрона. – http://newfiz.info/thinmagn.htm

Г14. М.В.Гомоюнова, Г.С.Гребенюк, И.И.Пронин. ЖТФ, 81, 6 (2011) 120.

Г15. А.А.Гришаев. Новая модель электрического пробоя твёрдых диэлектриков. – http://newfiz.info/proboi.htm

Г16. А.А.Гришаев. Новый взгляд на электрические и оптические явления в полупроводниках. – http://newfiz.info/semicond.htm

Г17. А.А.Гришаев. Отсутствие свободного движения электронов в ВТСП-керамике. – http://newfiz.info/vtsp.htm

З1. В.Б.Зенкевич, В.В.Сычёв. Магнитные системы на сверхпроводниках. «Наука», М., 1972.

З2. M. Zerlauth, A. Yepes Jimeno and G. Morpungo. The electrical circuits in the LHC reference database, LHC-LD-ES-0003, http://cdsweb.cern.ch/record/1069436

З3. С.Зи. Физика полупроводниковых приборов. Кн.1. «Мир», М., 1984.

И2. А.Ф.Иоффе. Полупроводники в физике и технике. Наука и техника, 1939, №6 (цит. по [Н2]).

К1. С.Г.Калашников. Электричество. «Наука», М., 1977.

К3. Р.Кристи, А.Питти. Строение вещества: введение в современную физику. «Наука», М., 1969.

К9. М.И.Каганов. Электроны, фононы, магноны. «Наука», М., 1979.

К10. М.Г.Кремлев. Сверхпроводящие магниты. Успехи физических наук, 93, 4 (1967) 675.

К12. И.Курчатов. Вентильные фотоэлементы. УФН, т.XII, вып.4 (1932) 365.

Л4. LHC Machine. http://iopscience.iop.org/1748-0221/3/08/S08001

М3. Джеймс Клерк Максвелл. Трактат об электричестве и магнетизме. «Наука», М., 1989. Том 1.

М4. А.Г.Морозов. Электроника, электротехника и импульсная техника. «Высшая школа», М., 1987.

Н2. Л.Л.Неменов, М.С.Соминский. Основы физики и техники полупроводников. «Наука», Л., 1974.

О1. П.Т.Орешкин. Физика полупроводников и диэлектриков. «Высшая школа», М., 1977.

П1. Р.В.Поль. Учение об электричестве. «Гос. изд-во физико-математической литературы», М., 1962.

С4. Р.Суху. Магнитные тонкие плёнки. М., «Мир», 1967.

С5. С.И.Сканави. Физика диэлектриков (область сильных полей). «Гос. изд-во физико-математической литературы», М., 1958.

С6. Р.Смит. Полупроводники. «Мир», М., 1982.

Ф5. В.К.Федюкин. Не сверхпроводимость электрического тока, а сверхнамагничиваемость материалов. С.-Пб., 2008. Доступна на: http://window.edu.ru/window_catalog/pdf2txt?p_id=26013

Ф6. Я.И.Френкель. Сверхпроводимость. М.-Л., ОНТИ, 1936.

Ф7. В.М.Федосюк. Наноструктурные пленки и нанопроволоки. Минск, "Издательский центр БГУ", 2006. – Доступна на http://www.physics.by/page.php?206

Х3. Хенней. Физические основы теории полупроводников. В сб. «Полупроводники», глава I. «Изд-во иностранной литературы», М., 1962.

Ч3. Н.О.Чечик. Фотоэлементы и их применение. «Гос. энергетическое издательство», М.-Л., 1955.