Сверхпроводимость

Сверхпроводимость

Сверхпроводимость

Сверхпроводимость, свойство многих проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определённой критической температуры Тк, характерной для данного материала. С. обнаружена у более чем 25 металлических элементов, у большого числа сплавов и интерметаллических соединений, а также у некоторых полупроводников. Рекордно высоким значением Тк (около 23 К) обладает соединение Nb3Ge.

  Основные явления. Скачкообразное исчезновение сопротивления при понижении температуры впервые наблюдал X. Камерлинг-Оннес (1911) на ртути (рис. 1).

Он пришёл к выводу, что ртуть при Т = 4,15 К переходит в новое состояние, которое вследствие его необычных электрических свойств может быть названо сверхпроводящим.

Несколько позднее Камерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление ртути восстанавливается при включении достаточно сильного магнитного поля (его называют критическим магнитным полем Нк). Измерения показали, что падение сопротивления до нуля происходит на протяжении очень узкого, но конечного интервала температур.

  Ширина этого интервала для чистых образцов составляет 10-3 — 10-4 К и возрастает при наличии примесей и других дефектов структуры.

  Отсутствие сопротивления в сверхпроводящем состоянии с наибольшей убедительностью демонстрируется опытами, в которых в сверхпроводящем кольце возбуждается ток, практически не затухающий с течением времени. В одном из вариантов опыта используются два кольца из сверхпроводящего металла.

Большее из колец неподвижно закрепляется, а меньшее концентрически подвешивается на упругой нити таким образом, что когда нить не закручена, плоскости колец образуют между собой некоторый угол. Кольца охлаждаются в присутствии магнитного поля ниже температуры Тк, после чего поле выключается.

При этом в кольцах возбуждаются токи, взаимодействие между которыми стремится уменьшить первоначальный угол между плоскостями колец. Нить закручивается, а наблюдаемое постоянство угла закручивания показывает, что токи в кольцах являются незатухающими.

Опыты такого рода позволили установить, что сопротивление металла в сверхпроводящем состоянии меньше чем 10-20 ом×см (сопротивление чистых образцов меди или серебра составляет около 10-9 ом×см при температуре жидкого гелия).

Однако сверхпроводник не является просто идеальным проводником, как это считалось ещё в течение более чем 20 лет после открытия С. Существование значительно более глубокого различия между нормальным и сверхпроводящим состояниями металла стало очевидным, после того как нем. физики В. Мейснер и Р.

Оксенфельд (1933) установили, что слабое магнитное поле не проникает в глубь сверхпроводника. Особенно важно, что это имеет место независимо от того, было ли поле включено до или после перехода металла в сверхпроводящее состояние. В отличие от этого, идеальный проводник (т. е.

проводник с исчезающе малым сопротивлением) должен захватывать пронизывающий его магнитный поток. Это различие иллюстрирует рис.

2 (а, б, в), на котором схематически изображено распределение поля вблизи односвязного металлического образца на трёх последовательных этапах опыта: а) образец находится в нормальном состоянии, внешнее поле свободно проникает в глубь металла; б) образец охлаждается ниже Тк, магнитное поле выталкивается из сверхпроводника (верхний рисунок), тогда как в случае идеального проводника распределение поля оставалось бы неизменным (нижний рисунок); в) внешнее поле выключается, при этом исчезает и намагниченность сверхпроводника. В случае идеального проводника поток магнитной индукции через образец сохранил бы свою величину, и картина поля была бы такой же, как у постоянного магнита.

  Выталкивание магнитного поля из сверхпроводящего образца (это явление обычно называют эффектом Мейснера) означает, что в присутствии внешнего магнитного поля такой образец ведёт себя как идеальный диамагнетик той же формы с магнитной восприимчивостью c= —1/4p.

В частности, если образец имеет форму длинного сплошного цилиндра, а внешнее поле Н однородно и параллельно оси цилиндра, то магнитный момент, отнесённый к единице объёма, будет равен М = —Н/4p. Это примерно в 105 раз больше по абсолютной величине, чем удельная намагниченность диамагнитного металла в нормальном состоянии.

