явище надпровідності
Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
У 1911 році голландський вчений Каменлінг-Оннес виявив, що питомий опір чистої ртуті при температурі К різко падав до нуля. Електричний струм в такому провіднику зберігався незмінним як завгодно довго. Це явище отримало назву надпровідності.
На рис.3.8. показана температурна залежність питомого опору надпровідника. Температура. при якій відбувається перехід металу в надпровідний стан, називається критичною температурою.
Рис.3.8. Температурна залежність питомого опору надпровідника
В даний час надпровідність виявлена у 22 хімічних елементів (Pb, Zn, Al і ін.) І більш ніж у 100 металевих сплавів (наприклад Au2 Bi).
Довгий час надпровідний стан різних металів і сполук вдавалося отримати лише при дуже низьких температурах, досяжних за допомогою рідкого гелію. До початок 1986 р максимальне спостерігалося значення критичної температури становило 23 К. У 1986-1987 рр. був виявлений ряд високотемпературних надпровідників із критичною температурою близько 100 К, а потім і вище. Це було важливим стрибком, так як був подоланий «азотний кордон»: така температура досягається за допомогою рідкого азоту. На відміну від гелію рідкий азот отримують в промисловому масштабі.
Всі відкриті до цих пір високотемпературні надпровідники належать до групи металооксидних кераміки (з'єднань типу Lа-Ва-Сu-О, Y-Ва-Сu-О). Дослідження вже відкритих і пошук нових високотемпературних надпровідників виробляються дуже інтенсивно в ряді країн (в тому числі і у нас в країні).
Розглянемо основні властивості надпровідників.
Надпровідний стан може бути зруйновано магнітним полем. При цьому байдуже, чи є це поле зовнішнім по відношенню до провідника або вона створена струмом, поточним по самому провіднику. Магнітне поле напруженістю. яке при даній температурі викликає перехід речовини з надпровідного стану в нормальний, називається критичним. Критичне поле залежить від температури T за законом
де H0 -Критичний поле при T = 0 К.
Графічно ця залежність зображена на рис.3.9. При величинах зовнішнього магнітного поля H. великих 2/3 HС. в надпровіднику виникає проміжний стан, що характеризується одночасним існуванням двох областей в нормальному і надпровідного стану.
Одним з властивостей надпровідника є повне виштовхування магнітного поля з внутрішнього обсягу при внесенні його під зовнішнє поле з напруженістю. Це явище називають ефектом Мейснера. Виштовхування магнітного поля надпровідників показано на рис.3.10.
Результуюча магнітна індукція в надпровіднику буде дорівнює нулю.
Звідси випливає, що відносна магнітна проникність надпровідника також дорівнює нулю, а магнітна сприйнятливість негативна і дорівнює (по модулю) одиниці. Тобто надпровідник є не тільки ідеальним провідником, а й ідеальним діамагнетиком.
Фізично ефект Мейснера пов'язаний з тим, що у надпровідника, поміщеного в слабке магнітне поле, в поверхневому шарі товщиною L »10 ¸100 нм наводяться кругові незгасаючі струми, які компенсують зовнішнє прикладена поле. Параметр L називають глибиною проникнення магнітного поля в надпровідник.
Перехід в надпровідний стан супроводжується зменшенням теплопровідності. Це вказує на те, що вільні електрони, відповідальні за перенесення тепла в металах, перестають взаємодіяти з гратами і брати участь в перенесенні тепла. При переході надпровідника в нормальний стан зростання ентропії становить близько 10 -3 R (тут R - універсальна газова постійна). Мала різниця ентропій двох станів дозволяє припустити, що, хоча надпровідний стан є більш упорядкованим, воно, ймовірно, охоплює лише невелику частину електронів.
Мікроскопічна теорія надпровідності була розроблена в 1957 р Боголюбовим М.М. Дж.Бардіним, А.Купером і Дж.Шріффером. Розглянемо коротко суть цієї теорії.
Вільні електрони металу утворюють електронний газ, що підкоряється статистиці Фермі-Дірака. Між електронами діють сили відштовхування, які в значній мірі послаблені наявністю поля позитивних іонів, що знаходяться у вузлах кристалічної решітки. Участь решітки може призвести до появи між електронами, крім сил кулонівського відштовхування, ще й сил взаємного тяжіння. При певних умовах сили тяжіння можуть переважати над силами відштовхування. Якщо один з електронів виявляється поблизу іона, то він викликає зміщення цього іона від положення рівноваги - виникає елементарне збудження кристалічної решітки. При переході решітки в основне збудженому стані випромінюється квант теплової енергії (звуковий частоти) - фонон. який поглинається іншим електроном. В результаті між двома електронами виникає тяжіння за допомогою обміну фононами, тобто утворюється так звана куперівська пара.
Електрони, що утворюють куперовской пару, мають антипаралельні спини, сумарний (загальний) спін такої пари дорівнює нулю, і тому вона є бозоном. До бозонів принцип Паулі непридатний, тому число бозе-частинок, що знаходяться в одному і тому ж квантовому стані, не обмежена.
При низьких температурах бозони скупчуються в основному стані, з якого їх важко перевести в збуджений стан. З точки зору зонної теорії рівень основного стану розташовується нижче рівня Фермі і відділений від інших рівнів енергетичним зазором (щілиною) шириною DEs (рис.3.11). Ширина енергетичного зазору при Т = 0 До виявилася рівною приблизно 3,5 kTС.
Мінімальна порція енергії, яку може отримати куперівська пара на основному рівні, дорівнює DES. При низькій температурі таку енергію вона отримати від решітки не може. Тому електрони рухаються в металі, не втрачаючи енергії, без гальмування. З підвищенням температури ширина енергетичного зазору зменшується, електронні пари розриваються. При температурі ТЗ ширина енергетичного зазору звертається в нуль, і надпровідний стан зникає.
Відстань між електронами в куперовской парі
де vF - швидкість електрона на рівні Фермі.
Оцінка показує, що # 948; ≈10 -6 м; це означає, що електрони перебувають один від одного на відстані порядку 10 4 періодів решітки (d
10 -10 м). Всі електрони провідності при являють собою пов'язаний колектив, що складається з куперовских пар, що тягнеться на весь обсяг кристала. Особливістю такого колективу електронів в надпровідники є неможливість обміну енергією між електронами і гратами малими порціями, меншими, ніж енергія зв'язку куперовской пари.
При русі такого колективу електронів не відбувається розсіювання електронних хвиль на теплових коливаннях ґрат або домішках, вони оминають вузли решітки або атоми домішок, не змінюючи своєї енергії. А це означає відсутність електричного опору.
Властивості надпровідників роблять їх перспективними матеріалами для практичного використання в електротехніці та енергетиці. В даний час втрати на джоулево тепло в підвідних проводах оцінюється величиною 30-40%, тобто більше третини всієї виробленої енергії витрачається дарма - на «опалення» Всесвіту. Якщо ж передавати електроенергію по надпровідним проводах з нульовим опором, то таких втрат не буде взагалі. На основі надпровідників можна створювати електродвигуни та генератори з високим ККД.
За допомогою надпровідних котушок і соленоїдів вже зараз створюються величезні магнітні поля аж до 16 МА / м. Такі поля потрібні для вирішення проблеми керованого термоядерного синтезу для утримання гарячої плазми, для розробки транспорту магнітної на подушці, магнітних підшипників, детекторів НВЧ та інших пристроїв.