В. П. Казначеев д м. н., академик рамн, президент зсо мса

Вид материала

Документы

Содержание Принцип нового описания природы Описание феномена сверхпроводимости в металлах при положительных температурах. Материалы и методы исследований. Результаты исследований. Взаимосвязь плотности дислокаций, скорости нарастания плотности тока и температуры перехода в состояние сверхпроводимости для во Плотность дислокаций, см Взаимосвязь плотности дислокаций, скорости нарастания плотности тока и температуры перехода в состояние сверхпроводимости для не

Подобный материал:

• В. П. Казначеев д м. н., академик рамн, президент зсо мса, 3287.57kb.
• В. П. Казначеев д м. н., академик рамн, президент зсо мса, 3704.26kb.
• В президиуме со рамн, 441.3kb.
• Научная программа организационный комитет почетный председатель съезда оганов Рафаэль, 391.06kb.
• Влагалища и шейки матки у детей, 313.83kb.
• Трансфер фактор №, 139.68kb.
• Академик рамн, Президент Российской академии медицинских наук, Директор Российского, 1036.51kb.
• Рецидивы и метастазы гранулезоклеточных опухолей яичников (клиника, диагностика, лечение), 358.95kb.
• Шафрин Ю. А. Информационные технологии: в 2 ч. Ч. 1: Основы информатики и информационных, 264.02kb.
• Галины Чулуевны Махаковой. Приветственное слово директора фгу нии урологии, профессора, 80.37kb.

ПРИНЦИП НОВОГО ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ


Новый способ математического описания природы построен на принципе разбиения целого на три различные неравные взаимосвязанные изменяющиеся части.

Целое – единица 1 разбивается на три множества и для описания этого разбиение используем формулу полного набора вероятностей, где три множества объедены операцией сложения в некоторую целостность:

(12)

где К - число рассматриваемых состояний системы; f_i - вероятность каждого состояния; последовательность этих состояний i.

Далее учтем, что эти три множества (К, f_i i ) могут изменяться, не нарушая целостности системы. Тогда, учитывая, что К мультипликативная величина и последовательность i не имеет значения, имеем разбиение целого (единицы) на сумму двух функций:

_{=I+G, (13)}

где 1 – единица - отражает целостность системы, I – мера хаоса - описывает реализуемые состояния системы или бытие, G – мера порядка - описывает запрещенные для реализации состояния системы или небытие на множестве рассматриваемых состояний К.

Соотношение между мерами хаоса и порядка в общем случае таково, что мера хаоса меньше или равна мере порядка:

I ≤ G, (14)

так как всегда можно выбрать такое большое число рассматриваемых состояний К, в котором большая часть событий запрещена для реализации. Число запрещенных состояний в природе всегда больше числа реализуемых состояний. Небытие всегда больше бытия. /«Человечество - это большая часть мертвых и малая часть живущих» ради продолжения своего рода. Человечество - это активное взаимодействие бытия и небытия. Социальное управление направляет это взаимодействие бытия и небытия в интересах более безопасной организации своего будущего. Однако, если такое управление нарушает гармонизацию интересов народа и власти, социальный кризис становится неизбежным, и остается только вопрос о сроках и о цене его преодоления.

Следующий шаг разбиения целого на переменные части рассматривает взаимодействие процессов рассеяния и концентрации энергии между собой, описываемых мерами хаоса и порядка в трех классах переменных. Все возможные взаимодействия мер хаоса и порядка, не нарушающие целостность системы или принцип сохранения энергии, описываются симметрией мер хаоса и порядка:

∆I(p)+∆I(q)+∆I(l)=0. (15)

Насколько возрастает бытие (хаос) по одним переменным, настолько же бытие (хаос) убывает по другим переменным, затрагивая три класса переменных.

Выберем из всевозможных изменений мер хаоса (15) только необратимые изменения, которые удовлетворяют уравнению рекурсии (9), которой Л. Пачоли характеризовал эволюцию структур к гармонии. Тогда новый принцип описания природы согласуется с известными теориями и опытом эволюции сложных систем.

В качестве нового объекта исследования природы автор предлагает рассматривать процесс рассеяния энергии в трех классах переменных вместо известных объектов, таких как материальная точка, поле, волна, суперструна. Тогда развитие организации системы описывается преимущественным ростом структурной энтропии или процессом рассеяния энергии по структурному многообразию динамических элементов.

Про развитие на примере живого организма обычно писали, что «живое питается отрицательной энтропией» на основе статистической механики Больцмана-Гиббса, а в нашем случае развитие происходит за счет роста структурной энтропии, который компенсирует уменьшение обычной энтропии по координатам и импульсам.

Каждый шаг возникновения новой структуры в природе связан с предыдущими структурами и образует рекуррентный процесс развития с памятью [7]. Процесс рассеяния энергии за счет увеличения структурного многообразия динамических элементов описывает развитие систем и отражает свойства фрактала «золотой пропорции».

