Сверхпроводимость

План реферата

1. Свойство сверхпроводимого состояния

2. Сверхпроводник в магнитном поле

3. Изотермические свойства

4. Изотопический эффект

5. Квантовая основа

6. Условия сверхпроводимости

а. Сверхпроводники I и II рода

б. Разрушение током

в. Новые вещества

7. Некоторые применения сверхпроводимости

Литература

В 1911 г. Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости, изучение которого интенсивно продолжается до наших дней и составляет одно из важнейших направлений физики твердого тела. Оказалось, что при температуре, близкой к 40К, электрическое сопротивление ртути скачком обращается в нуль .

Многие металлы и металлические сплавы при температурах, близких к абсолютному нулю, переходят в особое сверхпроводящее состояние, наиболее поразительным свойством которого является с в е р х п р о в о д и м о с т ь- полное отсутствие сопротивления постоянному электрическому току. Наведенный в сверхпроводящем кольце ток сохраняется неизменным практически бесконечно долго — в течение нескольких лет не удается обнаружить сколько-нибудь заметного затухания этого тока. Этот эксперимент провел в1959 г. американский ученый физик Коллинз.

Эффект сверхпроводимости состоит в исчезновении электрического сопротивления при конечной, отличной от О0 К, температуре (критическая температура- Тк).

Открытие Камерлинга-Оннеса повлекло исследования разных веществ -сверхпроводников и их свойств. Были отмечены резкая аномалия магнитных, тепловых и ряда других свойств, так что правильнее говорить не только о сверпроводимости, а об особом, наблюдаемом при низких температурах состоянии вещества .

Сейчас выявлена целая группа веществ -сверхпроводников (В 1975 их было >500).Самой высокой критической температурой среди чистых веществ обладает ниобий (Тк =9,220 К), а наиболее низкой — иридий (Т к = 0,1400 К).

Сложное соединение, синтезированное в 1967 г., сохраняет сверхпроводимость до 20,10 К, в 1973 г. рекорд равнялся 22,30 К.

Критическая температура зависит не только от химического состава вещества, но и от структуры самого кристалла. Например, серое олово является полупроводником, а белое олово- металлом, способным к тому же при температуре, равной 3,720 К, переходить в сверхпроводящее состояние.

Бериллий-сверхпроводник в виде тонкой пленки. Некоторые вещества становятся сверхпроводниками при высоком давлении (Ва с Т к=50 К под давлением ~ 150 кбар).

Из всего следует вывод, что сверхпроводимость представляет собой коллективный эффект, связанный со структурой всего образца.

Переход металла в сверхпроводящее состояние и обратно происходит при тех значениях температуры и напряженности магнитного поля, которые соответствуют точкам на кривой зависимости Н к от температуры (рис 1.)

Учитывая обратимость перехода и различие свойств металла в сверхпроводящем и нормальном состояниях, этот переход можно рассматривать как фазовый переход между двумя различными состояниями одного и того же вещества: n-фазой (нормальное состояние) и s-фазой (сверхпроводящее состояние).

Сверхпроводник в магнитном поле.

1. В 1933 г. Мейсснером было открыто одно из свойств сверхпроводников (эффект Мейсснера). Оказалось, что магнитное поле не проникает в толщу сверхпроводящего образца. Если этот образец при температурах более высоких, чем Тк, то в нем, как и во всяком нормальном металле, помещенном во внешнем поле, напряженность будет отличной от нуля. Не выключая внешнего магнитного поля, начнем постепенно понижать температуру. Тогда окажется, что в момент перехода в сверхпроводящее состояние магнитное поле вытолкнется из образца и станет справедливым равенство В = 0 (В- магнитная индукция, равная, по определению, средней напряженности магнитного поля в веществе).При включении внешнего поля Н в веществе появляется отличная от нуля индукция В, равная В= μН. Коэффициент и называется магнитной проницаемостью вещества. При μ<1 наблюдается ослабление приложенного поля и В< Н. В сверхпроводниках В=0,что соответствует нулевой магнитной проницаемости. Это эффект идеального диамагнетизма. Если сверхпроводящий образец поместить во внешнее поле, то в поверхностном слое металла возникает стационарный электрический ток, собственное магнитное поле которого противоположно приложенному полю, что в результате и приводит к нулевому значению индукции в толще образца.

Идеальный диамагнетизм сверхпроводников означает возможность протекания поверхностного стационарного тока, не испытывающего электрического сопротивления.

Наличие сопротивления привело бы к тепловым потерям и в отсутствие электрического поля к быстрому затуханию тока. Эффект Мейснера и явление сверхпроводимости, т. е. полное отсутствие сопротивления, тесно связаны между собой и являются следствием общей закономерности, которую и установила теория сверхпроводимости.

2. Достаточно сильное магнитное поле при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. При действии на сверхпроводник магнитного поля температура Тс снижается. Магнитное поле с напряженностью Нс, которое при данной температуре вызывает переход в-ва из сверхпроводящего состояния в нормальное, называется критическим полем.

Т.о., металл можно перевести из сверхпроводящего состояния, воздействуя на сверхпроводник магнитным полем. Тем не менее, был обнаружен класс веществ, сохраняющих свойство сверхпроводимости в мощных магнитных полях и при сильных токах.

Изотермические свойства.

Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств.

Электронная теплоемкость нормальных металлов с понижением температуры убывает по линейному закону сe~Т. В сверхпроводниках — по экспоненциальному закону,

где, а и b — постоянные, независящие от температуры величины.

Изотермический переход из сверхпроводящего состояния в нормальное связан со скачкообразным изменением теплопроводности и теплоемкости.

Это универсальное свойство сверхпроводников. Различают теплопроводность, связанную с движением электронов, и тепловой поток в решетке кристалла.

Коэффициент теплопроводности х можно представить в виде суммы

х=хэлреш.Электроны рассеиваются различными причинами (колебания решетки, примеси, другие электроны).Результирующая электронная теплопроводность Хэл вычисляется по правилу

Изотопический эффект.

В 1950 г. Максвелл, Рейндолс при исследовании ртути открыли, что сверхпроводимость возникает при взаимодействии электронов с решеткой кристалла. Электроны проводимости движутся в сверхпроводнике беспрепятственно — без «трения» об узлы кристаллической решетки.

В сверхпроводниках возникает взаимное притяжение электронов с образованием электронных пар.

Электрон проводимости е притягивает к себе ион I кристаллической решетки, смещая его из положения равновесия. При этом изменяется электрическое поле в кристалле- ион I создает электрическое поле, действующее на электроны проводимости, в том числе и на электрон e1

Взаимодействие е1 и е2 осуществляется с помощью кристаллической решетки.

Смещение иона под действием электрона приводит к тому, что электрон оказывается окруженным «облаком» положительного заряда, превышающего собственный отрицательный заряд электрона. Электрон вместе с этим «облаком"имеет суммарный положительный заряд и притягивается к другому электрону.

Интересно, что именно взаимодействие электронов с решеткой кристалла ответственно за появление сопротивления. При определенных условиях оно приводит к его отсутствию, т. е эффекту сверхпроводимости .Так было раскрыто объяснение сверхпроводимости.