Магнитные и электрические свойства сверхпроводников реферат
Обновлено: 05.07.2024
Содержание
Введение…………………………………………………………………..2
1.Явление сверхпроводимости…………………………………………..3
2.Свойства и эффекты сверхпроводников
2.1.Эффект Мейснера………………………………………………….5
2.2. Микроскопическая теория сверхпроводимости Бардина -
Купера -Шриффера (БКШ) и Боголюбова…………………………….5
2.3. Эффект Джозефсона………………………………………………..6
2.4. Влияние кристаллической решетки……………………………. 6
2.5. Изотопический эффект……………………………………………..7
2.6. Сверхпроводники первого рода……………………………………7
2.7. Сверхпроводники второго рода……………………………………8
3.Применение сверхпроводников………………………………………10
Заключение………………………………………………………………..11
Список литературы……………………………………………………….12
Вложенные файлы: 1 файл
физика.docx
1.Явление сверхпроводимости………………………………… ………..3
2.Свойства и эффекты сверхпроводников
2.2. Микроскопическая теория сверхпроводимости Бардина -
Купера -Шриффера (БКШ) и Боголюбова…………………………….5
2.4. Влияние кристаллической решетки……………………………. 6
2.6. Сверхпроводники первого рода……………………………………7
2.7. Сверхпроводники второго рода……………………………………8
3.Применение сверхпроводников…………………………………… …10
Карл Мюллер и Георг Беднорц в 1986 г открыли первое соединение из класса высокотемпературных сверхпроводящих купратов La2-xBaxCuO4, за это открытие в 1987 г. им была присуждена Нобелевская премия. Это открытие дало сильный рывок исследованиям в данной области и уже через семь лет рывок в 1000 с 300 К до 1300 К (1650 К под давлением ).
Результат этого исследования оказался неожиданным: при температуре ниже 4,15 К1 сопротивление почти мгновенно исчезло. Электрический ток — это движение заряженных частиц. Уже в то время было известно, что электрический ток в твердых телах — это поток электронов. Они заряжены отрицательно и намного легче, чем атомы, из которых состоит всякое вещество.
Внешние электроны называются валентными. В веществах, именуемых металлами, они действительно отрываются от атомов, когда те объединяются в твердое тело, и образуют газ почти свободных электронов.
Если мы создали электрическое поле — приложили к исследуемому кусочку вещества напряжение, в электронном газе возникнет ветер как бы под действием разности давлений. Этот ветер и есть электрический ток.
1. Явление сверхпроводимости.
Явление, заключающееся в полном исчезновении электрического сопротивления проводника при его охлаждении ниже критической температуры, было открыто нидерландским физиком Х.Камерлинг-Оннесом в 1911 году, а удовлетворительное объяснение, отмеченное именами американских физиков Л.Купера, Дж.Бардина ,Дж.Шриффера, советского математика и физика Н.Н.Боголюбова, получило практическое использование этого явления в середине шестидесятых годов, после того как были разработаны сверхпроводящие материалы, пригодные для технических применений - настолько трудна была проблема.
Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соединений и сплавов (Тк 23К), а также у керамик (Тк > 77,4К – высокотемпературные сверхпроводники.)Синтезом всё новых и новых материалов уже удалось поднять сверхпроводимость до 160 К(почти –100 °C.В составе всех этих высокотемпературных сверхпроводников ВТСП обязательно присутствуют ионы меди СuO(роль их в возникновении сверхпроводимости пока не ясна ), которые служат как бы микроскопическими магнитами. Сверхпроводимость материалов с Тк 23К объясняется наличием в веществе пар электронов, обладающих энергией Ферми, с противоположными спинами и импульсами (пары Купера), которые образуются благодаря взаимодействию электронов с колебаниями ионов решетки – фононами. Все пары находятся, с точки зрения квантовой механики, в одном состоянии (они не подчиняются статистике Ферми т.к. имеют целочисленный спин) и согласованы между собой по всем физическим параметрам, то есть образуют единый сверхпроводящий конденсат.