Важно, что новое описание впервые установило критерий отбора для выживания физических, биологических и социальных систем. Те системы, которые в результате каких-либо изменений обладают минимумом свободной энергии образования системы по формуле (1) или при локальном рассмотрении находятся вблизи к тройственной гармонии по золотой пропорции, имеют преимущества для выживания в процессе эволюции перед другими системами.


Приложение 1


Аксиомы линейных математических моделей можно систематизировать в следующей последовательности их использования:

1. Натуральный ряд чисел
   
2. Эквивалентность алгебры и геометрии
   
3. Введение внешней системы отсчета
   
4. Замена тел их центром тяжести в механике И. Ньютона
   
5. Постулат Л. Больцмана о равновероятности микросостояний в статистическом равновесии
   

Использования этих линейных моделей, удовлетворяющих закону тождества А≡А, привело к противоречию с опытом эволюции объектов природы, где «Дважды нельзя войти в одну реку» / Гераклит/.

Поэтому предлагается соответственно:

1. Ряд Фибоначчи,
   
2. Фрактал золотой пропорции,
   
3. Внутренняя система отсчета, построенная на балансе взаимодействия бытия и небытия, описываемая с помощью мер хаоса и порядка.
   
4. Описание статистического равновесия тел в трех классах переменных.
   
5. Постулат о равенстве мер хаоса и порядка в условиях статистического равновесия.
   

Новые нелинейные закономерности эволюции выводятся на принципе разбиения целого (единицы) на три различные неравные и взаимосвязанные изменяющиеся части.


Приложение 2

Таблица сравнения различных математических моделей

Модель, свойства	Принятые упрощения, их результат	Результаты нового подхода
Последова-тельность чисел	Натуральный ряд чисел - линейная функция от порядкового номера Аn=n	Ряд чисел Фибоначчи - нелинейная рекуррентная функция от порядкового номера: Аn= Аn-1 + Аn-2 , которая совпадает в начальном интервале с натуральным рядом чисел (1,2,3) и приближенно описывается степенной зависимостью на некотором отдаленном интервале, что отражено в законе Вебера-Фехнера.
Энтропия – мера внутреннего превращения	Энтропия равна мере хаоса в двух классах переменных:	Энтропия равна сумме мер хаоса и порядка в трех классах переменных:
Цель эволюции	максимальный хаос: I(p,q) =max	баланс бытия и небытия I(p,q,l) = G(p,q,l)
Принцип описания	Дуализм, дихотомия при рассмотрении природы от постулированных свойств частиц к исследованию целого	Триединство при рассмотрении природы от целого к исследованию эволюции ее частей
Самоуправление	Не рассматривается	Следующий шаг исследования
Самодвижение	Самодвижение отсутствует в линейных моделях	Самодвижение вызывается изменением организации системы
Процесс концентрации энергии	Процесс концентрации энергии ее рассматривается	Процесс концентрации энергии описывается мерой порядка в трех классах переменных G(p,q,l),
Пространство	Аксиомы геометрии пренебрегают всем, что возникает и исчезает в природе	Фрактал золотой пропорции – новый математический объект, учитывающий эволюцию чисел (и структур) в природе
Число	Число - постоянная линейная величина	Число - постоянна величина, обладающая фрактальными (нелинейными) свойствами или памятью о своем происхождении.
Видение бытия	Материя движется только в пространстве и времени	Материя изменяет свою организацию, порождая пространство, вещество и взаимодействия
Тело	Тело заменено центром тяжести, пренебрегая размером и резонансными взаимодействиями	Тела описываются в статистическом равновесии в трех классах переменных
Движущая сила эволюции	Минимум свободной энергии образования системы: Fmin = U- kT S(p,q)max, описывает линейную эволюцию к «тепловой смерти Вселенной»	Минимум свободной энергии образования системы: Fmin = E- kT {S(p)+S(q)+S(l)}max, описывает нелинейную эволюцию осциллирующей частей и организации сложных систем к тройственной гармонии.
Критерий преимущества выживания физических, биологических и социальных систем	Критерий отсутствует	Критерий: градация систем (Ламарк) определяется минимумом свободной энергии образования системы или тройственной гармонией

Диалектика: линейные свойства природы как целого приводят к нелинейной осцилляции ее частей и организации.

Мир единственен и целостен, то есть линеен, а эволюция его частей и чисел нелинейна. В природе работает критерий отбора организации материи: преимущество для выживания физических, биологических и социальных систем описывается минимумом свободной энергии образования системы с переменной внутренней организацией.

Имеют место скрытые осцилляции, возникновение новых чисел (и структур) в рядах Фибоначчи и Люка и их тиражирование во фрактале золотой пропорции.

Живое эволюционирует для сохранения целостности своей организации к минимуму свободной энергии образования по формуле (1) , а не уходит от равновесия, как это происходит на основе линейных механистических моделей равновесия по формуле (2).

