Достаточно сильное магнитное поле, создаваемое как током, протекающим в сверхпроводнике, так и посторонними источниками, при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. Магнитное поле с напряженностью H_c, которое при данной температуре вызывает переход вещества из сверхпроводящего состояния в нормальное, называется критическим полем. Критическая температура T_с и критическая напряженность магнитного поля H_с – взаимосвязанные величины. Если сверхпроводник поместить в магнитное поле, то каждой температуре соответствует определенное критическое магнитное поле H_с. При H > H_с и температуре выше T_с проводник переходит из сверхпроводящего в нормальное состояние.

Сверхпроводимость исчезает под действием следующих факторов:

– повышение температуры;

– действие достаточно сильного магнитного поля;

– достаточно большая плотность тока в образце;

При определенной напряженности H_k магнитного поля, создаваемого как током, протекающим в сверхпроводнике, так и посторонними источниками, сверхпроводящее состояние проводника исчезает. Критическая температура T_k и критическая напряженность магнитного поля H_k – взаимосвязанные величины. Если сверхпроводник поместить в магнитное поле, то каждой температуре T_k < T_o соответствует определенное критическое магнитное поле H_k. При H > H_k и температуре выше T_k проводник переходит из сверхпроводящего в нормальное состояние. Кривая на рис. 1 близка к параболе и может соответствовать уравнению:

H_k =H_o [1–(T/T_o)²]

Материал в сверхпроводящем состоянии подобен идеальному диамагнетику – магнитное поле выталкивается из него (эффект Мейснера). При H > H_k магнитное поле проникает в глубь проводника, что приводит к исчезновению сверхпроводимости.

Первым промышленным применением сверхпроводимости было создание сверхпроводящих магнитов с высокими критическими полями. Доступные сверхпроводящие магниты позволили получить к середине 1960–х годов магнитные поля выше 100 кГс даже в небольших лабораториях. Ранее создание таких полей с помощью обычных электромагнитов требовало очень больших количеств электроэнергии для поддержания электрического тока в обмотках и огромного количества воды для их охлаждения.

Следующее практическое применение сверхпроводимости относится к технике чувствительных электронных приборов. Экспериментальные образцы приборов с контактом Джозефсона могут обнаруживать напряжения порядка 10–15 Вт. Магнитометры, способные обнаруживать магнитные поля порядка 10–9 Гс, используются при изучении магнитных материалов, а также в медицинских магнитокардиографах. Чрезвычайно чувствительные детекторы вариаций силы тяжести могут применяться в различных областях геофизики.

Техника сверхпроводимости и особенно контакты Джозефсона оказывают все большее влияние на метрологию. С помощью джозефсоновских контактов создан стандарт 1 B. Был разработан также первичный термометр для криогенной области, в которой резкие переходы в некоторых веществах используются для получения реперных (постоянных) точек температуры. Новая техника используется в компараторах тока, для измерений радиочастотной мощности и коэффициента поглощения, а также для измерений частоты. Она применяется также в фундаментальных исследованиях, таких, как измерение дробных зарядов атомных частиц и проверка теории относительности.

Наиболее интересные возможные промышленные применения сверхпроводимости связаны с генерированием, передачей и использованием электроэнергии. Например, по сверхпроводящему кабелю диаметром несколько дюймов можно передавать столько же электроэнергии, как и по огромной сети ЛЭП, причем с очень малыми потерями или вообще без них. Стоимость изготовления изоляции и охлаждения криопроводников должна компенсироваться эффективностью передачи энергии. С появлением керамических сверхпроводников, охлаждаемых жидким азотом, передача электроэнергии с применением сверхпроводников становится экономически очень привлекательной.

Представлена фазовая диаграмма магнитное поле–абсолютная температура для олова (рис. 1). При условиях, соответствующих точке A, олово находится в нормальном, несверхпроводящем состоянии. Если же его охладить до точки B, то оно становится сверхпроводящим. Критическое магнитное поле – значение поля, выше которого сверхпроводник находится в нормальном состоянии. Критические поля обычно лежат в интервале от нескольких десятков гаусс до нескольких сотен тысяч гаусс в зависимости от сверхпроводника и его металлофизического состояния. Критическое поле данного сверхпроводника меняется с температурой, уменьшаясь при ее повышении. При температуре перехода критическое поле равно нулю, а при абсолютном нуле оно максимально (рис.1)

Постепенное накопление экспериментальных сведений о сверхпроводниках было прервано в 1933 году открытием, сделанным В. Мейснером и Р. Оксенфельдом. До этого проводились испытания с полыми проводниками, т.к. эти проводники имели маленькую массу, и их легче было охладить. Мейснер и Оксенфельд проводили испытания на сплошных образцах из олова и свинца, их наблюдение состояло в том, что когда охлаждался образец с введенным в него магнитным потоком, в момент наступления сверхпроводящего перехода этот поток мгновенно выталкивался из образца. Магнитная индукция сразу обращалась в нуль, и при нулевом конечном магнитном поле итог обеих операций был совершенно одинаковым. Сверхпроводники оказались идеальными диамагнетиками: они выталкивали из себя магнитное поле во всех случаях.

При намагничивании полого сверхпроводника сначала происходит то же самое, что и при намагничивании сплошного. На поверхности сверхпроводника появятся незатухающие замкнутые токи, которые создадут "противополе". Токи уничтожат магнитное поле в толще сверхпроводника и в полости.

Если же намагнитить образец при температуре выше критической, а затем, охладив, перевести его в сверхпроводящее состояние, то возникающее " противополе" уничтожит магнитное поле в толще сверхпроводника, но сохранит его в полости. Это поле, захваченное несверхпроводящей полостью, первые исследователи приняли за поле всего сверхпроводника, но это заблуждение было развеяно опытом Мейснера и Оксенфельда.

Диамагнетизм сверхпроводников хорошо демонстрируется опытом, который осуществил в 1945 году профессор московского университета В. К. Аркадьев. Он изготовил небольшую свинцовую чашу и погрузил ее в жидкий гелий, а затем на тросике начал медленно опускать в нее постоянный брусковый магнит. По мере приближения магнита к чаше натяжение тросика постепенно ослабевало, и наконец, магнит свободно повис над чашей. Объясняется этот эффект просто: под действием магнита в сверхпроводящей чаше возникают "противотоки", создающие "противополе". В результате выталкивания магнитного поля из чаши возникает отталкивание чаши и магнита, которое и проявляется в том, что магнит парит в воздухе над чашей.

А что происходит вне сверхпроводника, при помещении его в магнитное поле? Если сверхпроводник имеет форму узкого цилиндра или узкой пластины, располагающихся вдоль силовых линий приложенного поля, то внесение его в магнитное поле не искажает заметным образом картину силовых линий этого поля.

Если же проводник имеет иную форму, то в его присутствии распределение силовых линий поля существенно изменяется. Например, если образец имеет вид шара, то силовые линии расступаются перед шаром, сгущаются в окрестности его экватора и снова смыкаются позади шара (рисунок 1).

Число силовых линий, пересекающих площадку постоянного сечения, есть мера напряженности поля. Сгущение силовых линий около экватора шара говорит о том, что магнитное поле здесь сильнее, чем вдали от шара.

Пока приложенное к сверхпроводнику магнитное поле невелико, неоднородность этого поля, вызванная образцом, для сверхпроводника несущественна. Но когда поле начинает приближаться к критическому, на проводнике возникают чередующиеся нормальные и сверхпроводящие области. Когда же достигается критическое значение, проводник целиком переходит в нормальное состояние.