надпровідність металів
Надпровідність металів була відкрита в 1911 р а її природа була з'ясована в 1957 р У теорії надпровідності так звана критична температура зв'язується з характеристиками самого металу. Надпровідність з'являється в тих випадках, коли електрони і іони взаємно притягуються. Це тяжіння відноситься тільки до частини електронів, що мають найбільшу енергію, близьку до енергії Фермі ε F (назва дана по імені видатного італійського фізика Енріко Фермі, який побудував в 1942 р перший ядерний реактор і зробив ряд відкриттів в області фізики). При абсолютному нулі (T = 0 ° К) в НЕ сверхпроводящем металі всі електрони провідності мають енергію ε, меншу або рівну ε F.
У створенні електричного струму фактично беруть участь тільки електрони з енергією, близькою до енергії Фермі, і для виникнення надпровідності необхідно тяжіння між цими електронами. Якщо таке тяжіння є, то електрони з протилежними напрямками імпульсу як би злипаються, утворюючи пари електронів. Для розриву цієї пари електронів необхідна деяка енергія. У звичайному, неспареними стані електрони розсіюються в домішках, вкраплених в метал, або неоднорідностях, що виникають в металі в результаті теплового руху (теплове коливання решітки). Розсіюванням електронів при їх впорядкованому русі і обумовлено електричне Опір металів. Коли ж електрони перебувають в спареному стані, вони не розсіюються на коливання решітки чи електричних опір зникає з'являється надпровідність. При цьому критична температура Т до відповідає енергії спарювання. За теорією Бардіна, Купера і Шиффера критична температура
де е ≈ 2,72; θ D - деяка характерна температура, звана дебаєвської, приблизно рівна 500 ° К; g - постійна, пропорційна силі тяжіння між електронами, що дорівнює ½.
Електрони при своєму русі в кристалі збуджують коливання решітки. І, навпаки, коливання решітки можуть впливати на електрони, розсіюючи їх або повідомляючи їм енергію. Квантова фізика пояснює це явище сукупністю фононів - квантів механічних коливань. Електрон в твердому тілі при певних умовах може породжувати фонони, а також здатний їх поглинати і розсіювати. Можливий процес, коли один з електронів випускає фонон, а інший його поглинає. Подібна взаємодія відповідає взаємною тяжінню електронів. Крім того, на електрони діють електростатичні сили відштовхування, ослаблені через наявність електронів та іонів, що утворюють метал Якщо електростатичне відштовхування сильніше тяжіння, то спарювання електронів не відбувається і в металі не може виникнути надпровідність. І, навпаки, якщо тяжіння превалює, то метал стає надпровідників. Тепловий рух в металі, що посилюється з ростом температури, розриває електронні пари, і при температурах вище Т до надпровідність зникає.
Явище надпровідності родинно явищу надплинності. Для підтримки в надпровіднику електричного струму не потрібно зовнішньої різниці потенціалів. Носієм електричного струму в металі є електрони. Властивість надпровідності є, тому нічим іншим, як властивість надплинності електронної рідини. Але для електронної рідини в металі зміна її щільності пов'язано зі значною витратою енергії, оскільки цьому перешкоджають кулонівських сили, що діють між електронами і гратами і між самими електронами. Зміна щільності електронної рідини порушує умову електронейтральності, тому відповідний спектр довгохвильових коливань, подібно до того як це має місце в плазмі, починається з деякої кінцевої частоти. При постійному струмі "нормальні" електрони не прискорюються, так як в надпровіднику відсутня електричне поле. При постійному струмі електричне поле викликає появу "нормального" струму 1 н. підкоряється закону Ома, з виділенням джоулева тепла. Цей ефект стає помітним тільки при частотах ω / 2π, δостаточно високих для того, щоб глибина проникнення стала порівнянною з довжиною хвилі λ, і спостерігається в діапазоні сантиметрових хвиль. На ще більш високих частотах струм I н починає повністю превалювати над струмом надпровідності I s. Перехід з надпровідного в нормальний стан буде здійснюватися на частотах, для яких hν ≈ kT K.
При постійному і змінному струмі частотою менше 10 МГц спостерігається різке падіння опору до нуля. При більш високих частотах опір надпровідника при температурі нижче Т до зберігає кінцеве значення, тим більше, чим вище частота.
В чистих металах перехід в надпровідний стан супроводжується зменшенням теплопровідності. Це вказує на те, що в умовах надпровідності електрони перестають взаємодіяти з гратами і не беруть участь в перенесенні тепла. Перехід зі звичайного стану в надпровідний є фазовим переходом П-роду і супроводжується малими змінами інших властивостей надпровідника. Надпровідний (основне) стан віддалене від нормального (порушеної) до стану при температурі нижче Т до енергетичної щілиною шириною δE ≈ 10 4 ев. Втрата зв'язку електронів з гратами в надпровідної області призводить до швидкого зменшення загасання. Згідно мікроскопічної теорії відношення коефіцієнтів загасання сверхпроводящей і звичайної фаз визначається формулою
Надпровідність спостерігається в ряді металів, які займають певні області в періодичній системі елементів Менделєєва. У табл. 1-1 наведені надпровідні метали і чисельні значення їх критичної температури.
Надпровідність виявлена також у величезному числі сплавів і більш ніж в 50 з'єднаннях. Сплави, т. Е. Надпровідники з домішкою атомів інших елементів і іншими порушеннями решітки, становлять великий практичний інтерес.
Надпровідність спостерігається в надпровідних металах і сплавах нижче деякої критичної температури Т к. При цьому проходить через надпровідник ток і відповідна йому напруженість магнітного поля повинні бути нижче критичних значень I до і T к. Значення I до і T до залежать від температури Т і прагнуть до нулю при зростанні Т до Т к. Існування критичних температур, струмів і напруженостей магнітного поля Т к. I до і H до обмежує технічне використання надпровідності. Так, критична температура свинцю дорівнює 7,3 ° К, а сплаву ніобію з оловом (Nb 3 Sn) 18,1 ° К (найвища відома критична температура). Для отримання температури нижче 18 ° К використовуються рідкі водень і гелій (температури кипіння за атмосферним тиском рівні відповідно 20,4 і 4,2 ° К).