|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Сверхпроводимость низкотемпературная |
 | |
Анимация
0
Описание
Сверхпроводимость, свойство многих проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определенной критической температуры Ткр , характерной для данного материала. Сверхпроводимость обнаружена более чем у 25 металлических элементов, у большого числа сплавов и интерметаллических соединений, а также у некоторых полупроводников и полимеров. Рекордно высоким значением Тк (около 23 К) обладает соединение Nb3Ge.
Основные явления. Скачкообразное исчезновение сопротивления ртути при понижении температуры до Т = 4,15 К было названо явлением сверхпроводимости (рис. 1).
Скачкообразное изменение удельного сопротивления при переходе в сверхпроводящее состояние
Рис. 1
Падение сопротивления до нуля происходит на протяжении очень узкого интервала температур, ширина которого для чистых образцов составляет 10 -3 -10 -4 К и возрастает при наличии примесей и других дефектов структуры. Явление сверхпроводимости было открыто Камерлинг-Оннесом в 1911 г.
Отсутствие сопротивления в сверхпроводящем состоянии с наибольшей убедительностью демонстрируется опытами, в которых в сверхпроводящем кольце возбуждается ток, практически не затухающий. В одном из вариантов опыта используется 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 Ткр , 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 -22 ОмЧсм (сопротивление чистых образцов Cu или Ag составляет около 10 -9 ОмЧсм при температуре жидкого гелия).
По своему поведению в достаточно сильных полях сверхпроводники подразделяются на две большие группы, так называемые сверхпроводники 1-го и 2-го рода. Кривые намагничивания М(Н), типичные для каждой из этих групп, приведены на (рис. 2).
Магнитное поведение сверхпроводников I и II рода
Рис. 2
Начальный прямолинейный участок кривых намагничивания, где М = - Н /4p, соответствует интервалу значений, на котором имеет место эффект Мейснера. Дальнейший ход кривых сверхпроводников 1-го и 2-го рода существенно различается.
Сверхпроводники 1-го рода теряют сверхпроводимость в поле Н = Нк, когда поле скачком проникает в металл и он во всем объеме переходит в нормальное состояние. При этом удельный магнитный момент также скачком уменьшается в 105 раз. Критическому полю можно дать простое термодинамическое истолкование.
При температуре Т < Тк и в отсутствии магнитного поля свободная энергия в сверхпроводящем состоянии Fс ниже, чем в нормальном Fн. При включении поля свободная энергия сверхпроводника возрастает на величину Н 2к /8p, равную работе намагничивания, и при Н = Нк сравнивается с Fн. (в силу малости магнитного момента в нормальном состоянии Fн. практически не изменяется при включении поля). Таким образом, поле Нк определяется из условия:
Fс + Н 2к /8p = Fн. (1)
Фазовая диаграмма для сверхпроводников 1-го и 2-го рода.
С магнитными свойствами сверхпроводников связаны и особенности протекания в них тока. В силу эффекта Мейснера ток является поверхностным, он сосредоточен в тонком слое, определяемом глубиной проникновения магнитного поля. Когда ток достигает некоторой критической величины, сверхпроводник 1-го рода переходит в промежуточное состояние и приобретает электрическое сопротивление.
Теоретические расчеты показали, что внутри сверхпроводников зарождаются в форме нитей, пронизывающих образец и имеющих толщину, сравнимую с глубиной проникновения магнитного поля. При увеличении внешнего поля концентрация нитей возрастает, что и приводит к постепенному уменьшению магнитного момента. Таким образом, в интервале значений поля от Нк,1 и до Нк,2 сверхпроводник находится в состоянии, которое принято называть смешанным.
Фазовый переход в сверхпроводящее состояние в отсутствии магнитного поля. Прямые измерения теплоемкости сверхпроводников при Н = 0 показывают, что при понижении температуры теплоемкость в точке перехода Тк испытывает скачок до величины, которая примерно в 2,3 раза превышает ее значение в нормальном состоянии в окрестностях Тк.
Скачок теплоемкости сверхпроводника в точке перехода (Тк) в отсутствии внешнего магнитного поля (сс и сн - теплоемкость в сверхпроводящем и нормальном состояниях).
При этом теплота перехода Q = 0, что следует, в частности, из формулы (2) (Нк = 0 при Тк = 0). Таким образом, переход из нормального в сверхпроводящее состояние в отсутствии магнитного поля - фазовый переход 2-го рода. Из формулы (2) можно получить важное соотношение между скачком теплоемкости и углом наклона кривой Нк(Т) в точке Т = Тк:
,
где Сс и Сн - значения теплоемкости в сверхпроводящем и нормальном состояниях.
Это соотношение подтверждено экспериментом.
Природа сверхпроводимости. Огромное количество экспериментальных данных предсказали новые важные явления, в частности, было открыто явление квантования магнитного потока, заключенного внутри сверхпроводящего кольца. Магнитный поток в этом случае, может принимать лишь значения, кратные кванту потока:
Ф0 = hc/e*,
где e* - заряд носителей сверхпроводящего тока.
Оказалось, что e* = 2e, где e - заряд электрона. Явление квантования магнитного потока имеет место и в случае упомянутого выше состояния сверхпроводника 2-го рода в магнитном поле, большем, чем Нк,1. Образующиеся здесь нити нормальной фазы несут квант потока Ф0.
Найденная в опытах величина заряда частиц, создающих своим движением сверхпроводящий ток (e* = 2e), подтверждает Купера эффект. Согласно Куперу, два электрона с противоположными спинами, взаимодействуя посредством кристаллической решетки (обмениваясь фононами), могут образовывать связанное состояние (куперовскую пару). Заряд такой пары равен 2e. Пары обладают нулевым значением спина и подчиняются Бозе- Энштейна статистике. В сверхпроводящем металле пары испытывают так называемую бозе- конденсацию и поэтому система куперовских пар обладает свойством сверхтекучести. Таким образом, сверхпроводимость представляет собой сверхтекучесть электронной жидкости.
При Т = 0 связаны в пары все электроны проводимости. Энергия связи электронов в паре весьма мала: она равна примерно 3,5ЧkЧТк. При разрыве пары, происходящем, например, при поглощении кванта электромагнитного поля (фотона) или кванта звука (фонона), в системе возникают возбуждения. При отличительной от нуля температуре имеется определенная равновесная концентрация элементарных возбуждений (квазичастиц), она возрастает с температурой, а концентрация пар соответственно уменьшается. Энергия связи пары определяет так называемую щель в энергетическом спектре возбуждений, т.е. минимальную энергию, необходимую для создания отдельного возбуждения. Природа сил притяжения между элементами, приводящих к образованию пар, вообще говоря, может быть различной, хотя у всех известных сверхпроводников эти силы определяются взаимодействием электронов с фононами. Тем не менее развитие теории сверхпроводимости стимулировало поиски других механизмов сверхпроводимости. В этом плане особое внимание уделяется так называемым нитевидным (одномерным) и слоистым (двумерным) структурам, обладающим достаточно большой проводимостью, в которых можно ожидать более интенсивного притяжения между электронами, чем в обычных сверхпроводниках, а следовательно, и более высокой температуры перехода в сверхпроводящее состояние.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Практическое применение сверхпроводимости непрерывно расширяется. Наряду с магнитами сверхпроводящими, сверхпроводящими магнитометрами существует целый ряд других технических устройств и измерительных приборов, основанных на использовании различных свойств сверхпроводников (криоэлектроника). Построены сверхпроводящие резонаторы, рекордно высокой (до 1010) добротностью; сверхпроводящие элементы для ЭВМ. Сверхпроводящие (туннельные) контакты (см. Джозефсона эффект) применяют в сверхчувствительных вольтметрах и т.д.
Реализации эффекта
Принципиальная схема опыта Камерлинг-Оннеса
Техническая реализация - принципиальная схема опыта Камерлинг-Оннеса - показана на рис. 3.
Принципиальная схема опыта Камерлинг-Оннеса
Рис. 3
Обозначения:
Литература
1. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Наука, 1968.
2. Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1984.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