Сверхпроводимость керамик, возможно, объясняется взаимодействием электронов с каким-либо другими квазичастицами. У сверхпроводимости три врага: высокие температуры, мощные магнитные поля и большие токи. Если их величины превысят предельные значения, называемые критическими, сверхпроводимость исчезает, сверхпроводник становится обычным проводником. По взаимодействию с магнитным полем сверхпроводники делятся на две основные группы: сверхпроводники I и II рода.
При крайне низких температурах целый ряд веществ обладает сопротивлением по крайней мере в 10-12 раз меньше, чем при комнатной температуре. Эксперименты показывают, что если создать ток в замкнутом контуре из сверхпроводников, то этот ток продолжает циркулировать и без источника ЭДС. Токи Фуко в сверхпроводниках сохраняются очень долгое время и не затухают из-за отсутствия джоулева тепла (токи до 300А продолжают течь много часов подряд). Изучение прохождения тока через ряд различных проводников показало, что сопротивление контактов между сверхпроводниками также равно нулю. Отличительным свойством сверхпроводимости является отсутствие явления Холла. В то время, как в обычных проводниках под влиянием магнитного поля ток в металле смещается, в сверхпроводниках это явление отсутствует. Ток в сверхпроводнике как бы закреплен на своем месте.
Сверхпроводимость исчезает под действием следующих факторов:
1) повышение температуры;
2) действие достаточно сильного магнитного поля;
3) достаточно большая плотность тока в образце;
С повышением температуры до некоторой Tс почти внезапно появляется заметное омическое сопротивление. Переход от сверхпроводимости к проводимости тем круче и заметнее, чем однороднее образец ( наиболее крутой переход наблюдается в монокристаллах).
В процессе работы над индивидуальным проектом по физике "Сверхпроводники, их свойства и применение" учащейся Кубанского института профессионального образования была поставлена и реализована цель выявить перспективы использования сверхпроводимости и определить способы их применения.
Подробнее о проекте:
В ученической исследовательской работе по физике "Сверхпроводники, их свойства и применение" автор дает развернутое определение понятия "сверхпроводник", знакомится с историей открытия сверхпроводимости и рассматривает три основные теории в научном мире о сверхпроводимости и свойствах сверхпроводников.
В готовом творческом и исследовательском проекте по физике "Сверхпроводники, их свойства и применение" автор рассказывает об Эффекте Мейсснера, а также о магнитных свойствах и тех особенных свойствах сверхпроводников, которые используются в современных технологиях. В работе приведены характеристики сверхпроводимости, рассмотрено применение сверхпроводников и изучены магнитные поля.
Оглавление
Введение
Раздел 1.
1.1 Историческая справка.
1.2 Три имени, три буквы и неполная теория.
1.3 Температура.
1.4 Эффект Мейсснера.
Раздел 2.
2.1 Свойства сверхпроводников.
2.2 Магнитные свойства.
2.3 Особенные свойства сверхпроводников, которые используются в современных технологиях.
Раздел 3.
3.1 Характеристики сверхпроводимости.
3.2 Применение сверхпроводников.
3.3 Магнитные поля.
Вывод
Список литературы
Введение
В чем заключается явление сверхпроводимости? Сверхпроводимость представляет собой явление с нулевым электрическим сопротивлением и выбросом полей магнитного потока, возникающих в определенных материалах, называемых сверхпроводниками, при охлаждении ниже характерной критической температуры. Явление было обнаружено голландским физиком Хайке Камерлинг-Оннесом 8 апреля 1911 года в Лейдене.
Как и ферромагнетизм и атомные спектральные линии, сверхпроводимость является квантово-механическим явлением. Для него характерен эффект Мейснера - полный выброс линий магнитного поля изнутри сверхпроводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Такова суть явления сверхпроводимости. Возникновение эффекта Мейснера указывает на то, что сверхпроводимость нельзя понимать просто как идеализацию идеальной проводимости в классической физике.
Актуальность: Сегодня сверхпроводимость - это одна из наиболее изучаемых областей физики, явление, открывающее перед инженерной практикой серьёзные перспективы. Большое распространение получили приборы, основанные на явлении сверхпроводимости, без них уже не может обойтись ни современная электроника, ни медицина, ни космонавтика.
Цель: Выявить перспективы использования сверхпроводимости способы их применения.