Выводы

1. Физические, биологические и социальные системы эволюционируют разными способами к общему равновесию мер хаоса и порядка в трех классах переменных во внутренней системе отсчета.
   
2. Равновесие мер хаоса и порядка в трех классах переменных можно моделировать оптимальным отношением частей и целого в организации материи по золотому сечению.
   

3. Свободная энергия образования системы с переменной внутренней организацией характеризует движущие силы нелинейной осцилляции организации объектов в природе.
   
4. Критерий преимущества для выживания систем - минимум свободной энергии образования системы с переменной внутренней организацией или близость к тройственной гармонии по золотому сечению.
   
5. Новый принцип математического описания природы - разбиение целого на три изменяющиеся части, связывающие линейные свойства природы с нелинейной осцилляцией эволюции ее частей и организации объектов в целом.
   

Литература

1. Харитонов А.С. На принципе триединства бытия. //Сб. Казначеевские чтения 2. Новосибирск. 2009. С. 157- 184.
   
2. Харитонов А.С. Тройственное видение природы войн. //Вестник Академии военных наук.№13. 2005.
   
3. Харитонов А.С. Народ и власть: гармония интересов. // Государство, религия, церковь в России и за рубежом. № 3 – 4, 2007. С.18 – 25.
   
4. Томсон В. О проявляющейся в природе общей тенденции к рассеянию механической энергии. Сб. Второе начало термодинамики. М.-Л., ГТТИ. 1934. С.180.
   
5. Охнянская Л.Г., В.П.Мишин, Э.Л.Спектор. А.А.Ухтомский и развитие идей теории нелинейных колебаний в области физиологии. Сб. Учение А.А. Ухтомского о доминате и современная нейрофизиология. Ленинград., Наука. 1990. С.60-84.
   
6. Блюменфельд Л.А. Решаемые и нерешаемые проблемы биологической физики. М., УРСС, 2002.
   
7. Харитонов А.С., Шелепин Л.А. "Принцип золотой пропорции как характеристика процессов с памятью." Сб. "Стратегия жизни в условиях планетарного экологического кризиса". 2002, том. 2,С.378-385.
   
8. Сб. Метафизика век ХХI, под редакцией Ю.С.Владимирова. М., Бином. 2006
   
9. Петухов С.В. Матричная генетика,. 2008.
   
10. Балакшин О.Б. Коды да Винчи - новая роль в естествознании? М. 2008.
    
11. Цветков В.Д. Золотая гармония и сердце. Пущино. 2008.
    
12. P a c I o l i L u c a «De divina proportione», Veneziae, 1509.,
    
13. Азроянц Э.А., Харитонов А.С., Шелепин Л.А. Немарковские процессы как новая парадигма.// Вопросы философии, 1999, № 7, С. 94 – 104.
    
14. Подолинский С.А. М., Ноосфера. 1991.
    
15. Умов Н.А. Физико-механическая модель живого. М., 1902 г
    
16. Лифшиц И.М. Некоторые вопросы статистической теории биополимеров // ЖЭТФ 1968 т.55 С.2408.
    
17. Харитонов А.С. Структурные свойства макромолекулы в термостате. //Прикладная физика №1, 2008, С.13 – 166.
    

Феномен сверхпроводимости в металлах при положительных температурах


Г.А. Марков, В.Н. Малышев, А.И. Родионов, И.А. Шестопалов


Введение. Явление сверхпроводимости, открытое в 1911 году нидерландским физиком Х. Камерлинг-Оннесом в металлах при температурах близких к абсолютному нулю, предполагает резкое снижение удельного сопротивления проводника практически до нуля и до сих пор будоражит умы всех, кому интересна его природа и перспектива возможности передавать энергию на большие расстояния без потерь. Согласно классической электронной теории, удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах. Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах. При более низких температурах порядка нескольких Кельвинов удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения. Критическая температура у ртути равна 4,1 К, у алюминия 1,2 К, у олова 3,7 К. Сверхпроводимость наблюдается не только у элементов, но и у многих химических соединений и сплавов. Например, соединение ниобия с оловом (Ni₃Sn) имеет критическую температуру 18 К. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах. В то же время такие «хорошие» проводники, как медь и серебро, не становятся сверхпроводниками при низких температурах.

Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Объяснение механизма этого явления было дано только через 60 лет после его открытия на основе квантово-механических представлений. В 1957 году Джон Бардин, Леон Куппер, Джон Шриффер создали знаменитую теорию БКШ, описав явление сверхпроводимости на микроскопическом уровне [1]. Теория БКШ вскрыла механизм сверхпроводимости. Было выяснено, что в его основе лежит электрон-фононное взаимодействие, которое приводит к образованию куперовских пар, переносящих "сверхток". Теория БКШ позволила выразить критическую температуру через фононные и электронные характеристики. Но максимум, чего удалось добиться за 30 лет со времени публикации БКШ, - повысить температуру сверхпроводимости до 24 К в 1973 г.

