З часів відкриття надпровідності обговорюються можливості технічного використання цього разючого явища. Незрозуміла провідність не давала спокою і фізикам, і інженерам. Хотілося якнайшвидше переконатися в тому, що вона може дати практичні плоди. Але пройшло майже піввіку, перш ніж надпровідність почала виходити зі стін лабораторій на дорогу практичного застосування. Цьому сприяли кілька обставин. Тут і розвиток техніки низьких температур, і поява теоретичних робіт, що пояснили природу надпровідного стану, і відкриття нових квантових ефектів, і, звичайно, створення надпровідних матеріалів з високими критичними параметрами .

Успіхи експериментального і теоретичного досліджень дали реальну можливість приступити до робіт по освоєнню цього чудового фізичного явища. Надпровідність почала як би друге життя, але тепер уже не в якості зацікавленого лабораторного феномена, а як явище, відкриваюче перед наукою і технікою дуже серйозні перспективи.

Найважливіша область техніки, де застосування надпровідників обіцяло зробити великі зміни, визначилася уже в перші роки після відкриття цього явища - це передача електричного струму і створення сильних магнітних полів.

Можна назвати сотні різноманітних фізичних, технічних і чисто інженерних задач, що поєднуються загальною вимогою: для їхнього здійснення потрібні сильні магнітні поля. Мова йде про енергетику, що створює нові генератори, і про водолазні роботи по підйому затонулих судів, і про фізику, зайняту проблемами термоядерного синтезу і прискоренням заряджених часток до надвисоких енергій... Усе це області, де вимагаються легкі, могутні й економічні магніти. Але ключі до проблеми створення потрібних магнітів учені довгий час не могли знайти. Здавалося б, що тут складного? Досить пустити сильний струм по витках соленоїда, і він стане потужним магнітом. З тих пір як Ампер з'ясував, що соленоїд поводиться так само, як і природний магніт, усі сучасні магніти виготовляються по цьому принципу. У кожному з них є спіраль - обмотка, по якій проходить струм. Чим більша сила струму, тим сильніше магнітне поле.

Електромагніти теоретично не мають межі по своїй "силі" чи інтенсивності (індукції магнітного поля). Але це тільки теоретично. Коли ж за допомогою струму створюють магнітне поле, мають місце два побічних ефекти, що і визначають складності одержання великих полів. По-перше, на елемент проводу довжиною l і зі струмом І , що знаходиться в магнітному полі з індукцією В, діє сила F = ВІΔlsіnα, де α - кут між вектором індукції В і напрямком струму. Отже, на провід зі струмом будуть діяти сили, пропорційні силі струму й індукції поля, створюваного соленоїдом. Ці сили збільшуються зі збільшенням поля і прагнуть розірвати соленоїд і, крім того, притискають крайні витки до середнього. По-друге, при протіканні струму І по провіднику з опором R виділяється потужність P = І²R. Ця потужність пропорційна квадрату сили струму І², і, отже, вона буде збільшуватися зі збільшенням індукції створюваного поля. Виходить, якщо підсилити магнітне поле, наприклад, у 10 разів, то необхідно збільшити потужність у 100 разів. Розширення обсягу робочого простору також буде супроводжуватися збільшенням потужності, що виділяється. Звідси виходить, що для живлення одного потужного магніту потрібна ціла електростанція, а для охолодження - водокачка.

Надпровідні соленоїди

Обмотку соленоїда можна зробити із надпровідного матеріалу. Такий соленоїд може працювати, майже не споживаючи електроенергії, оскільки один раз збуджений у ньому струм не загасає. Потрібно тільки підтримувати соленоїд при низькій температурі, а для цього вимагаються дуже малі потужності. Таким чином, експлуатація надпровідних магнітів виключає потребу у великих джерелах споживання. Для споживання годяться звичайні батареї, чи генератори або акумулятори.

Зважується проблема відводу тепла. При нульовому опорі і потужність, що виділяється, рівна нулю . Правда, проблема міцності залишається , тому рекордних полів надпровідні соленоїди не створюють. Але зате вони легші і менші по розмірах, ніж звичайні . У порівнянні з кріогенними надпровідні соленоїди вимагають у сотні разів меншої витрати холодоагенту. Так, при індукції магнітного поля 10..15 Тл надпровідний магніт важить усього кілька десятків кілограмів, і із усім стосовним до нього устаткуванням займає площу кілька квадратних метрів і витрачає приблизно 10 л рідкого гелію в добу. І це замість декількох десятків тонн і тисяч кіловат електроенергії, що знадобилися б для роботи не надпровідного магніту з тими ж параметрами.

Ідея використання явища надпровідності для створення сильних магнітних полів виникла відразу ж після його відкриття. Вже в 1913 р. Камерлінг-Оннес вирішує побудувати надпровідний магніт з індукцією, рівною 10 Тл , що не споживає енергії. Але мрії Оннеса не призначено було збутися, принаймні при його житті. Надпровідність, як з'ясувалося, руйнувалася в магнітних полях, у тисячі разів більш слабких. Оскільки такі поля (індукцією в соті частки тесла) можна було набагато простіше одержувати за допомогою постійних магнітів, реалізацією ідеї створення надпровідних магнітів ніхто тоді серйозно не зайнявся.

Надії на будівлю могутніх надпровідних магнітів відродилися на початку 30-х років, коли голландські фізики Хаас і Воогд знайшли, що сплави свинцю з вісмутом зберігають надпровідність аж до полів з індукцією 2 Тл. Це відкриття давало можливість будувати надпровідні магніти принаймні з таким же магнітним полем. Однак їх так ніхто і не став будувати.

В історії надпровідних магнітів відбулася дуже драматична подія. Спадкоємець Оннеса , новий директор лейденської лабораторії, відомий фізик Кеєзом вирішив повторити експеримент. Він виміряв критичний струм сплаву свинцю з вісмутом і знайшов, що струм цей занадто малий, щоб з цього сплаву був сенс робити дріт для обмотки магніту.

На початку 60-х років нашого сторіччя виміри на сплавах свинцю з вісмутом були повторені. І тоді з'ясувалося, що Кеєзом помилився: він зробив те, чого не мав право робити ,- екстраполював дані, отримані їм у слабких магнітних полях, на область сильних магнітних полів. Критичний струм виявився цілком достатнім для того, щоб з цих сплавів усе-таки можна було виготовити нехай не дуже сильні, але досить економічні магніти. Широко розгорнулися слідом за цим пошуки нових надпровідників і привели до відкриття сплавів і з'єднань з високими критичними параметрами. Тепер можна було приступати до створення дроту, кабелів, шин із надпровідних матеріалів. Шлях до технічної надпровідності, до надпровідних магнітів, електротехнічним пристроям був відкритий.

Надпровідні генератори

Сучасні електрогенератори - великі спорудження, у яких утворюються великі магнітні поля, і з кожним роком їхня потужність зростає. Нажаль, можливості підвищення потужності електричних машин не безмежні. Якби обмотку збудження електричної машини (по суті справи, електромагніт особливої форми) вдалося зробити з надпровідника, це відразу б вирішило ряд проблем. По-перше, зникло б нагрівання. По-друге , збільшились би у машині поля і струми, що привело б до різкого скорочення розмірів машини. Так, надпровідний генератор потужністю 1300 МВт мав би близько 10 м у довжину і масу 280 т. Довжина аналогічної машини звичайної конструкції більш 20 м , маса 700 т. Одна тільки маса ротора, наприклад, зменшилась би у 4...5 разів . Адже метал, з якого виготовлений великий ротор, що швидко обертається, працює в дуже напружених умовах, так що зниження маси і розмірів істотно підвищує механічну надійність конструкції. Можна вказати і на ряд визначених економічних переваг: коефіцієнт корисної дії надпровідних машин вищий , ніж у генераторів традиційної конструкції.

Переваги надпровідних машин стають особливо помітними при потужності генератора більш 1000 МВт. Надпровідники знімають з порядку денного проблему "ліміту потужності", даючи фантастичну можливість будівлі генераторів потужністю аж до 20 000 МВт. Роботи, зв'язані зі створенням могутніх і економічних генераторів, ведуться зараз широким фронтом. Перша експериментальна модель такого генератора була побудована ще в 1967 році. Вона мала потужність усього лише 600 Вт. А в 1982 році був випробуваний генератор потужністю вже 20 МВт. Результати цих експериментів дозволили приступити до будівлі надпровідного генератора потужністю 300 МВт.