Свойства и эффекты сверхпроводников

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

     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 ).

       В 1911 году голландский физик Х. Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости. Он проводил измерения электрического сопротивления ртути при низких температурах. Оннес хотел выяснить, сколь малым может стать сопротивление вещества электрическому току, если максимально очистить вещество от примесей и максимально снизить «тепловой шум», т.е. уменьшить температуру.

     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.

      Каждый атом в свою очередь состоит из положительно заряженного ядра и электронов, взаимодействующих с ним и между собой по закону Кулона. Каждый атомный электрон занимает определенную «орбиту». Чем ближе «орбита» к ядру, тем сильнее электрон притягивается к нему, тем большая энергия требуется, чтобы оторвать такой электрон от ядра. Наоборот, самые внешние от ядра электроны наиболее легко отрываются от него, хотя и для этого нужно затратить энергию.

       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).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Свойства и эффекты сверхпроводников.

 

2.1. Эффект Мейснера.

 Эффекта Мейснера заключается в том что сверхпроводник, охлажденный ниже критической температуры в постоянном магнитном поле, самопроизвольно выталкивает  это поле из своего объема, переходя в состояние, при котором магнитная индукция В=0, т.е. состояние идеального диамагнетизма.

 

 

     Рис. 1. Эффект Мейснера.

 

2.2.Микроскопическая теория сверхпроводимости Бардина – Купера - Шриффера (БКШ) и Боголюбова.

Сверхпроводимость, как оказалось, проявляется в тех случаях, когда электроны в металле группируются в пары, взаимодействующие через кристаллическую решетку. Эта пара тесно связана между собой, так что разорвать ее и разобщить электроны через  мощные связи невозможно это  позволяют электронам двигаться без всякого сопротивления сквозь решетку кристалла.

 

 

Рис.2. теория сверхпроводимости Бардина – Купера - Шриффера

 

 

 

2.3.Эффект Джозефсона.

Если туннельный контакт двух сверхпроводников включить во внешнюю цепь с  источником тока и устанавливается такой, чтобы удовлетворить соотношению I= I0sinj, где j - разность фаз, по обе стороны заряда в некоторой его точке, а I0 - максимальный туннельный ток, пропорциональный площади туннельного перехода и прозрачность барьера. Но обратим внимание на то, что в это выражение для тока никак не входит напряжение на контакте. При нулевой разности через туннельный контакт, образованный двумя сверхпроводниками разделенных слоем диэлектрика, может проникать постоянный ток. Это явление называют стационарным явлением Джозефсона.

 

Рис.3. Эффект Джозефсона.

 

2.4.Влияние кристаллической решетки

Сверхпроводящий переход почти не влияет на решетку. Но вот кристаллическая решетка на сверхпроводимость влияет, более того определяет сверхпроводимость, причем исключение из этого закона не обнаружено. Существует много видов кристаллической решетки. Часто одно и то же вещество может иметь разную кристаллическую решетку, то есть одни и те же атомы могут быть расположены друг относительно друга по разному. Переход от одного типа решетки к другому происходит при изменении либо температуры, либо давление, либо ещё какого-нибудь параметра. Такой переход, как и возникновение сверхпроводимости и плавление является фазовым.

Влияние кристаллической решетки на сверхпроводимость продемонстрировал открытый в 1950г. изотопичесский – эффект.

При замене одного изотопа на другой вид кристаллической решетки не меняется, «электронная жидкость» вообще не затрагивается меняется только сила атомов. Оказалось, что от массы атомов зависит Тс многих сверхпроводников. Чем меньше сила, тем больше Тс. Более того вид этой зависимости позволили утверждать, что Тс пропорциональна частоте колебаний атомов решетки, а это сыграло существенную роль в понимании механизма сверхпроводимости.

 

2.5.Изотопический эффект.

В 1905г.был открыт ток называемый изотопическим эффектом. Изучая сверхпроводимость у различных изотопов ртути и олова, физики обратили внимание на то обстоятельство что критическая температура Тк перехода в сверхпроводящее состояния и масса изотопа М связана соотношением Тk М1\2 = const.

Изотопы – это атомы одного и того же элемента, в ядрах которых содержаться одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Они имеют одинаковый заряд, но разную массу. Масса изотопа является характеристической решетки кристалла и может влиять на её свойства. От массы зависит, например, частота колебаний в решетки. Она, так же как и критическая температура, обратно пропорциональна массе: n~М-1\2. Значит, если массу М устремить к бесконечности, то температура перехода Тк будет стремиться к нулю, то есть чем тяжелее атомы, тем медленнее они колеблются и тем труднее (при меньших температурах) получается идеальная проводимость, а чем выше энергия нулевых колебаний, тем легче.

Таким образом, изотопический эффект указывая на то что колебания решетки участвуют в создании сверхпроводимости! Сверхпроводимость, которая является свойством электронной системы металла, оказывается связанной с состоянием кристаллической решетки. Следовательно, возникновение эффекта сверхпроводимости, обусловлено взаимодействием электронов с решеткой кристалла.

 

2.6.Сверхпроводники первого рода.

 Проанализируем протекание тока по проволоке круглого сечения, находящемся в сверхпроводящем состоянии. В отличии от экранирующего тока, возникающего при наложении магнитного поля, ток от внешнего источника будем называть транспортным. Если бы этот ток протекал внутри сверхпроводника, он создавал бы в его объеме магнитное поле, что противоречит эффекту Мейснера. Следовательно, ток, протекающий должен быть ограничен тонким слоем около поверхности, в который проникает магнитное поле. Толщина этого поверхностного слоя равна глубине проникновения l.

 Протекающий по сверхпроводнику  транспортный ток будет создавать  магнитное поле. Между плотностью  тока и магнитным полем существует  строгая связь, которая означает, что критическому полю соответствует  определенная критическая плотность тока (правило Сильсби). Причем совершенно безразлично, о каком токе идет речь - транспортном, или экранирующем. Для проволоки круглого сечения магнитное поле на поверхности В0 и суммарный ток I связаны отношением

B0=m0(1/(2pR)),

где R - радиус проволоки.

 Из данного уравнения  следует, что критический ток  имеет такую же зависимость  от температуры, как и критическое  магнитное поле. Расчет показывает, что, например, для оловянной проволоки  радиусом 0,5 мм критическая сила  тока при Т=0 К составляет 75 А

 

2.7.  Сверхпроводники второго рода.

Принципиальное отличие сверхпроводника второго рода от сверхпроводника первого рода начинает проявляться в тот момент, когда магнитное поле на поверхности достигает значения Вc1 . При этом сверхпроводник переходит в смешанное состояние. Проникновение магнитного поля в объем сверхпроводника приводит к тому, что в этих условиях транспортный ток распределяется равномерно по всему сечению, не занятому вихревыми нитями. Таким образом, в отличие от сверхпроводников 1 рода, в которых ток протекает по тонкому поверхностному слою, в сверхпроводники 11 рода транспортный ток проникает во всем объеме.

 Известно, что между  током и магнитным полем всегда  существует сила взаимодействия, которую называют силой Лоренса. Применительно к смешанному состоянию  сверхпроводника эта сила будет  действовать между абрикосовскими вихрями и транспортным током. Возможности транспортного перераспределения тока ограничены конечными размерами проводника, и, следовательно, под действием силы Лоренса вихревые нити должны перемещаться.

         Для описания особенностей поведения сверхпроводников в магнитном поле проанализируем термодинамику образования поверхностей раздела между сверхпроводящей и нормальной фазами. В нормальной области ВіBc, в сверхпроводящей спадает до нуля на глубине порядка l (рис.3). В нормальном состоянии плотность сверхпроводящих электронов равна нулю, в то время, как в сверхпроводнике она имеет определенную величину ns(Т). На некотором расстоянии от границы x плотность сверхпроводящих электронов по порядку величины достигает значения, равного ns(Т).        

 

3.Применение сверхпроводников.

 

        Использование явления сверхпроводимости открывает широкие возможности в технике. Широкое применение находят источники мощных постоянных магнитных полей в виде соленоидов с обмотками из сверхпроводящих материалов. Ведутся работы по использованию сверхпроводников для линий электропередач и во многих других электротехнических устройствах.

      Из всех элементов, способных переходить в сверхпроводящее состояние, ниобий имеет самую высокую критическую температуру перехода 9,17 К (-263,83 °С). Практическое использование нашли сверхпроводящие сплавы с высоким содержанием ниобия: 65БТ и 35БТ (ГОСТ 10994-74). Сплав 65БТ содержит 22-26% Ti; 63-68% Nb; 8,5-11,5% Zr и имеет критическую температуру перехода 9,7 К (-263,3 СС). Для Т = 4,2 К критические значения плотности тока составляют 2,8·106 А/м2, на пряженностьмагнитногополя (6-7,2)·106 А/м. Проволоку из сплава 35БТ состава 60-64% Ti; 33,5-36,5% Nb; 1,7-4,3% Zr из-за повышенной хрупкости заливают в медную матрицу.