Научный интерес к сверхпроводимости возрастал по мере открытия новых материалов с более высокими критическими температурами. Значительный шаг в этом направлении произошел в 1986 году, когда было обнаружено, что у одного сложного керамического соединения T_кр = 35 K. Уже в следующем 1987 году физики сумели создать новую керамику с критической температурой 98 К, превышающей температуру жидкого азота (77 К). Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при температурах, превышающих температуру кипения жидкого азота, было названо высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП). В 1988 году было создано керамическое соединение на основе элементов Tl–Ca–Ba–Cu–O с критической температурой 125 К [2]. Это послужило мощным толчком к проявлению интереса в этой области, а в изучении сверхпроводимости начался настоящий "бум". В среднем публиковалось около 15 статей в день. Однако до сих пор непонятен механизм сверхпроводимости. Важнейшая черта открытия ВТСП - то, что сверхпроводимость была обнаружена не у традиционных интерметаллидов, органических или полимерных структур, а у оксидной керамики, обычно проявляющей диэлектрические или полупроводниковые свойства. Это разрушило психологические барьеры и позволило в течение короткого времени создать новые, более совершенные поколения металлоксидных сверхпроводников почти одновременно в США, Японии, Китае и России. В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ с еще более высокими значениями T_кр.

Ученые надеются получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре (300-400 К). В соединениях какого типа может реализовываться такая сверхпроводимость? Будут ли это слоистые квазидвумерные системы, а может быть - что-то такое, о чем мы сейчас и не подозреваем? Когда это произойдет? - тоже неизвестно. По словам Виталия Гинзбурга [3], "у нас имеется один естественный рубеж - 2011 год, то есть столетие со дня открытия сверхпроводимости".

Но может быть, ключ к решению разгадки лежит в иной плоскости? И свойства сверхпроводимости при положительных температурах вполне возможны и могут проявляться у каких-либо материалов? Очевидно, что для этого в нем должны быть выполнены специальные каналы для беспрепятственного «пролетания» электронов, которые могли бы играть роль волноводов для их волнового движения. Такие каналы могут быть образованы в металле с помощью, например, дислокационных плоскостей, равномерно распределенных по всей длине проводника, за счет его пластической деформации. Именно эта идея была положена в основу феномена проявления свойств сверхпроводимости в металлах при положительных температурах и разработанного на основе этого явления нового метода перевода металла в состояние сверхпроводимости при положительных температурах [4-8].


Описание феномена сверхпроводимости в металлах при положительных температурах. Для перевода металлического проводника в состояние сверхпроводимости должны быть выполнены четыре основных условия:

- в проводнике должна быть создана необходимая плотность дислокаций (от 1·10⁸ см^-2 и выше);

- выполнено их регулярное распределение по длине проводника;

- обеспечена высокая скорость нарастания плотности тока (от 10² А/см²с и выше);

- достигнута необходимая температура для перехода в состояние СП.

Плотность дислокаций представляет собой общую длину дислокационных линий в единице объема материала [9]. Эту величину называют скалярной плотностью дислокаций, поскольку в этом случае подсчет плотности дислокаций ведется без учета знака дислокаций. Между тем дислокации могут быть разного знака. Необходимой плотности дислокаций можно достичь различными методами деформации: изгибом, прокатом, обжатием и растяжением. Однако, перечисленными методами деформации металла трудно обеспечить регулярное распределение дислокаций по длине проводника. Обеспечить одновременно высокую плотность дислокаций и их регулярное распределение по длине проводника можно путем навивки проволоки в моноспираль или путем скручивания двух проволок в спираль. В этом случае внутренний диаметр каждой моноспирали стремится к нулю, а внешний диаметр моноспирали стремится к двум диаметрам проволоки, в результате чего достигается максимальная плотность упаковки, т.е. чем больше угол направления кручения проводника к продольной оси, тем выше плотность дислокаций.

Из вольфрамовой проволоки диаметром 0,05 мм изготавливали проводник путем навивки его в моноспираль. Проводник помещали в камеру с инертным газом и подключали к токоподводам. Вольтамперную характеристику записывали на двухкоординатном самописце. На проводник подавали ток, возрастающий во времени, но в режиме стабилизации, т.е. любая задаваемая величина тока оставалась неизменной, независимо от изменения сопротивления проводника в любой момент времени. Изменение тока во времени задавали регулятором стабилизации тока. Необходимый нагрев до температуры перехода в состояние СП осуществлялся за счет пропускания тока. Вели нарастание плотности тока до остановки роста напряжения в проводнике. Момент остановки роста напряжения является началом перехода проводника в состояние сверхпроводимости. Дальнейшее незначительное увеличение плотности тока приводило к снижению напряжения до нуля, что указывало на резкое снижение сопротивления проводника и его переход в состояние сверхпроводимости.