Эффект Мейснера связан с тем, что при Н Тк; б) Т < Тк, внешнее поле Нвн ¹ 0; в) Т < Тк, Нвн = 0.

Рис. 5. Фазовая диаграмма для сверхпроводников 1-го и 2-го рода.

Рис. 4. Кривая намагничивания сверхпроводников 2-го рода.

Рис. 1. Зависимость сопротивления R от температуры Т для ртути (Hg) и для платины (Pt). Ртуть при Т = 4,12К переходит в сверхпроводящее состояние. R0°с — значение R при 0 °С.

Рис. 3. Кривая намагничивания сверхпроводников 1-го рода.

Рис. 6. Скачок теплоёмкости сверхпроводника в точке перехода (Тк) в отсутствии внешнего магнитного поля (Сс и Сн — теплоёмкость в сверхпроводящем и нормальном состояниях).

Оглавление

Источник: https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/100/163.htm

Сверхпроводимость при комнатной температуре: реванш советской науки

Сверхпроводимость

МОСКВА, 23 апр — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Ученые добились сверхпроводящего состояния вещества при рекордно высокой температуре — минус 13 градусов Цельсия. Для этого к образцу пришлось приложить давление около двух миллионов атмосфер. Подробностями уникального эксперимента с РИА Новости поделился один из авторов прорывной работы физик Виктор Стружкин.

«Тухлое» открытие нобелевского уровня

В 2015 году ученые из Германии, возглавляемые Михаилом Еремцом, опубликовали в Nature статью о том, что сероводород (H2S) становится сверхпроводником при 203 кельвинах (минус 70 градусов Цельсия). В СМИ это явление окрестили «тухлой» сверхпроводимостью.

В декабре прошлого года та же научная группа сообщила, что с супергидридом лантана (LaH10) добилась температуры перехода в сверхпроводящее состояние (Tc) на уровне 250 кельвинов. Их достижение превзошла группа Рассела Хемли из Университета Джорджа Вашингтона в США: 260 кельвинов, что соответствует минус 13 градусам Цельсия, обычной зимней температуре.

Это мировой рекорд на пути к одному из «священных граалей» физиков. Долго ли он продержится? Между занимающимися этой тематикой научными группами сильная конкуренция.

«Мы планируем ряд экспериментов с гидридами лантана и иттрия, чтобы приблизиться к сверхпроводимости при комнатной температуре», — комментирует РИА Новости Виктор Стружкин, коллега Хемли, один из авторов этого исследования.

Водород как металл

Сверхпроводимость известна больше века. Практически применяется с 1960-х, когда синтезировали ниобий-титан, переходящий в сверхпроводящее состояние при температурах жидкого гелия.

В 1990-х открыли сверхпроводники нового класса — купраты, бораты, пниктиды. Их называют высокотемпературными, хотя работают они при минус 196 градусах, в жидком азоте.

Для обоих видов сверхпроводников нужен криостат, что мешает их широкому распространению в электротехнике. Единственное массовое изделие, где они востребованы, — магнитно-резонансные томографы для медицины.

И вдруг такой научный прорыв. Причем с совершенно другим классом веществ — легкими соединениями на основе водорода, или гидридами.

«Сейчас только в них наблюдается сверхпроводимость при температурах, близких к комнатной.

С купратами и соединениями железа прогресса нет, так как неизвестен механизм сверхпроводимости в них, следовательно, непонятно, по каким параметрам оптимизировать сверхпроводящий переход.

В гидридах, напротив, все известно — там фононный механизм, описываемый теорией Бардина, Купера и Шриффера», — продолжает Стружкин.

Согласно теории БКШ (так ее называют для краткости), в кристаллической решетке вещества возникает фонон — область энергетического возбуждения. В ее центре находится ион, к которому стягиваются электроны. В результате образуется куперовская пара — два электрона, действующие как одна частица. Они движутся по кристаллической решетке, не встречая препятствий.

Эти куперовские пары обеспечивают сверхпроводимость — ток по образцу без сопротивления и, соответственно, потерь энергии.

Если металлы нужно охлаждать до температуры жидкого гелия, чтобы перевести в сверхпроводящее состояние, то для водорода и его соединений такого ограничения нет. Эту теорию британский физик Нейл Ашкрофт выдвинул еще в 1968 году.

Лишь спустя полвека, используя квантовую механику и получив в свое распоряжение мощные суперкомпьютеры, ученые выяснили, какие соединения перспективны в качестве сверхпроводников. Экспериментаторам осталось все это проверить.

В алмазных тисках

«Мы подготавливаем камеру с алмазными наковальнями и образцом диаметром около пятидесяти и толщиной два-три микрона. После этого отправляемся на синхротрон, где образец нагревается лазером.

Там мы убеждаемся с помощью дифракции рентгеновских лучей, что получена нужная фаза супергидрида, предсказанная в теории.

Затем в лаборатории проверяем сопротивление или магнитную восприимчивость в зависимости от температуры и, если все прошло удачно, регистрируем сверхпроводящий переход», — кратко излагает суть исследования Виктор Стружкин.

Он и его коллеги применили совершенно новый подход — синтезировали гидрид лантана прямо в ячейке с алмазными наковальнями под давлением 180 гигапаскалей. По мере остывания образца, на 260 кельвинах, в нем зафиксировали резкое уменьшение сопротивления, что означало переход в сверхпроводящее состояние.

Под давлением в двести гигапаскалей скачок произошел при 280 кельвинах.

«Обычно переход в сверхпроводящее состояние сопровождается эффектом Мейснера, когда магнитное поле вытесняется из образца. Этот момент фиксируется различными чувствительными методами. Другой подход — измерение электрического сопротивления, которое падает до нуля в момент перехода», — поясняет физик.

Доказать нулевое сопротивление из-за различных погрешностей в эксперименте технически сложно, поэтому часто дополнительно выполняют измерения в магнитном поле, которое должно снижать Тс.

«Если такое снижение наблюдается, то с большой долей вероятности переход — сверхпроводящий. Хотя даже в этом случае сверхпроводимость может осуществляться по поверхности образца. Для строгого доказательства необходимы измерения магнитной (объемной) восприимчивости и эффекта Мейснера», — уточняет он.

Все стадии эксперимента, включая измерения, — трудоемкие и требуют много времени. Чтобы только попасть на синхротрон, необходимо участвовать в конкурсе проектов. Получить доступ к установке удается всего несколько раз в год, в соответствии с ее рабочим циклом. Один опыт может длиться от нескольких недель до полугода, в зависимости от многих обстоятельств.

Камера высокого давления или криостат?

Нет сомнений, что физики получат сверхпроводник при комнатной температуре в самое ближайшее время. Научная значимость этого открытия огромна. А вот практические перспективы пока не проглядываются из-за очень высокого давления (как в недрах планет), под которым должен находиться материал. Без этого сверхпроводящее состояние исчезнет.

https://www.youtube.com/watch?v=kDxD2d8dkpk

Может быть, упаковать гидрид в какие-то наноструктуры, например углеродные нанотрубки, чтобы поддержать высокое давление? Такую идею высказал в разговоре с РИА Новости академик Вадим Бражкин, директор Института физики высоких давлений РАН в Троицке (ИФВД).

«Не думаю, что наноструктуры или тонкие слои способны поддерживать давление в двести гигапаскалей. Известно, что в гетероструктурах удается создавать стресс (давление) до двух гигапаскалей», — аргументирует Виктор Стружкин.

Он видит другой путь — помещать сверхпроводник в камеру высокого давления. Нужные условия там можно поддерживать годами.

Окажутся ли такие изделия более дешевыми в производстве и эксплуатации, чем низко- и высокотемпературные сверхпроводники, для которых требуется криостат, покажет только практика.

Прорыв, подготовленный в СССР

Прорыв в области сверхпроводимости — заслуга наших соотечественников, выходцев из ИФВД. Виктор Стружкин проходил там практику в лаборатории Ефима Ицкевича во время учебы в МФТИ. В 1980-м пришел туда по распределению и совместно с Вячеславом Крайденовым занимался тепловыми свойствами металлов при гелиевых температурах и высоком давлении.

«Через несколько лет я сменил тематику и начал исследовать оптические свойства аморфных материалов, занялся алмазными камерами в лаборатории Анатолия Макаровича Широкова вместе с Михаилом Еремцом и другими коллегами и студентами. Там же у нас возник интерес к высокотемпературным медным сверхпроводникам — купратам», — вспоминает ученый.

В 1987 году он приступил к изучению фононов и магнонов (магнитные возбуждения) в купратах, сотрудничая с Институтом физики твердого тела в Черноголовке.

«Я продолжал заниматься купратами во время стажировки в Германии в начале 1990-х, а затем стал работать с геофизической лабораторией в Институте Карнеги в Вашингтоне по исследованию сверхпроводников, благодаря замечательному методу измерений магнитной восприимчивости в алмазных ячейках, предложенному Юрием Тимофеевым из ИФВД», — рассказывает физик.

Его всегда интересовало, как получить материалы с максимальной сверхпроводящей температурой. А потенциальные рекордсмены в этой области — гидриды.

Сейчас Виктор Стружкин работает в геофизической лаборатории в Институте Карнеги в Вашингтоне, сотрудничает с ИФВД в Троицке и Институтом Дейва Мао в Китае.

Источник: https://ria.ru/20190423/1552922691.html

Сверхпроводимость металлов: значение и применение в физике

Сверхпроводимость

  • История сверхпроводимости
  • Открытие сверхпроводимости
  • Применение сверхпроводимости
  • История сверхпроводимости

    Для этого, пожалуй, придется вспомнить несколько дат и начать с 1911 года, когда голландский физик Камерлинг-Онкес в Лейденской лаборатории открыл новое явление сверхпроводимости.

    Затем ему же первому удалось получить сверхнизкую температуру и при минус 269 градусах превратить гелий в жидкость.

    Наконец появилась возможность охлаждать вещества в жидком гелии и изучать их свойства в совершенно новой, ставшей теперь доступной области температур.

    В то время многие считали (этого же мнения придерживался и Оннес), что с приближением к —273 градусам электрическое сопротивление любого металла должно падать до нуля. Как заманчиво было, наконец, проверить это! Но подтверждение не получалось.

    Может быть, виноваты примеси? Подходящим металлом, который можно было исследовать в очень чистом состоянии, Оннесу показалась ртуть. И действительно — как и предсказывала электронная теория металлов — с понижением температуры сопротивление ртути закономерно уменьшалось.

    Все шло нормально до четырех градусов, как вдруг сопротивление полностью исчезло. Исчезло внезапно, сразу — скачком.

    Впрочем, Омнес отнесся к этому довольно спокойно. Он принял это за подтверждение своей теории электрического сопротивления и назвал найденное им новое состояние ртути «сверхпроводящим». Но скоро выяснилось, что парадоксальный скачок сопротивления до нуля невозможно объяснить ни одной теорией и что открыл-то Оннес совсем не то, на что рассчитывал.

    Что могло измениться в металле, почему при некоторой температуре (Оннес назвал ее критической) электронам уже ничто не мешает двигаться, почему они перестают взаимодействовать с атомами кристаллической решетки, или, как говорят физики, перестают рассеиваться на колебаниях решетки?

    А может быть, сопротивление у вещества все же остается, просто становится таким маленьким, что его не удастся даже измерить? И сам Оннес, и многие экспериментаторы пытались «поймать» это остаточное сопротивление.

    Они использовали самые чувствительные методы, чтобы по затуханию электрического тока в сверхпроводящем кольце оценить величину сопротивления.

    Опыты эти продолжались до самого последнего времени и завершились знаменитым экспериментом Коллинза, где сверхпроводящее свинцовое кольцо с электрическим током сохранялось в жидком гелии около трех лет.

    Самые чувствительные методы не обнаружили уменьшения тока. Значит, не просто хорошая электропроводимость, а сверхпроводимость. Продолжать эксперимент не было надобности: он показал, что «сопротивление» сверхпроводника, по крайней мере, в биллион раз меньше, чем у самой чистой меди.

    Прошло 22 года, прежде чем было сделано второе, не менее поразительное открытие. Оказалось: сверхпроводимость — это не только «идеальная проводимость», но и «идеальный диамагнетизм». Напомним, что диамагнетики — это вещества, находящиеся «не в ладах» с магнитным полем.

    Помещенные в магнитное поле, они стремятся вытеснить его из себя и занять в пространстве такое положение, где напряженность поля минимальна. Как идеальный диамагнетик сверхпроводник не терпит внутри себя ни малейшего магнитного поля.

    Так, еще в 1933 году стало ясно, что нулевое сопротивление и нулевое магнитное поле — это два свойства сверхпроводящего состояния.

    Постепенно во всех крупнейших центрах Европы и Америки начали разворачиваться работы по сверхпроводимости. В крупнейших — потому что только самым мощным научным учреждениям было «по карману» содержать дорогостоящее холодильное хозяйство и установки ожижения гелия.

    Но ни высокая стоимость, ни дефицит жидкого гелия не помешали физикам за эти годы накопить большой фактический материал — открыть сотни новых сверхпроводников и обнаружить целый ряд совершенно неожиданных эффектов. Мы уже знаем около тысячи сверхпроводящих веществ — элементов, соединений, сплавов.

    Среди них — свыше двадцати элементов периодической системы Менделеева, вплоть до технеция, металла, который не существует на Земле в естественных условиях (его получают искусственно в атомных реакторах).

    Выяснилось, что сверхпроводимостью обладают сплавы металлов и неорганические соединения, состоящие из сверхпроводящих элементов и — что самое удивительное — не содержащие их.

    Долгое время первенство по самой высокой критической температуре держал нитрид ниобия (—259 градусов), потом была обнаружена сверхпроводимость при —256 градусах у силицида ванадия, а в 1954 году была зафиксирована рекордно высокая критическая температура: —254,8 градуса у станнида ниобия (сплава ниобия с оловом).

    По некоторым свойствам, главным образом магнитным, сверхпроводящие вещества стали разделять на сверхпроводники первого и второго рода. Все вещества с высокими критическими температурами оказались сверхпроводниками второго рода.

    У них обнаружились и другие важные свойства: высокие значения критического магнитного поля и критической плотности тока. Что это значит? Было известно: сверхпроводимость можно «разрушить», не только повышая температуру выше критической, но и действуя магнитным полем.

    Так вот, образцы этих соединений оставались сверхпроводящими, даже если через них в сверхсильном магнитном поле пропускали токи плотностью до миллиона ампер на квадратный сантиметр сечения.

    В те же самые годы сверхпроводимость усиленно атаковали с другой стороны. Здесь не жаловались на нехватку гелия, на сложность и дороговизну оборудования. Перед теоретиками стояли другие трудности — математические. Кто только не брался за решение загадки сверхпроводимости. Только к 1957 году барьеры были, наконец, преодолены.

    Открытие сверхпроводимости

    Итак, общая теория сверхпроводимости появилась. Основная ее идея такова. Частицы одного знака должны — по закону Кулона — отталкиваться друг от друга. Этот закон, конечно, соблюдается и в сверхпроводниках.

    Но кроме такого взаимодействия, оказывается, в металле может быть и другое — слабое притяжение, возникающее между электронами через промежуточную среду. Эта среда — сама решетка металла, или, говоря точнее, ее колебания.

    И вот, если появляются условия, когда это притяжение становится больше сил отталкивания, наступает сверхпроводимость.

    Сейчас уже никто не сомневается, что теория, в основном, правильно объясняет природу сверхпроводимости. Но значит ли это, что решены все проблемы? Спросите у теоретиков: «Почему у олова критическая температура равна 3,7 градуса, а у ниобия 9,2?». Увы перед такими важными вопросами теория пока пасует…

    Обычный путь в физике: явление открыли — объяснили — научились использовать. Чаще всего развитие теории и разработка способов применения идут параллельно.

    Разумеется, в такой непривычной, далекой от повседневного быта области, как сверхпроводимость, слово «применение» надо понимать несколько иначе, чем обычно – это не тракторы и не стиральные машины.

    Применять — значит использовать уникальные эффекты, заставить их «работать». Пусть сначала только в лаборатории, пусть без шумных успехов и сенсаций.

    А что, если попробовать изготовить сверхпроводящий магнит? — такой вопрос возник еще в двадцатые годы прошлого века. Известно ведь, наиболее сильные магнитные поля создают с помощью электромагнитов.

    Поля напряженностью до 20 тысяч эрстед удается получать таким методом довольно успешно, на сравнительно недорогих установках. А если нужны более сильные поля — сто и более тысяч эрстед? Мощность магнитов возрастает до миллионов ватт.

    Питать их нужно через специальные подстанции, а водяное охлаждение магнита требует расхода тысяч литров воды в минуту.

    Магнитное поле — электрический ток — сопротивление связаны в единую цепочку. Как заманчиво было бы вместо этих громоздких, сложных и дорогих устройств изготовить миниатюрную катушку из сверхпроводящей проволоки, поместить в жидкий гелий и, питая ее от простого аккумулятора, получать сверхсильные магнитные поля.

    Реализовать эту идею удалось значительно позже — только тогда, когда были открыты новые материалы с высокими критическими полями и токами: сначала ниобий, потом сплав ниобия с цирконием, титайом. И, наконец, ниобий — олово. Во многих лабораториях мира уже «трудятся» портативные сверхпроводящие магниты, дающие поля около 100 тысяч эрстед.

    И несмотря на дороговизну жидкого гелия, такие магниты значительно выгоднее обычных.

    Применение сверхпроводимости

    Сильные магнитные поля — это всего лишь одна из множества областей возможных и отчасти осуществленных использования сверхпроводимости.

    Точнейшие приборы физического эксперимента — сверхпроводящие гальванометры и детекторы излучений, резонаторы со сверхпроводящим покрытием для микроволновой техники и для линейных ускорителей тяжелых частиц, магнитные линзы для электронных микроскопов, электродвигатели на сверхпроводящих подшипниках без трения, трансформаторы и линии передач без потерь, магнитные экраны, аккумуляторы энергии, наконец, миниатюрные и быстродействующие «ячейки памяти» вычислительных машин — вот сильно сокращенный перечень проблем сегодняшней прикладной сверхпроводимости.

    Уже говорят о том, что всю классическую электротехнику можно «изобрести» заново, если строить ее не на обычных проводниках электрического тока, а на сверхпроводящих материалах.

    Ну, а если немножко помечтать? Ведь в космосе идеальные условия для работы сверхпроводящих устройств, идеальные условия сверхпроводимости. В вакууме космического пространства тело может нагреваться извне только за счет излучения (Солнца, например).

    Раз так, то достаточно любого непрозрачного экрана, и любой предмет в космосе полностью теплоизолирован. И раз сами элементы нашей воображаемой машины сверхпроводящие и ток течет по ним без сопротивления, тепло в них не выделяется. Жидкий гелий испаряться почти не будет, а значит, устройство сможет работать неограниченно долго.

    Вспомните опыт Коллинза, чья свинцовая баранка сохраняла ток почти три года.

    Представляете, где-нибудь на орбите вокруг Луны вращается эдакая криогенная вычислительная машина, одна обслуживающая целые отрасли земного хозяйства, науки и транспорта? А сверхпроводящие магниты,— может быть, именно они будут удерживать плазму в термоядерных реакторах будущего? Или охлажденные электрические кабели, по которым абсолютно без всяких потерь можно передавать электрическую энергию за десятки тысяч километров?

    Фантазия ли это? Все, о чем здесь говорилось, принципиально возможно. Значит, будет сделано. Но когда?

    Это прекрасная область, как для фантазии, так и для глубокой теоретической и экспериментальной работы.

    А пока сплав ниобий-олово остается единственным веществом с максимальной критической температурой минус 254,8 градуса, причем никто не может понять, за какие достоинства выделила его природа из тысяч других неорганических веществ.

    Никакие добавки других элементов, никакие изменения внутренней структуры этого сплава не смогли повысить его критической температуры.

    Поиски других, аналогичных, двойных и тройных сплавов тоже оказались безуспешными — ни разу никому не удалось подняться выше этого заколдованного числа — минус 254,8 градуса.

    Стали поговаривать о том, что, видимо, эта температура не случайна, вероятно, это предел, который не удастся перейти. Остается лишь найти этому факту теоретическое обоснование, разыскать причину, почему в металлических системах не может быть сверхпроводимости при более высоких температурах.

    При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

    Источник: https://www.poznavayka.org/fizika/sverhprovodimost-metallov-znachenie-i-primenenie-v-fizike/

    Природа сверхпроводимости

    Что же происходит в металлах при понижении их температуры до значений, близких к абсолютному нулю?

    Каждый атом состоит из ядра, заряженного положительно, и электронов, имеющих отрицательный заряд. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам. Чем ближе орбита к ядру, тем сильнее электрон к нему притягивается. Электроны, находящиеся на внешней орбите, называются валентными.

    Они легко отрываются от ядра, покидают свою орбиту и свободно перемещаются внутри кристаллической решётки. Под воздействием внешнего электрического поля их движение становится упорядоченным, они начинают двигаться в одном направлении. В металле возникает электрический ток.

    Однако на пути электронов возникают препятствия в виде узлов кристаллических решёток, их дефектов, или атомов примесей, которые присутствуют в веществе. Поэтому возникает электрическое сопротивление току. С понижением температуры нарушения структуры решёток, связанные с тепловыми колебаниями атомов, уменьшаются.

    Структура становится более правильной. Следовательно, уменьшается и сопротивление.

    Объяснение сверхпроводимости на микроскопическом уровне было дано в теории, названной БКШ в честь её создателей — американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера. В её основу положены куперовские пáры электронов.

    Леон Нил Купер

    При обычных условиях электроны являются фермионами, частицами с полуцелым спином, имеющим значение -1/2 или +1/2. Каждый из фермионов описывается своей волновой функцией. Двигаются они также поодиночке и самостоятельно преодолевают препятствия на своём пути.

    Но при определённых условиях они образуют пáры. Электроны со значениями спинов +1/2 и -1/2 объединяются и образуют связанное состояние, которое называют кýперовской парой. Эта пара имеет нулевой спин и удвоенный заряд электрона.

    А раз её суммарный спин равен нулю, то она обладает свойствами бозона. Бозоны образуют «бозе-конденсат», к которому присоединяются все свободные бозоны. Они становятся единым целым, способным двигаться, не реагируя ни на какие препятствия на своём пути.

    Так возникает ток сверхпроводимости.

    Критическая температура

    Оказалось, что не только ртуть обладает сверхпроводимостью при температурах, близких к абсолютному нулю. Такое свойство открыли у свинца, олова, таллия, урана и других металлов.

    Сверхпроводимость проявляется скачкообразно, когда вещество охлаждается до определённой температуры. Температуру Тс, при которой этот скачок происходит, называют критической. У каждого элемента, обладающего сверхпроводимостью, она своя.

    Например, ниобий переходит в состояние сверхпроводимости при 9 К, а вольфрам при 0,012 К.

    Сверхпроводимостью обладают не только чистые металлы, но и некоторые сплавы. Например, сплав ртути с золотом и оловом. Существуют даже сверхпроводящие сплавы, у которых один из элементов, входящих в его состав, может и не быть сверхпроводником.

    Если кольцо из сверхпроводника охладить до критической температуры и возбудить в нём электрический ток, то он будет течь даже после того, как уберут источник тока, и до тех пор, пока в кольце будет поддерживаться температура ниже критической. Но так происходит только в электрическом поле постоянного электрического тока. В переменном электрическом поле сопротивление сверхпроводника увеличивается, если увеличивается частота переменного тока.

    В 1983 — 1986 г.г. были созданы новые сверхпроводники. Это сверхпроводящие керамики, сверхпроводники на основе железа и др. Сверхпроводимость в них наступала при температурах, значительно превышающих температуру абсолютного нуля. В 1993 г. было открыто вещество, критическая температура которого равна 135 К.

    Эффект Мейснера

    В 1933 г. немецкий физик Вальтер Фриц Мейснер вместе с другим немецким физиком Робертом Оксенфельдом открыл ещё одно удивительное и важное свойство сверхпроводников — выталкивание магнитного поля из своего объёма. Это явление было названо эффектом Мейснера.

    Вальтер Фриц Мейснер

    Эффект Мейснера наглядно демонстрирует опыт, поставленный в 1945 г. российским физиком Владимиром Константиновичем Аркадьевым.

    В этом эксперименте постоянный магнит, поднесённый к чашечке, сделанной из сверхпроводящего металла, висит в пространстве над ней. Низкая температура чашечки поддерживается за счёт того, что её ножки погружены в жидкий гелий.

    Но почему же магнит не притягивается к чашечке? Дело в том, что незатухающий ток внутри сверхпроводника создаёт магнитное поле, направление которого противоположно направлению внешнего магнитного поля, создаваемого магнитом.

    Это поле уравновешивает и отталкивает внешнее поле, благодаря чему магнит будто парит в пространстве. Это явление называется магнитной левитацией.

    Если поместить сверхпроводник в магнитное поле и напряжённость этого поля увеличивать, то при определённом значении напряжённости, равной Нс , сверхпроводимость исчезает.

    Такое магнитное поле называется критическим полем. При напряжённости выше Нс сверхпроводник становится обычным проводником.

    Чем ниже температура сверхпроводника, тем большей должна быть напряжённость поля, способного разрушить сверхпроводимость.

    В чистых сверхпроводников, состоящих из одного вещества, магнитное поле будет выталкиваться до тех пор, пока напряжённость магнитного поля не достигнет значения Нс. Такие сверхпроводники называются сверхпроводниками I рода.

    А для сверхпроводящих сплавов таких значений два: Нс1 и Нс2 . Когда напряжённость внешнего магнитного поля достигнет значения Нс1 , это поле уже начнёт проникать внутрь сверхпроводника.

    Но его электрическое сопротивление всё ещё остаётся нулевым, и явление сверхпроводимости наблюдается. А когда напряжённость станет равна Нс2, сверхпроводимость исчезнет совсем.

    Такие сверхпроводники называются сверхпроводниками II рода.

    Применение сверхпроводников

    Открытие сверхпроводимости произвело настоящий переворот в науке. Сразу же появилось множество идей по использованию этого уникального явления в технике.

    При сверхнизких температурах ток проходит в сверхпроводниках практически без потерь. Поэтому их используют при создании различных кабелей, коммутационных устройств, электродвигателей, турбогенераторов, приборов для измерения температуры, давления и др.

    Они идеально подходят для создания электромагнитов. С их помощью создаётся электромагнитное поле в магнитно-резонансном томографе.

    Это позволяет врачам получать качественные изображения тканей внутренних органов человека в разрезе, хотя на самом деле орган не травмируется.

    В установках термоядерного синтеза, в крупных ускорителях элементарных частиц используют сверхпроводящие катушки.

    Обмотки сверхпроводящих магнитов, с помощью которых создают сильные магнитные поля, изготавливают из сверхпроводников II рода. Сверхпроводящие магниты гораздо экономичнее обычных ферромагнитов.

    В 2003 г. в Японии провели испытание поезда на магнитной подвеске. Его движение основано на использовании эффекта Мейснера (магнитной левитации). Электромагнитное поле рельсов отталкивается сверхпроводниками, находящимися в подвеске поезда.

    И поезд словно летит над рельсами, не касаясь их. Это позволяет ему развивать огромную скорость, сравнимую со скоростью самолёта. Конечно, такие поезда требуют специальных рельсов. Но энергии они затрачивают в десятки раз меньше, чем самолёты.

    Подобные поезда созданы в Германии, Китае и Южной Корее.

    Источник: http://ency.info/materiya-i-dvigenie/kholod-i-teplo/363-sverkhprovodimost

    Booksm
    Добавить комментарий