- Ознакомиться с историей открытия сверхпроводимости.
- Изучить принцип действия
- Изучить основные виды сверхпроводимости.
- Узнать о применение сверхпроводников
Историческая справка
История В 1911 году, изучая свойства вещества при очень низкой температуре, голландский физик ХейкеКамерлинг-Оннес и его команда обнаружили, что электрическое сопротивление ртути падает до нуля ниже 4,2 К (-269°C). Это было самое первое наблюдение явления сверхпроводимости. Большинство химических элементов становятся сверхпроводящими при достаточно низкой температуре.
Ниже определенной критической температуры материалы переходят в сверхпроводящее состояние, характеризующееся двумя основными свойствами: во-первых, они не оказывают сопротивления прохождению электрического тока. Когда сопротивление падает до нуля, ток может циркулировать внутри материала без рассеивания энергии. Во-вторых, при условии, что они достаточно слабые, внешние магнитные поля не проникают в сверхпроводник, а остаются на его поверхности. Это явление изгнания поля стало известно как эффект Мейснера после того, как физик впервые наблюдал его в 1933 году.
Три имени, три буквы и неполная теория
Обычная физика не дает адекватного объяснения сверхпроводящего состояния, равно как и элементарная квантовая теория твердого состояния, которая рассматривает поведение электронов отдельно от поведения ионов в кристаллической решетке. Только в 1957 году три американских исследователя - Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер создали микроскопическую теорию сверхпроводимости.
Когда электрон проходит через эту решетку, ионы слегка двигаются, притягиваясь отрицательным зарядом электрона. Это движение генерирует электрически положительную область, которая, в свою очередь, привлекает другой электрон. Энергия электронного взаимодействия довольно слабая, и пары могут быть легко разбиты тепловой энергией - поэтому сверхпроводимость обычно возникает при очень низкой температуре.
Тем не менее, теория BCS не дает объяснения существованию высокотемпературных сверхпроводников при температуре около 80 K (-193 ° C) и выше, для которых необходимо задействовать другие механизмы связи электронов. На вышеописанном процессе и основывается применение явления сверхпроводимости.
Температура
В 1986 году было обнаружено, что некоторые купрат-перовскитовые керамические материалы имеют критическую температуру выше 90 K (-183 ° C). Такая высокая температура перехода теоретически невозможна для обычного сверхпроводника, что приводит к тому, что материалы называют высокотемпературными сверхпроводниками.
Доступный охлаждающий жидкий азот кипит при 77 К, и, таким образом, сверхпроводимость при более высоких температурах, чем эти, облегчает многие эксперименты и применения, которые менее практичны при более низких температурах. Это ответ на вопрос, при какой температуре возникает явление сверхпроводимости.
Эффект Мейсснера
Удивительно, но до 1933 года, никто из исследователей не задался вопросом о проникновении магнитного поля в сверхпроводник. По-видимому ответ казался тривиальным и следовал из представления о сверхпроводнике как о проводнике с бесконечной проводимостью σ = ∞. В соответствии сэтими воззрениями при переходе в сверхпроводящеее состояние магнитное поле должно бы остатьсятаким же, каким было до перехода, или говоря другими словами, замораживаться. Действительно,из материального соотношения
j = σE
и условие конечности тока и бесконечности проводимости следует
E = 0,
откуда, используя уравнение Максвелла
∂B
∂t = −crotE,
мгновенно получаем
∂B
∂t = 0,
т.е поле B - постоянно во времени, заморожено. Если бы мы заморозили сверхпроводник в нулевомполе, а потом поле включили, мы получили бы картинку силовых линий как на Рис.4-(a), а еслиохлаждали в конечном поле, то поле не изменилось бы, и картинка была бы как Рис.4-(b).Австрийский ученый Мейсснер предположил что вопрос о проникновении магнитногополя всверхпроводник не совсем тривиален и в 1933 году предпринял экспериментальные исследованияи обнаружил эффект, который носит его имя.
Он обнаружил, что независимо от того в нулевомили конечном полепроисходит переход в сверхпроводящее состояние, в конечном состоянии внутрисверхпроводника всегда B = 0 и картинка силовых линий выглядит как показано на Рис.4-(a).Это и есть содержание эффекта Мейсснера, из сверхпроводника магнитное поле выталкивается ивнутри сверхпроводника магнитное поле B = 0. Можно сказать, что сверхпроводник представляетсобой идеальный диамагнетик.
Свойства сверхпроводников
Большинство физических свойств сверхпроводников варьируются от материала к материалу, таких как теплоемкость и критическая температура, критическое поле и плотность критического тока, при которых разрушается сверхпроводимость. С другой стороны, существует класс свойств, которые не зависят от основного материала.
Например, все сверхпроводники имеют абсолютно нулевое удельное сопротивление при малых приложенных токах, когда отсутствует магнитное поле или в том случае, если приложенное поле не превышает критического значения. Наличие этих универсальных свойств подразумевает то, что сверхпроводимость является термодинамической фазой и, следовательно, обладает определенными отличительными свойствами, которые в значительной степени не зависят от микроскопических деталей .
Ситуация отличается в сверхпроводнике. В обычном сверхпроводнике электронная жидкость не может быть разделена на отдельные электроны. Вместо этого он состоит из связанных пар электронов, известных как куперовские пары. Это спаривание вызвано силой притяжения между электронами в результате обмена фононами.
Из-за квантовой механики энергетический спектр этой жидкости куперовской пары обладает энергетической щелью, то есть существует минимальное количество энергии ΔE, которое должно быть подано для возбуждения жидкости. Следовательно, если ΔE больше тепловой энергии решетки, заданной kT, где k - постоянная Больцмана, а T - температура, жидкость не будет рассеиваться решеткой. Таким образом, жидкость пары Купера является сверхтекучей, что означает, что она может течь без рассеивания энергии.
Магнитные свойства серхпроводников
Сверхпроводники типа I: те, которые имеют только одно критическое поле, Hc, и резко переходят из одного состояния в другое, когда оно достигнуто. Сверхпроводники типа II: имеющие два критических поля, Hc1 и Hc2, являющиеся совершенными сверхпроводниками под нижним критическим полем (Hc1) и полностью выходящие из сверхпроводящего состояния над верхним критическим полем (Hc2), находящиеся в смешанном состоянии между критическими полями.
Особенные свойства сверхпроводников, которые используются в современных технологиях
Сверхпроводники имеют сопротивление около нуля, а значит, могут проводить ток без тепловых потерь, если они находятся при температурах ниже критических, в магнитных полях и токах ниже критических.
В том случае, если сверхпроводники находятся в магнитных полях ниже некоторого критического значения, то сверхпроводник является идеальным диамагнетиком (магнитное поле внутрь сверхпроводника не проникает).
Если сверхпроводник имеет форму кольца или цилиндра, то его магнитный момент изменяется дискретно (на квант магнитного потока).
Если частота тока ниже критической, то поверхностное сопротивление сверхпроводника в десятки и даже сотни раз меньше, чем у хороших проводников при той же температуре.
Характеристики сверхпроводимости
В сверхпроводящих материалах характеристики сверхпроводимости появляются, когда температура T понижается ниже критической температуры Tc. Значение этой критической температуры варьируется от материала к материалу. Обычные сверхпроводники обычно имеют критические температуры в диапазоне от около 20 К до менее чем 1 К. Например, у твердой ртути критическая температура составляет 4,2 К.
По состоянию на 2015 г. самая высокая критическая температура, найденная для обычного сверхпроводника, составляет 203 К для H2S, хотя требовалось высокое давление около 90 гигапаскалей. Купратные сверхпроводники могут иметь гораздо более высокие критические температуры: YBa2Cu3O7, один из первых обнаруженных купратных сверхпроводников, имеет критическую температуру 92 К, и были найдены купраты на основе ртути с критическими температурами, превышающими 130 К.
Объяснение этих высокие критические температуры остаются неизвестными. Спаривание электронов из-за фононных обменов объясняет сверхпроводимость в обычных сверхпроводниках, но не объясняет сверхпроводимость в более новых сверхпроводниках, которые имеют очень высокую критическую температуру.
Применение сверхпроводников
На основе сверхпроводников уже создаются сверхмощные турбогенераторы, которые могут применяться на электростанциях.
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.
В 2015-м году Южная Корея объявила о намерении создать несколько тысяч километров сверхпроводящих линий электропередач. Если добавить к этому недавнее открытие сверхпроводимости графена при комнатной температуре, то в ближайшее время следует ожидать глобальные изменения в области электроснабжения.
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
- быстродействующие вычислительные устройства
- детекторы магнитного поля и излучений
- оборудование для связи в микроволновом диапазоне
- быстродействующие вычислительные устройства
- детекторы магнитного поля и излучений
- оборудование для связи в микроволновом диапазоне
Магнитные поля
Точно так же при фиксированной температуре ниже критической температуры сверхпроводящие материалы перестают сверхпроводить, когда прикладывается внешнее магнитное поле, которое больше критического магнитного поля. Это происходит потому, что свободная энергия Гиббса сверхпроводящей фазы увеличивается квадратично с магнитным полем, в то время как свободная энергия нормальной фазы примерно не зависит от магнитного поля.
Если материал сверхпроводящий в отсутствие поля, то свободная энергия сверхпроводящей фазы меньше, чем у нормальной фазы, и поэтому для некоторого конечного значения магнитного поля (пропорционального квадратному корню из разницы свободных энергий в нуле) две свободные энергии будут равны, и произойдет фазовый переход к нормальной фазе.
В более общем смысле, более высокая температура и более сильное магнитное поле приводят к уменьшению доли сверхпроводящих электронов и, следовательно, к большей глубине проникновения в Лондон внешних магнитных полей и токов. Глубина проникновения становится бесконечной при фазовом переходе.
Заключение
Из всего вышеприведенного можно сделать вывод, что сверхпроводимость это крайне интересная и ещё не до конца изученная особенность различных веществ. Но основным минусом, не позволяющем ввести сверхпроводники в повседневную жизнь, являются низкие температуры перехода веществ в сверхпроводящее состояние.
И если мы сможем преодолеть этот недостаток, сверхпроводники изменят нашу повседневную жизнь и уровень земных технологий. Ведь спустя почти сто лет со времени открытия сверхпроводимости она из разряда явлений уникальных и лабораторно-курьезных превратилась в общепризнанный факт и источник миллиардных доходов предприятий электронной индустрии.
Сверхпроводимость входит в число наиболее выдающихся открытий двадцатого столетия и заключается в способности некоторых веществ при очень низких температурах проводить электричество без сопротивления, т.е. становиться сверхпроводниками. Как было выяснено, сопротивление металлических проводников уменьшается при понижении температуры. Однако до конца XIX в. нельзя было проверить, как зависит сопротивление проводников от температуры в области очень низких температур.
Цель: изучить принцип действия сверхпроводников и способы их применения.
Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:
1.Узнать историю открытия;
2. Изучить принцип действия;
3.Выявить виды и свойства сверхпроводников;
4. Узнать о применение сверхпроводников.
Предварительный просмотр:
Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №5 с углубленным изучением химии и биологии
Учебная работа в рамках
обучающаяся 10Т класса Руководитель:
Александровна
учитель физики
- Введение стр. 1
- Историческая справка стр. 2
- Принцип работы стр. 4
- Свойства сверхпроводников стр. 5
- Применение сверхпроводников стр. 6
- Вывод стр. 7
- Список литературы стр. 8
Сверхпроводимость входит в число наиболее выдающихся открытий двадцатого столетия и заключается в способности некоторых веществ при очень низких температурах проводить электричество без сопротивления, т.е. становиться сверхпроводниками . Как было выяснено, сопротивление металлических проводников уменьшается при понижении температуры. Однако до конца XIX в. нельзя было проверить, как зависит сопротивление проводников от температуры в области очень низких температур.
Цель: изучить принцип действия сверхпроводников и способы их применения.
Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи :
1.Узнать историю открытия;
2. Изучить принцип действия;
3.Выявить виды и свойства сверхпроводников;
4. Узнать о применение сверхпроводников.
Он открыл и экспериментально исследовал явление сверхтекучести жидкого гелия, а также разработал установки для промышленного производства жидкого кислорода.
В 1911 году Камерлинг Оннес сделал удивительное открытие. Погрузив провод в жидкий гелий, температура которого составляла не более 4° выше абсолютного нуля, он выяснил, что при сверхнизких температурах электрическое сопротивление падает практически до нуля. При сверхнизких температурах электроны практически не испытывали сопротивления со стороны атомов кристаллической решетки металла и обеспечивали сверхпроводимость.
В 1957 года еще три физика-экспериментатора — Джон Бардин, Леон Купер и Джон Роберт Шриффер придумали объяснение этому эффекту. Теория сверхпроводимости теперь так и называется в их честь. Суть теории заключается в том, что два электрона в пустоте отталкиваются, но в металле положительные заряды ядер экранируют отрицательные заряды электронов, и отталкивание может почти полностью исчезнуть. Во многих случаях экранировка оказывается неполной, и тогда сверхпроводимость не наблюдается. В некоторых случаях решетка сжимается вокруг электрона, создавая, таким образом, облако положительных зарядов, обволакивающее этот электрон и притягивающее другие электроны. Результатом является возникновение незначительного притяжения между электронами. Поскольку это притяжение слабое, оно приводит всего лишь к тому, что электроны передвигаются парами; таким образом, возникает связь в тысячи раз слабее химической. Следовательно, куперовская пара подобна молекуле „двухэлектрона“, а переход в состояние сверхпроводимости можно считать превращением электронного газа в газ, состоящий из таких „молекул“.
- Явление сверхпроводимости возникает в металлах и их сплавах при очень низких температурах (25 К и ниже). Существуют справочные таблицы, в которых указываются критические температуры некоторых веществ.
- Так как сопротивление в сверхпроводимости отсутствует, следовательно, не происходит выделения тепла при прохождении через проводник электрического тока. Это свойство сверхпроводников широко используется.
- Для каждого сверхпроводника существует критическое значение силы тока, которое можно достигнуть в проводнике, не нарушая его сверхпроводимости. Это происходит потому, что при прохождении силы тока, вокруг проводника создается магнитное поле, а магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Поэтому сверхпроводники невозможно использовать для получения сколь угодно сильного магнитного поля.
- При прохождении энергии через сверхпроводник не происходит её потерь. Одним из направлений исследований современных физиков, является создание сверхпроводящих материалов при комнатных температурах.
В последние годы явление сверхпроводимости все более широко используется при разработке турбогенераторов, электродвигателей, униполярных машин, топологических генераторов, жестких и гибких кабелей, коммутационных и токоограничивающих устройств, магнитных сепараторов, транспортных систем и др. Следует также отметить такое направление в работах по сверхпроводимости как создание устройств для измерения температур, расходов, уровней, давлений и т.д.
Более подробно рассмотрим следующие направления в использование сверхпроводников:
Экранирование. Сверхпроводник не пропускает магнитный поток, следовательно, он экранирует электромагнитное излучение. Используется в микроволновых устройствах, а также при создании установок для защиты от излучения при ядерном взрыве
Аккумулирование. Возможность сверхпроводников аккумулировать электроэнергию в виде циркулирующего тока используется в современных промышленных аккумуляторах.
Вычислительные устройства. Комбинация полупроводниковых и сверхпроводящих приборов открывает новые возможности в конструировании аппаратуры. Ток в сверхпроводящих системах — идеальное запоминающее устройство, способное хранить колоссальное количество данных и выдавать их с фантастической скоростью.
Из всего вышеприведенного можно сделать вывод, что сверхпроводимость это крайне интересная и ещё не до конца изученная особенность различных веществ. Но основным минусом, не позволяющем ввести сверхпроводники в повседневную жизнь, являются низкие температуры перехода веществ в сверхпроводящее состояние. И если мы сможем преодолеть этот недостаток, сверхпроводники изменят нашу повседневную жизнь и уровень земных технологий. Ведь спустя почти сто лет со времени открытия сверхпроводимости она из разряда явлений уникальных и лабораторно-курьезных превратилась в общепризнанный факт и источник миллиардных доходов предприятий электронной индустрии.
ГОСТ
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.
Читайте также: