Сверхпроводники 1 и 2 рода кратко

Обновлено: 05.07.2024

В 1911 году нидерландский физик Х. Камерлинг-Оннес получил, что при $T=4,3 K$ у ртути отсутствует сопротивление электрическому току. Причем падение сопротивления идет скачком в интервале несколько сотых градуса. Позднее обнаружилось, что резкое уменьшение сопротивления можно наблюдать и у других чистых веществ и некоторых сплавов. Это явление назвали сверхпроводимостью Температура перехода в состояние сверхпроводимости у разных веществ разные, но всегда очень низкие.

Если возбудить электрический ток в кольце из сверхпроводника при помощи такого явления, как электромагнитная индукция, то сила тока может не изменяться до нескольких лет.

Возьмем кольцо из проволоки.
Поместим его в магнитное поле.
Выключим магнитное поле (быстро удалим магнит). В кольце появится ток индукции.

Данный ток будет идти очень короткое время, поскольку ЭДС индукции действует только в момент отключения магнитного поля. После прекращения работы ЭДС перестает идти ток в проводнике.

Проведем ту же последовательность действий со сверхпроводником, сопротивление которого равно нулю. В материале сверхпроводника отсутствуют силы, препятствующие движению электронов. Следовательно, для поддержания тока в проводнике нет необходимости во внешнем электрическом поле, значит, источник ЭДС не нужен. Ток в сверхпроводнике может существовать долгое время и после прекращения действия электродвижущей силы. В подобном эксперименте Камерлинг – Оннес наблюдал наличие тока в сверхпроводнике в течение почти четырех суток, после выключения магнитного поля. В этом опыте кольцо из свинца поддерживалось при очень низкой температуре около 7К.

Критическая температура

Верхним пределом удельного сопротивления сверхпроводников считают менее $\rho

Явление скачкообразного уменьшения сопротивления веществ при низких температурах назвали сверхпроводимостью.

Температура, при которой сопротивление вещества становится равным нулю стали называть критической температурой ($T_k$).

Готовые работы на аналогичную тему

Сопротивление веществ до их перехода в сверхпроводящее состояние может быть разным. Многие из них при комнатных температурах могут обладать высоким сопротивлением. Как уже отмечалось, переход в сверхпроводящее состояние происходит очень резко. У чистых монокристаллов интервал температур перехода составляет менее тысячной градуса.

Свойство сверхпроводимости связано со структурой кристаллической решетки. Так, белое олово проявляет свойства сверхпроводника, а серое не проявляет, ртуть имеет сверхпроводящие свойства только в $\alpha$ - фазе.

Критическое поле

В 1914 г. Камерлинг – Оннес выявил, что состояние сверхпроводимости можно разрушить при помощи магнитного поля, если величина магнитной индукции его выше некоторого критического значения. Это значение зависит от материала сверхпроводника и его температуры.

Критическое поле может создать сам сверхпроводящий ток. Следовательно, есть критическая величина силы тока, при которой состояние сверхпроводимости подвергается деструкции.

Эффект Мейсснера

В 1933 году ученые Мейсснер и Оксенфельд выявили, что внутри сверхпроводников полностью отсутствуют магнитные поля. Если сверхпроводник охлаждать во внешнем постоянном магнитном поле, то в момент перехода в состояние сверхпроводника магнитное поле полностью вытесняется из объема материала.

В этом состоит принципиальное отличие сверхпроводника от идеального проводника. У проводника при уменьшении удельного сопротивления индукция магнитного поля в его объеме должна сохраняться без изменений.

Явление вытеснения магнитного поля из объема сверхпроводника называют эффектом Мейсснера.

К важнейшим свойствам сверхпроводников относят:

Отсутствие сопротивления.
Эффект Мейсснера.

Поверхностный ток

Так как в объеме сверхпроводника отсутствует магнитное поле, то в нем имеются только токи, текущие по поверхности. Эти токи физически реальны. Они локализованы в тонком слое около поверхности тела.

Магнитные поля поверхностных токов нивелируют внешнее магнитное поле внутри сверхпроводника. Получается, что сверхпроводник ведет себя формально как диамагнетик. Но таковым не является, поскольку его намагниченность равна нулю внутри него.

Сверхпроводники первого и второго рода

Чистые вещества (так называемы элементарные проводники), обладающие свойством сверхпроводимости очень немногочисленны. Более часто сверхпроводимость наблюдается у сплавов.

У элементарных сверхпроводников наблюдается полный эффект Мейсснера, тогда как у сплавов имеется только частичный эффект, то есть магнитное поле выталкивается из объема вещества не полностью.

Вещества, у которых возникает полный эффект Мейсснера, называют сверхпроводниками первого рода.

Вещества, у которых эффект Мейсснера проявляется частично, носят название сверхпроводников второго рода.

Природа сверхпроводимости

Сверхпроводимость можно сравнить со сверхтекучестью жидкости, которая создана из электронов. Явление сверхтекучести появляется в результате отсутствия обмена энергиями сверхтекучей составляющей жидкости и других ее частей, при этом исчезает трение. Важным моментом при этом является то, что молекулы этой жидкости как бы конденсируются на самом низком энергетическом уровне, который отделен от других уровней довольно широкой энергетической щелью. Эту щель силы взаимодействия не могут преодолеть. Это является причиной отсутствия взаимодействия.

Для того чтобы многие частицы могли локализоваться на низшем энергоуровне, нужно их подчинение статистике Бозе- Эйнштейна (это значит они должны иметь целочисленный спин).

Электроны подчинены статистике Ферми – Дирака, значит, не могут собираться не низшем энергоуровне и создавать сверхтекучую жидкость. Силы отталкивания, возникающие между электронами, в основном компенсируются силами притяжения к ионам кристаллической решетки. Но из-за тепловых колебаний атомов в узлах решетки между электронами может появляться притяжение, и они способны создавать пары (куперовские пары).

Куперовские пары ведут себя как частицы с целочисленным спином, это значит, что они подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна. Куперовские пары способны к концентрации, и они создают течение сверхтекучей жидкости, то есть электрический ток в состоянии сверхпроводимости. Выше самого низкого энергоуровня расположена энергетическая щель, которую пары не могут преодолеть за счет энергии взаимодействия с остальными зарядами, следовательно, она не изменяет свое энергетическое состояние. Как следствие – сопротивление вещества равно нулю.

Процесс возникновения куперовских пар и создания сверхтекучей жидкости объясняет квантовая теория.

Загадочные квантовые явления до сих пор удивляют исследователей своим невообразимым поведением. Ранее мы говорили о сверхтекучести, сегодня же рассмотрим другое квантово-механическое явление – сверхпроводимость.

Что такое сверхпроводимость? Сверхпроводимость – это квантовое явление протекания электрического тока в твердом теле без потерь, то есть при строго нулевом электрическом сопротивлении тела.

Предыстория

В конце XIX – начале XX столетия уже были получены такие сжиженные газы как кислород, азот, водород. Долгое время не поддавался сжижению гелий, при этом ожидалось, что он поможет достичь минимальной температуры.

Хейке Камерлинг-Оннес (справа) с помощником Герритом Флимом (слева)

История открытия

Одним из вопросов, которые интересовали Камерлинг-Оннеса, было изучение сопротивления металлов при сверхнизких температурах. Было известно, что с ростом температуры электрическое сопротивление также растет. Следовательно, можно ожидать, что с уменьшением температуры будет наблюдаться обратный эффект.

Экспериментируя с ртутью в 1911-м году, ученый довел ее до замерзания и продолжил понижать температуру. При достижении 4,2 К устройство перестало фиксировать сопротивление. Оннес заменял устройства в исследовательской установке, поскольку побаивался их неисправности, однако устройства неизменно показывали нулевое сопротивление, несмотря на то, что до абсолютного нуля оставалось еще 4 К.

Оннес предложил оригинальное исследование с непрямым измерением, до какого уровня понижается сопротивление. Возбужденный в полупроводниковой цепи электрический ток, который был измерен при помощи отклонения магнитной стрелки, не затухал несколько лет. Согласно результатам этого эксперимента, полученное посредством расчетов удельное электрическое сопротивление сверхпроводника равнялось 10−25 Ом•м. По сравнению с удельным электрическим сопротивлением меди (1.5۰10−8 Ом•м) данная величина меньше на 7 порядков, что делает ее практически нулевой.

Эффект Мейснера

Помимо сверхпроводимости, сверхпроводники обладают еще одной отличительной чертой, а именно – эффектом Мейснера. Это явление быстрого затухания магнитного поля в сверхпроводнике. Сверхпроводник является диамагнетиком, то есть в магнитном поле в сверхпроводнике индуцируются макроскопические токи, которые создают собственное магнитное поле, которое полностью компенсирует внешнее.

Магнит, левитирующий над высокотемпературным сверхпроводником, охлаждаемым жидким азотом

Эффект Мейснера пропадает в сильных магнитных полях. В зависимости от типа сверхпроводника (об этом далее) сверхпроводящее состояние при этом либо пропадает полностью (сверхпроводники I-го рода), либо сверхпроводник сегментируется на нормальные и сверхпроводимые области (II-го рода). Именно этот эффект способен объяснить левитацию сверхпроводника над сильным магнитом, либо магнита над сверхпроводником.

Теоретическое объяснение эффекта сверхпроводимости

Феноменологический подход. Хоть Камерлинг-Оннес и является первооткрывателем сверхпроводимости, первая теория сверхпроводимости впервые была предложена в 1935-м году немецкими физиками и братьями Фрицом и Гайнцом Лондонами. Ученые стремились математически записать такие свойства сверхпроводника как сверхпроводимость и эффект Мейснера, не вникая в микроскопические причины сверхпроводимости, феноменологически. Выведенные уравнения позволяли объяснить эффект Мейснера так, что внешнее магнитное поле могло проникать в сверхпроводник только на определенную глубину, зависящую от так называемой лондоновской глубины проникновения. Для объяснения сверхпроводимости, потребовалось предположение о том, что носителями тока в сверхпроводнике, как и в металле, являются электроны. При этом, нулевое сопротивление означает то, что электрон не испытывает столкновений во время своего движения. Так как это относится ко всем электронам проводимости, то имеет место ток электронов без сопротивления.

Очевидно, что данная теория не объясняет саму природу данного явления, а лишь описывает его и позволяет предсказывать его поведение в ряде случаев. Более глубокая, но также, феноменологическая теория была предложена в 1950-м году советскими физиками-теоретиками Левом Ландау и Виталием Гнизбургом.

Куперовская пара электронов, движущаяся сквозь решетку из положительных атомов. Первый электрон искажает решетку, создавая область повышенного положительного заряда, в которую втягивается второй электрон.

Позднее советский физик-теоретик Николай Боголюбов усовершенствовал теорию БКШ. В своих работах ученый подробно описал условия, при которых могут образовываться куперовские пары (энергия близкая к энергии Ферми, определенные спины и др.) в результате квантовых эффектов. По отдельности электроны представляют собой частицы с полуцелым спином (фермионы), которые неспособны образовывать конденсат Бозе-Эйнштейна и переходить в сверхтекучее состояние. Когда же имеется куперовская пара электронов, то она представляет собой квазичастицу с целым спином и является бозоном. При определенных условиях бозоны способны формировать конденсат Бозе-Эйнштейна, то есть вещество, частицы которого занимают одно и то же состояние, что приводит к возникновению сверхтекучести. Такая сверхтекучесть электронов и объясняет эффект сврехпроводимости.

Сверхпроводники в переменном электрическом поле

Кроме сверхпроводимости и эффекта Мейснера, сверхпроводники обладают рядом других свойств. Стоит отметить следующее — нулевое сопротивление сверхпроводников характерно только при постоянном токе. Переменное электрическое поле делает сопротивление сверхпроводника ненулевым и оно растет, с увеличением частоты поля.

Также как двухжидкостная модель разделяет сверхтекучий материал на область сверхтекучести и область обычного вещества, так разделяется и поток электронов на сверхпроводящие и обычные. Постоянно поле ускоряло бы сверхпроводящие электроны до бесконечности (учитывая их нулевое сопротивление), что невозможно, потому оно обращается в ноль при попадании в сверхпроводник. Так как постоянное электрическое поле не действует на сверхпроводники, то и обычные электроны не подвержены его воздействию (оно просто выталкивается наружу), а значит движение представлено лишь сверхпроводящими электронами.

В случае с переменным электрическим полем происходит процесс ускорения электронов с последующим замедлением, что физически возможно. В таком случае имеет место и ток обычных электронов, которые обладают свойством сопротивления. Чем выше частота такого поля, тем большее проявляются эффекты, связанные с обычными электронами.

Момент Лондона

Еще одно интересное свойство сверхпроводника – момент Лондона. Суть феномена заключается в том, что вращающийся сверхпроводник создает магнитное поле, которое выравнивается точно вдоль оси вращения проводника.

Дальнейшее исследование этого явления привело к открытию гравити магнитного момента Лондона. В2006-м году исследователи Мартин Таджмар из института ARC Seibersdorf Research, Австрия, и Кловис де Матос из Европейского космического агентства (ESA) обнаружили, что вращающийся с ускорением сврехпроводник генерирует также и гравитационное поле. Однако такое гравитационное поле слабее земного примерно в 100 миллионов раз.

Классификация сверхпроводников

Существует несколько классификаций сверхпроводников, которые опираются на такие критерии:

Реакция на магнитное поле. Это свойство делит сверхпроводники на две категории. Сверхпроводники I-го рода имеют некоторое одно критическое значение магнитного поля, превысив которое, они теряют сверхпроводимость. II-го рода – имеют два предельных значения магнитного поля. При применении магнитного поля, ограниченного этими значениями, к сверхпроводникам этой категории, поле частично проникает внутрь, при этом сохраняя сверхпроводимость.
Критическая температура. Различают низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники. Первые обладают свойством сверхпроводимости при температурах ниже −196 °C или 77 К. Высокотемпературным сверхпроводникам достаточно температуры выше указанной. Такое разделение имеет место, так как высокотемпературные сверхпроводники могут применяться на практике в качестве охладителей.
Материал. Здесь выделяют такие разновидности как: чистый химический элемент (вроде ртути или свинца), сплавы, керамика, органические или на основе железа.
Теоретическое описание. Как известно, любая физическая теория имеет определенную область применения. По этой причине, для дальнейшего применения, имеет смысл разделять сверхпроводники по теориям, которые способны описать их природу.

Сверхпроводимость графена

За последние несколько лет известность графена значительно возросла. Напомним, что графен представляет собой слой модифицированного углерода, толщиной в один атом. В первую очередь, этому поспособствовало открытие углеродных нанотрубок – специфическому сверхпрочному материалу, который создается посредством сворачивания одного или нескольких слоев графена.

Применение сверхпроводников

На основе сверхпроводников уже создаются сверхмощные турбогенераторы, которые могут применяться на электростанциях.

Поезд на магнитном подвеске в Шанхае, Китай

Криотрон – еще одно применение сверхпроводимости, которое может быть полезно для техники и электронных приборов. Это такое устройство, которое может переключать состояние сверхпроводника из обычного в сверхпроводящее за очень короткое время (от 10⁻⁶ до 10⁻¹¹с). Криотроны могут быть использованы в информационных системах, связанных с запоминанием и кодированием. Так впервые они применялись как запоминающие устройства в ЭВМ. Также криотроны могут помочь в области криоэлектроники, среди задач которой – повысить чувствительность приемников сигнала и сохранить форму сигнала как можно лучше. Здесь достижению поставленных целей способствуют низкие температуры и эффект сверхпроводимости.

Самая близкая к идеальной сфера из всех когда-либо созданных человеком — ротор гироскопа GP-B. Сфера сделана из кварцевого стекла и покрыта тонкой плёнкой сверхпроводящего ниобия. Поверхности кварца отполированы до атомарного уровня.

Подводя итоги написанного выше, напрашивается вывод о перспективности эффекта сверхпроводимости во множестве областей, и большом потенциале сверхпроводников, в первую очередь в сферах электроснабжения и электротехники. Ожидаем в ближайшее время множество открытий в данной области.

В этой статье речь пойдёт о том, что такое сверхпроводимость.

Сверхпроводимость - это такое состояние материала при котором его сопротивление равняется нулю или максимально к нему приближено.

1. Как достигается сверхпроводимость?

Материал у которого имеется свойство сверхпроводимости помешают в среду с очень низкой температурой (для разных материалов она разная) и сопротивление проводника начинает сильно снижаться практически до нуля.

Если же температуру повысить до критического значения, то сверхпроводимость пропадёт.

График, показывающий, что при низких температурах удельное сопротивление равно нулю, но при росте температуры сверхпроводимость пропадает.

2. Какие сверхпроводники бывают?

Они делятся в основном на два типа: 1 рода и 2 рода.

Сверхпроводники первого рода при достижении критической температуры Т1 сразу теряют свойства сверхпроводимости.
Сверхпроводники второго рода при достижении критической температуры Т1 теряют сверхпроводимость лишь частично, но после достижения температуры выше, то есть Т2 - теряют полностью.

Ещё их можно разделить по температурам, при которых наступает сверхпроводимость.

Бывают низкотемпературные (
высокотемпературные

3. Какие материалы обладают сверхпроводимостью?

Сверхпроводниками могут являться, как чистые химические элементы (свинец или ртуть), сплавы (такие, как NbTi), керамика (например MgB2) и так далее.

4. Применение

В основном самое важное применение сверхпроводников - это передача электрической энергии без потерь.

По классической теории электронной проводимости удельное сопротивление металлов должно уменьшаться при снижении температуры, но при всех температурах являться конечным. Зависимость сопротивления прослеживается в эксперименте только при наличии высокой температуры. При температуре, равной несколько кельвинов, такая зависимость претерпит изменения. Удельное сопротивление становится независимым от температуры и стремится к некоторому определенному значению. Оно отлично как для веществ, так и их образцов. Опытным путем установили, что остаточное сопротивление тем меньше, чем чище металл и меньше структурных дефектов в образце.

При большем понижении температуры некоторые вещества характеризуются явлением сверхпроводимости. Оно было открыто Камерлинг-Онессом в 1911 году. Удельное сопротивление характеризовалось уменьшением в виде скачка при определенном значении температуры. Переход в сверхпроводящее состояние возможно при сниженных температурах.

Сверхпроводимостью обладают такие чистые вещества, как алюминий, кадмий, цинк, индий, галлий. Ее свойство связано со структурой кристаллической решетки.

Наличие сверхпроводимости возможно в соединениях или сплавах. Элементы, входящие в состав соединения, могут не являться сверхпроводниками.

Уменьшение сопротивления длится быстро в интервале нескольких сотых градуса.

Свойства сверхпроводников

В сверхпроводниках один раз возбужденный электрический ток может существовать без источника тока длительное время. Сопротивление отсутствует, поэтому время затухания имеет большое значение.

Внутри вещества в сверхпроводящем состоянии магнитная индукция равняется нулю. При охлаждении тела сверхпроводника произъодит переход в сверхпроводящее состояние. Если включить внешнее магнитное поле, индукция будет равняться:

При наличии магнитного поля в сверхпроводнике появляются индукционные токи, продолжающие дополнительную индукцию, то есть:

Используя закон Ленца, она компенсирует внешнюю B a → . Обычный проводник характеризуется быстрым затуханием индукционного тока, причем останется только поток, вызванный намагничивающей катушкой. В сверхпроводнике не происходит затухание компенсирующих токов, значит, значение суммарной индукции тела запишется:

Линии результирующей индукции во внешнем пространстве будут выталкиваться из тела, огибать его.

Сверхпроводящее вещество считается идеальным диамагнетиком при магнитной восприимчивости χ = - 1 и магнитной проницаемости μ = 1 + χ = 0 . Следовательно, плотность тока в толще массивного проводника равняется нулю. Нахождение тока сверхпроводящего тела возможно в тонком слое поверхности.

Магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости. Если значение напряженности магнитного поля растет выше определенного значения, то можно наблюдать разрушение сверхпроводимости. Сверхпроводник теряет свои свойства и становится проводником, а магнитное поле входит внутрь вещества. Критическим полем называют такое магнитное поле, при котором происходят данные процессы. Чем ниже температура сверхпроводника и больше разрыв между температурой перехода в состояние сверхпроводимости и температурой вещества в данный момент, тем больше магнитное поле, при котором происходит исчезновение сверхпроводимости. Если имеется значение температуры перехода в сверхпроводящее состояние, то критическое магнитное поле равняется нулю.

Разрушение сверхпроводимости в сверхпроводнике возможно при помощи наличия магнитного поля тока.

В 1935 году братья Лондоны обнаружили, что магнитное поле Н проходит внутрь сверхпроводника и падает в зависимости от значения глубины по закону:

λ L = m c c 2 4 π n s q e 2 обозначается в качестве глубины проникновения магнитного поля в сверхпроводник, n S – концентрацией электронов проводимости. Чистые металлы обладают глубиной проникновения, равной λ L ~ 10 - 5 с м .

Классификация сверхпроводников

Поверхностная энергия связана с наличием границ раздела между нормальной и сверхпроводящей фазами. Значение поверхностной энергии может быть положительным и отрицательным. Если оно больше нуля, то сверхпроводники получают название сверхпроводников первого рода, если меньше нуля – сверхпроводники второго рода.

Диаграмма состояния сверхпроводника 1 рода говорит о существовании только двух областей: сверхпроводящей и нормальной. Для сверхпроводника 2 рода имеются три области: сверхпроводящая, нормальная и смешанная, как показано на рисунке 1 . Вид кривой равновесия принимает параболическую форму. На ней имеются критические точки B k , T k . Благодаря наличию данных кривых понятно, что магнитное поле должно понизить критическую температуру, чтобы перейти в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводники второго рода могут применяться как соленоиды, которые служат для получения сильных магнитных полей. Сверхпроводники же первого рода использовать нельзя из-за низких критических магнитных полей.

Сила тока в сверхпроводнике формы бесконечно длинного цилиндра, равняется I . Проследить за изменением индукции магнитного поля с расстоянием от оси проводника.

Решение

Когда тело имеет форму бесконечно длинного цилиндра, то определение напряженности магнитного поля внешнего пространства идет при помощи значения полной силы тока:

Значение r является расстоянием от оси провода, где r ≥ R , R – радиус провода. Связь индукции с напряженностью выражается с формулой:

Когда В переходит внутрь провода, то по экспоненциальному закону происходит уменьшение до 0 .

Рисунок 2 показывает изменение индукции. Расстояние λ L от поверхности, при котором индукция магнитного поля уменьшается в е раз, получило название глубинного проникновения. Ее увеличение происходит за счет повышения температуры.

Произвести описание физической природы сверхпроводимости.

Решение

Главной особенностью поведения сверхпроводника считается свободное движение внутри вещества носителей заряда. Эффект является квантовым.

По закону Кулона между электронами металла действуют силы отталкивания. Этот процесс может быть ослаблен при помощи экранирующего действия ионов кристаллической решетки. Электроны движутся к ионам, даже при незначительном притяжении, но при наличии определенных условий притяжение превосходит отталкивание. Это характеризуется образованием пар электронов с нулевым спином. Они являются носителями тока в сверхпроводниках. Размер таких пар огромен, так как может достигать порядка микрон.

Читайте также: