Сверхпроводимость

Сверхпроводимость

    Определение 1

    По классической теории электронной проводимости удельное сопротивление металлов должно уменьшаться при снижении температуры, но при всех температурах являться конечным. Зависимость сопротивления прослеживается в эксперименте только при наличии высокой температуры. При температуре, равной несколько кельвинов, такая зависимость претерпит изменения. Удельное сопротивление становится независимым от температуры и стремится к некоторому определенному значению. Оно отлично как для веществ, так и их образцов. Опытным путем установили, что остаточное сопротивление тем меньше, чем чище металл и меньше структурных дефектов в образце.

    При большем понижении температуры некоторые вещества характеризуются явлением сверхпроводимости. Оно было открыто Камерлинг-Онессом в 1911 году. Удельное сопротивление характеризовалось уменьшением в виде скачка при определенном значении температуры. Переход в сверхпроводящее состояние возможно при сниженных температурах.

    Сверхпроводимостью обладают такие чистые вещества, как алюминий, кадмий, цинк, индий, галлий. Ее свойство связано со структурой кристаллической решетки.

    Наличие сверхпроводимости возможно в соединениях или сплавах. Элементы, входящие в состав соединения, могут не являться сверхпроводниками.

    Уменьшение сопротивления длится быстро в интервале нескольких сотых градуса.

    Свойства сверхпроводников

    Свойство 1

    В сверхпроводниках один раз возбужденный электрический ток может существовать без источника тока длительное время. Сопротивление отсутствует, поэтому время затухания имеет большое значение.

    Свойство 2

    Внутри вещества в сверхпроводящем состоянии магнитная индукция равняется нулю. При охлаждении тела сверхпроводника произъодит переход в сверхпроводящее состояние. Если включить внешнее магнитное поле, индукция будет равняться:

    При наличии магнитного поля в сверхпроводнике появляются индукционные токи, продолжающие дополнительную индукцию, то есть:

    Используя закон Ленца, она компенсирует внешнюю Ba. Обычный проводник характеризуется быстрым затуханием индукционного тока, причем останется только поток, вызванный намагничивающей катушкой. В сверхпроводнике не происходит затухание компенсирующих токов, значит, значение суммарной индукции тела запишется:

    Линии результирующей индукции во внешнем пространстве будут выталкиваться из тела, огибать его.

    Сверхпроводящее вещество считается идеальным диамагнетиком при магнитной восприимчивости χ=-1 и магнитной проницаемости μ=1+χ=0. Следовательно, плотность тока в толще массивного проводника равняется нулю. Нахождение тока сверхпроводящего тела возможно в тонком слое поверхности.

    Свойство 3

    Магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости. Если значение напряженности магнитного поля растет выше определенного значения, то можно наблюдать разрушение сверхпроводимости. Сверхпроводник теряет свои свойства и становится проводником, а магнитное поле входит внутрь вещества. Критическим полем называют такое магнитное поле, при котором происходят данные процессы. Чем ниже температура сверхпроводника и больше разрыв между температурой перехода в состояние сверхпроводимости и температурой вещества в данный момент, тем больше магнитное поле, при котором происходит исчезновение сверхпроводимости. Если имеется значение температуры перехода в сверхпроводящее состояние, то критическое магнитное поле равняется нулю.

    Примечание 1

    Разрушение сверхпроводимости в сверхпроводнике возможно при помощи наличия магнитного поля тока.

    В 1935 году братья Лондоны обнаружили, что магнитное поле Н проходит внутрь сверхпроводника и падает в зависимости от значения глубины по закону:

    λL=mcc24πnsqe2 обозначается в качестве глубины проникновения магнитного поля в сверхпроводник, nS – концентрацией электронов проводимости. Чистые металлы обладают глубиной проникновения, равной λL~10-5 см.

    Классификация сверхпроводников

    Определение 2

    Поверхностная энергия связана с наличием границ раздела между нормальной и сверхпроводящей фазами. Значение поверхностной энергии может быть положительным и отрицательным. Если оно больше нуля, то сверхпроводники получают название сверхпроводников первого рода, если меньше нуля – сверхпроводники второго рода.

    Диаграмма состояния сверхпроводника 1 рода говорит о существовании только двух областей: сверхпроводящей и нормальной. Для сверхпроводника 2 рода имеются три области: сверхпроводящая, нормальная и смешанная, как показано на рисунке 1. Вид кривой равновесия принимает параболическую форму. На ней имеются критические точки Bk, Tk. Благодаря наличию данных кривых понятно, что магнитное поле должно понизить критическую температуру, чтобы перейти в сверхпроводящее состояние.

    Для определения «нижнего» Bk1 и «верхнего» Bk2 критических полей изображают границы между областями. Tk0 – это значение критической температуры переходит в сверхпроводящее состояние при равном нулю внешнем магнитном поле.

    Рисунок 1

    Сверхпроводники второго рода могут применяться как соленоиды, которые служат для получения сильных магнитных полей. Сверхпроводники же первого рода использовать нельзя из-за низких критических магнитных полей.

    Пример 1

    Сила тока в сверхпроводнике формы бесконечно длинного цилиндра, равняется I. Проследить за изменением индукции магнитного поля с расстоянием от оси проводника.

    Решение

    Когда тело имеет форму бесконечно длинного цилиндра, то определение напряженности магнитного поля внешнего пространства идет при помощи значения полной силы тока:

    H=I2πr.

    Значение r является расстоянием от оси провода, где rR, R – радиус провода. Связь индукции с напряженностью выражается с формулой:

    B=μ0H.

    Когда В переходит внутрь провода, то по экспоненциальному закону происходит уменьшение до 0.

    Рисунок 2 показывает изменение индукции. Расстояние λL от поверхности, при котором индукция магнитного поля уменьшается в е раз, получило название глубинного проникновения. Ее увеличение происходит за счет повышения температуры.

    Рисунок 2

    Пример 2

    Произвести описание физической природы сверхпроводимости.

    Решение

    Главной особенностью поведения сверхпроводника считается свободное движение внутри вещества носителей заряда. Эффект является квантовым.

    По закону Кулона между электронами металла действуют силы отталкивания. Этот процесс может быть ослаблен при помощи экранирующего действия ионов кристаллической решетки. Электроны движутся к ионам, даже при незначительном притяжении, но при наличии определенных условий притяжение превосходит отталкивание. Это характеризуется образованием пар электронов с нулевым спином. Они являются носителями тока в сверхпроводниках. Размер таких пар огромен, так как может достигать порядка микрон.

    Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
    Средняя оценка статьи
    4,7 из 5 (14 голосов)