Материалы и методы исследований. Для исследований брали образцы различных проволок из вольфрама, меди, тантала, алюминия и других металлов, которые подвергали пластической деформации кручением до достижения плотности дислокаций не ниже 10⁸ – 10¹² см^-2.

Для подготовки образцов проводников осуществляли навивку проволоки диаметром d в моноспираль с шагом h на кордовую нить диаметром d₀. Степень пластической деформации определялась как

ε = ±d/Dcosα,

где D=d+d₀ – диаметр спирали, α – угол наклона витков спирали. Знак + обозначает внешнюю сторону спирали. Шаг спирали задавался исходя из: h = πDtgα.

Из этого следует, что ε→1, когда d››d₀, а h→d. Для получения требуемой степени пластической деформации изменяли h и d₀.

Спиральные проводники фиксировались в вакуумной камере на изолированных кронштейнах. Концы соединялись с токоподводами. Воздух откачивали из камеры и заполняли ее инертным газом (гелием, аргоном или азотом) от низкого до атмосферного давления.

Измерение проводимости проводников проводили на лабораторной установке (рис.1), включающей емкостной накопитель 1 (100-800 мкф., заряжаемый до 300-800 В), воздушный разрядник или быстродействующий тиристор 2, блок высокого напряжения 3, исследуемый проводник 4, измерительный шунт 5, осциллограф 6, скоростной двухкоординатный самописец 7, либо компьютер для фиксации скоростной вольтамперной характеристики.

На рис.1 показана схема импульсного перевода проводника в состояние сверхпроводимости. Для сравнения проводимости проводников, один из которых выполнен в виде цилиндрической моноспирали, намотанной из вольфрамовой проволоки, диаметром 0,05 мм и длиной 100 мм, а другой – обычный медный проводник диаметром 4 мм и длиной 50 мм, их поочередно помещали в установку и подключали к токоподводящим зажимам. Источником тока 3 заряжали конденсатор 1 до фиксированного напряжения, например, до 600 В, затем источник тока отключали и включали разрядник 2, подававший ток на моноспираль 4, которая нагревалась в импульсном режиме за время - 1,5∙10^-3 с и переходила в состояние сверхпроводимости. Следует обратить внимание, что с момента включения разрядника ток в цепи «конденсатор-разрядник-моноспираль» повышался не сразу с момента включения разрядника, а только после прогрева моноспирали до температуры перехода в состояние СП, что происходило через 1,5 милисекунды с момента включения разрядника.

Далее, вместо моноспирали, цепь замыкали коротким толстым медным проводником диаметром 4 мм. При разрядке конденсатора той же емкости, что и в первом случае и с тем же зарядным напряжением, ток в цепи «конденсатор-разрядник-медный проводник» нарастал сразу за 0,1 милисекунды до такого же значения, т. е. 600 А, как и при включении моноспирали. Конечная величина тока ограничивалась общей индуктивностью источника питания.

Проводили эксперименты также по следующей методике. На проводник подавали постоянный ток, возрастающий во времени, но в режиме стабилизации, т.е. величина тока оставалась неизменной независимо от нагрузки в любой момент времени, а разность потенциалов на нагрузке зависела только от сопротивления проводника. Изменение тока производилось регулятором стабилизации тока по линейной зависимости. Скорость нарастания плотности тока задавали в диапазоне от 100 до 2∙10⁵ А/см²∙с. При этом повышали плотность тока в проводнике до полного падения напряжения в нем, контролируемого по графику ВАХ, что свидетельствовало о переходе проводника в состояние сверхпроводимости. При обратном снижении тока в режиме стабилизации образуется петля гистерезиса. Данный эксперимент проводился в автоматическом режиме ввода и вывода в состояние СП длительностью до 100 часов непрерывной работы.


Результаты исследований. Для импульсного режима характерные зависимости изменения тока во времени для моноспирального вольфрамового проводника диаметром 0,05 мм и медного проводника диаметром 4 мм показаны на рис. 2.

Наиболее типичная зависимость изменения напряжения проводника из деформированной вольфрамовой проволоки от тока в режиме стабилизации показана на рис.3. Пластическую деформацию вольфрамового проводника проводили при комнатной температуре. Кривая ABCDEF представляется составленной из трех частей отличающихся удельным электрическим сопротивлением. Отклонение U от ее постоянного значения на участке АВ связано с нагревом проволоки и увеличением его сопротивления. Пунктирная кривая ВС соответствует зависимости электрического сопротивления от температуры для не деформированного проводника или отжигу после деформации при температуре Т›0,5Т_пл в течение времени ›10³ с. Здесь Т_пл – температура плавления.

Когда плотность тока увеличивается для деформированного проводника на участке АВ со средней скоростью v_j = d_j/dt ›2∙10⁵ A/cm²s, напряжение U отклоняется от кривой АС в точке В. Характерное значение напряженности внешнего электрического поля Е_с составляет величину порядка 10² В/м. На участке кривой BD на рис.3 видно, что напряжение на проводнике уменьшается. Наблюдаются также характерные колебания зависимости U(I). Длина участка BD зависит от типа металла и степени деформации. Кривая BF построена для скорости изменения плотности тока, равной 5∙10⁵ А/см²с. На участке DE уменьшение сопротивления еще более заметно, чем на предыдущем. В точке F удельное сопротивление деформированного проводника приблизительно в 22 раза меньше чем в точке А. При дальнейшем повышении плотности тока, сопротивление ρ стремится к нулю. Это соответствует уменьшению сопротивления в 30-100 раз. При этом с повышением плотности тока имеет место хорошо проявляющийся гистерезис.

Плотность дислокаций в цилиндрической моноспирали, полученной пластической деформацией, рассчитывали по формуле:

(1)

где n - плотность дислокаций, b -вектор Бюргерса, r - средний радиус моноспирали, h - диаметр проводника, β-угол между линией средней окружности моноспирали и плоскостью скольжения дислокаций, k - отношение диаметра проводника к внутреннему диаметру моноспирали.

Проверку плотности дислокаций проводили на электронном микроскопе, затем определяли температуру перехода проводника в состояние сверхпроводимости. Определение критической температуры перехода в СП и условий для этого перехода проводили по формуле:

(2)


где t_кр - критическая температура перехода в СП; t_пл - температура плавления проводника; n_кр - критическая плотность дислокации для перехода в СП; n - плотность дислокаций в проводнике; j_кр - критическая плотность тока для перехода в СП; j_c - скорость роста плотности тока в проводнике.

Данная формула (2) вместе с приведенной выше (1) позволяет рассчитать все параметры, необходимые для перевода металлического проводника в состояние сверхпроводимости. Например, необходима температура перехода 1250 ^оС. По формуле (1) рассчитываем необходимую плотность дислокаций для вольфрамовой проволоки и определяем, что она должна составлять 5,7·10¹⁰ см^-2. Рассчитанные диаметры цилиндрических моноспиралей для проволок из вольфрама двух диаметров 0,025 и 0,050 мм должны составлять соответственно 0,081 и 0,130 мм.

Пластической деформацией можно достичь плотности дислокаций не выше 1·10¹⁴ см^-2. При этой плотности дислокаций температура перехода проводника в состояние сверхпроводимости достаточно высока. На Рис.4 в трехмерном пространстве изображена зависимость температуры перехода в состояние сверхпроводимости от плотности дислокаций и скорости нарастания плотности тока. При плотности дислокаций 1·10⁸ см^-2 и скорости нарастания плотности тока 2·10⁵ А·см^-2·с^-1 температура перехода в состояние сверхпроводимости для вольфрама составляет 3410 ^оС. Величина плотности дислокаций 5·10¹⁵ см^-2 - экспериментально полученный результат, достигаемый при термической обработке металлического проводника. При этой плотности дислокаций переход проводника в состояние сверхпроводимости происходит при комнатной температуре (20 ⁰C). Величину плотности дислокаций 1·10¹⁵ см^-2 механическим способом (пластической деформацией) достичь невозможно из-за насыщения, однако, благодаря термической обработке, в экспериментах при скорости нарастания плотности тока 1·10⁴ А·см^-2·с^-1 нам удавалось многократно получать переход в состояние сверхпроводимости при 10-20 ^оС. Стабильно полученные результаты соответствуют параметрам на трехмерной диаграмме (Рис.4 ) и составляют значения, указанные в табл.1. Таким образом, с помощью термообработки проводника удается увеличить плотность дислокаций до значений порядка 1-2·10¹⁵, что позволяет снизить температуру перехода в состояние сверхпроводимости.

Аналогичные исследования были проведены с проволоками из других металлов, таких как медь, никель, алюминий, тантал, молибден, которые показали, что термической обработкой возможно достижение такой плотности дислокаций, при которой снижается порог перехода металла в состояние сверхпроводимости (см. табл.2).

Обсуждение. Объяснение описываемого феномена в рамках классической электронной теории, а также известной БКШ-теории сверхпроводимости не представляется возможным, в силу чего можно предполагать о некотором ином типе сверхпроводимости в металлах. Авторы предлагают рассматривать данный феномен с позиций дислокационного строения металлов. Экспериментально было установлено, что при приближении плотности дислокаций к 1·10¹⁵ см^-2 и предельной скорости нарастания плотности тока (2·10⁵ А·см^-2·с^-1), можно обеспечить переход в состояние сверхпроводимости при -50 ^оС. Повышение плотности дислокации от 1·10⁸ до 1·10¹⁵ см^-2 удалось получить путем термической обработки проводника, деформированного предварительно механическим способом. Образцы специально деформируются путем скручивания в моноспираль с внутренним радиусом изгиба, стремящимся к нулю. При этом происходит геометрическое перераспределение атомов на внутренней (малая кривизна) и наружной (большая кривизна) поверхностях, которое формирует своеобразные стенки из дислокаций или так называемые дислокационные плоскости. Подобные стенки из бесконечных краевых параллельных дислокаций с одинаковыми векторами Бюргерса описываются Штремелем М.А. [9] и Фриделем Ж [10].

При термообработке (полигонизации), когда в результате скольжения и переползания дислокаций, происходит процесс деления зерен на фрагменты, полигоны и группировки дислокаций одинаковых знаков в стенки (см. рис.5). Образованные плоские дислокационные стенки малоподвижны и весьма устойчивы. При дальнейшем нагреве они сохраняются почти до температур плавления металлов. После формирования субзеренной структуры рекристаллизации не происходит.

При пропускании электрического тока через металлический проводник, скрученный в моноспираль с большим радиусом кривизны, со скоростью нарастания плотности тока более 100 А/см²·с, прохождение электронов по металлу происходит между стенками из дислокаций, как волны де Бройля по волноводам.

Известно, что любая движущаяся частица (например, электрон) ведёт себя не только как локализованный в пространстве перемещающийся объект - корпускула, но и как волна [11,12], причём длина этой волны определяется формулой = h/р, где h = 6.6^.10^-34 Дж^.сек – постоянная Планка, а р – импульс частицы. Эта волна и получила название волны де Бройля. Подобное происходит, например, в СВЧ-технике с электромагнитными волнами и квантами света по оптоволоконному кабелю.

При нагреве деформированного скручиванием проводника свыше 3000 ^оС, в нем образуются монокристаллические блоки, расположенные вдоль проводника, длиной от 0,5 до 2 диаметров проволоки с высокой плотностью дислокаций, что можно наблюдать в микроскопе. Проволока при этом становится не круглой и представляет собой упаковку из блоков, расположенных вдоль проволоки. Эти блоки имеют различную форму в зависимости от степени кривизны и вследствие высокой плотности дислокаций. При наматывании провода в виде цилиндрической моноспирали с определенными параметрами образуется множество дислокационных плоскостей, образующих собой резонаторы для перемещения электрона как частицы – волны де Бройля [13], которая распространяется с тепловой скоростью электрона.

Принцип поведения электронов в «каналах», образованных дислокационными плоскостями в металле, деформированном указанным способом, аналогичен поведению электромагнитных квантов света в оптоволоконном кабеле для передачи на большие расстояния без потерь светового потока.

Течение электронов в металлическом проводнике в состоянии сверхпроводимости как волны де Бройля, в особенности при переходе их из сверхпроводника в медный провод, отводящий ток, сопровождается плавлением участка провода длиной 10-30 см, несмотря на то, что плотность проходящего тока в десятки раз ниже той плотности тока, которая может разогреть данный проводник до температуры 50-150 ⁰С. Также следует обратить внимание, что сам металлический сверхпроводник имеет температуру окружающей среды, т.е. порядка 25-30⁰С. Интересны факты перехода электронного тока из металлического сверхпроводника в медный проводник, имеющий изгибы. При этом плавление медного проводника происходит по большему радиусу изгиба, а меньший радиус остается без изменений, что также подтверждает неклассический вариант движения электронов, т.е. недрейфовый ток классического варианта.

Если на металлический сверхпроводник подается постоянный ток, то происходит нагрев подводящего медного проводника с положительным потенциалом, в то время как подводящий провод с отрицательным потенциалом не разогревается.

Если спираль нагревать пропусканием электрического тока в инертной среде и достичь температуры нагрева 2500 ^оС, то спираль переходит в состояние сверхпроводимости, при этом температура самой спирали снижается до комнатной температуры и она находится в состоянии СП до тех пор, пока по ней протекает электрический ток. Для сокращения времени достижения перехода проводника в состояние СП при комнатной температуре необходимо использовать внешний источник нагрева до 3000 ^оС. На тысячах образцах экспериментально была проверена стабильность перехода проводника в состояние СП в зависимости от температуры нагрева, скорости нарастания плотности тока и плотности дислокаций.

Для отработки методов термического отжига с целью увеличения плотности дислокаций за счет процесса полигонизации и для контроля над плотностью дислокаций проводили измерение температуры перехода в СП по вольтамперной характеристике, при этом для каждого конкретного образца температура перехода сохраняется при многократном (до 10000 циклов) выводе проводника в состояние СП и обратно с точностью 0,01%.

Методы термической обработки могут быть различными: нагрев электрическим током, ионным током, электронным током, электронной пушкой, плазменными разрядами, плазмотроном, лазерным лучом и т.д., лишь бы он обеспечивал решение главной задачи - достижение плотности дислокаций, необходимой для перевода проводника в состояние сверхпроводимости. В металлических сверхпроводниках данного типа экспериментально были получены плотности тока от 1 до 2 миллиардов А/см², что превосходит в 20000 раз плотность тока, достигаемую в низкотемпературных металлических проводниках.


Заключение. Рассмотренная в статье новая модель достижения сверхпроводимости в металлах при положительных температурах основывается на создании в металлическом проводнике каналов для беспрепятственного прохождения электронов, образование которых в виде равномерно распределенных по длине дислокационных стенок обеспечивается пластической деформацией кручением и последующей термической обработкой. Предлагаемый новый способ перевода металлического проводника в состояние сверхпроводимости при положительных температурах, в частности, при температурах близких к комнатной, открывает принципиально новые возможности и перспективы использования этих материалов в различных областях промышленного производства и энергетики.


Литература.

1. Букель В. Сверхпроводимость. М.: Мир, 1975.-364 с.
   
2. Stefan J. Turneaure and Thomas R. Lemberger, John M. Graybeal. Dynamic impedance of two-dimensional superconducting films near the superconducting transition //Phys. Rev. B 63, 174505 (2001).
   
3. Гинзбург В.Л., Киржниц Д.A. Проблемы высокотемпературной сверхпроводимости. М.: Наука, 1977. – 400 с.
   
4. Патент 2233349 RU, MKI 7 C 22 F 1/00, H 01 B 12/00/ Способ перевода металлического проводника в состояние сверхпроводимости/ Г.A. Марков - № 2002121886/02; Заявл. 08.08.2002, Опубл. 27.07.04, БИ № 21.
   
5. Патент 1826744 RU, MKI 5 G 01 R 19/30. C 22 F 1/00 Способ создания аномальной проводимости / Г.А. Марков - № 4611562; Заявл. 09.12.88
   
6. Патент 2061984 RU, MKI 6 C 22 F 1/00. Способ создания аномальной проводимости./Г.А Марков - №5051598/02;Заявл. 10.07.92, Опубл. 27.05.96, БИ №15,
   
7. Г.А. Марков, Н.В. Мельникова, Ю.А. Хон. Об аномально высокой проводимости деформированных металлов при повышенных температурах. //Журнал технической физики. Т.22, №16, 1996. С. 65-72.
   
8. Yu.A. Khon, G.A. Markov, N.V. Melnikova. Anomaly high electrical conductivity of deformed metals for high electric current density //Proceedings of International Conference of Role of Mechanics for Development of Science and Technology. Tsinghua University Press. Beijing China 2000, V. 2. P. 639-640.
   

9. Штремель М.А. Прочность сплавов. Ч 1. Дефекты решетки. Справочное руководство для высшей школы. М.: Металлургия, 1982, 280 с.

10. Фридель Ж. Дислокации. Пер. с англ. A.Л.Рутбурд. М.: Мир, 1967.
    

11.Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике, М.: Наука, 1996. 349 с.

12.Дмитриева В.Ф. Физика, М.: Наука, 2001, 357 с.

13.Луи де Бройль. Введение в волновую механику. Пер. с франц. Изд.2, М.: Мир, 2005, 232 с.

Подрисуночные подписи:


Рис.1. Схема лабораторной установки: 1 –емкостной накопитель; 2 – воздушный разрядник или быстродействующий тиристор; 3 – блок высокого напряжения; 4 – испытуемый проводник; 5 – измерительный шунт; 6 – осциллограф; 7 – двухкоординатный самописец.


Рис.2. Характерные зависимости изменения тока во времени в импульсном режиме для: а – вольфрамовой моноспирали; б – медного провода.


Рис.3. Вольт-амперная характеристика вольфрамового проводника в режиме стабилизации.


Рис.4. Трехмерная диаграмма зависимости плотности дислокаций, скорости нарастания плотности тока и температуры перехода проводника в состояние сверхпроводимости.

Рис. 5. Схема полигонизации: а – хаотическое расположение краевых дислокаций в деформированном металле; б – дислокационные стенки после полигонизации.

Таблица 1

Взаимосвязь плотности дислокаций, скорости нарастания плотности тока и температуры перехода в состояние сверхпроводимости для вольфрама

Плотность дислокаций, см-2	Скорость нарастания плотности тока, А∙см-2∙с-1	Температура перехода в состояние СП, оС
1∙1014	1∙104	500
1∙1014	2∙105	20
1∙1015	1∙104	100
1∙1015	2∙105	-50

Таблица 2

Взаимосвязь плотности дислокаций, скорости нарастания плотности тока и температуры перехода в состояние сверхпроводимости для некоторых металлов

Материал	Cu	Ni	Al	Тa	Mo
Плотность дислокаций, см-2	1∙1011	9∙1010	1∙1013	3∙1011	9∙1010
Скорость нарастания плотности тока, А∙см-2∙с-1	1∙105	2∙105	1∙105	6∙104	1∙105
Температура перехода в СП, оС	900	1300	600	2000	2000

Рис. 5


Раздел II. Россия в системе глобальных социальных координат