Реферат: Сверхпроводимость и ее применение в физическом эксперименте. Реферат сверхпроводимость

Реферат - Сверхпроводимость - Сверхпроводимость.doc

Реферат - Сверхпроводимость (25.4 kb.)Доступные файлы (1):содержание

Сверхпроводимость.doc

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

Реферат

на тему: «Сверхпроводимость»

Выполнила:

студентка 4Б ПМиИ

Лойко Марина АлександровнаПроверила:

доцент, к.ф-м.н.

Бондаренко Елена Александровнаг. Ставрополь

2008

ВВЕДЕНИЕ .Сверхпроводимость - физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ (сверхпроводников), при охлаждении их ниже определенной критической температуры, и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления постоянному току и выталкивания магнитного поля из объема образца (эффект Мейснера). Явление открыто в 1911 г. Х. Каммерлинг-Оннесом. Оннес хотел выяснить, сколь малым может стать сопротивление вещества электрическому току, если максимально очистить вещество от примесей и максимально снизить температуру. Изучая температурный ход электросопротивления ртути, он обнаружил, что при температуре ниже 4,17 К ртуть практически теряет сопротивление. (Рис. 1)

(Рис. 1)Следующее важное открытие было сделано в 1933 немецким физиком В.Мейсснером и его сотрудником Р.Оксенфельдом. Они обнаружили, что если цилиндрический образец поместить в продольное магнитное поле и охладить ниже температуры перехода, то он полностью выталкивает из себя магнитный поток. Эффект Мейсснера, как назвали это явление, был важным открытием, поскольку благодаря ему физикам стало ясно, что сверхпроводимость — квантово-механическое явление. Если бы сверхпроводимость заключалась только в исчезновении электрического сопротивления, то ее можно было пытаться объяснить законами классической физики.

В 1935г. физики-теоретики, братья Ф. и Г.Лондоны предложили рассматривать сверхпроводимость как макроскопический квантовый эффект. (Ранее были известны только квантовые эффекты, наблюдающиеся в атомных масштабах — порядка 10-8 см.) Лондоны таким образом модифицировали классические уравнения электромагнетизма, что из них следовали эффект Мейсснера, бесконечная проводимость и ограниченная глубина проникновения. В начале 1950-х годов А.Пиппард из Кембриджского университета показал, что такое квантовое состояние в действительности является макроскопическим, охватывая расстояния до 4-10 см, т.е. в 10 000 раз превышающие атомный радиус.

^ Оказалось, что при крайне низких температурах целый ряд веществ обладает сопротивлением. Твердое тело, проводящее электрический ток, представляет собой кристаллическую решетку, в которой могут двигаться электроны. Если проводник находится в нормальном (несверхпроводящем) состоянии, то каждый электрон движется независимо от других. Способность любого электрона перемещаться и, следовательно, поддерживать электрический ток ограничивается его столкновениями с решеткой, а также с атомами примесей в твердом теле. Чтобы в проводнике существовал ток электронов, к нему должно быть приложено напряжение; это значит, что проводник имеет электрическое сопротивление. Если же проводник находится в сверхпроводящем состоянии, то электроны проводимости объединяются в единое макроскопически упорядоченное состояние, в котором они ведут себя уже как "коллектив"; на внешнее воздействие реагирует также весь "коллектив". Столкновения между электронами и решеткой становятся невозможными, и ток, однажды возникнув, будет существовать и в отсутствие внешнего источника тока (напряжения). Сверхпроводящее состояние возникает скачкообразно при температуре, которая называется температурой перехода. Выше этой температуры металл или полупроводник находится в нормальном состоянии, а ниже ее — в сверхпроводящем. В 1950г. Г.Фрелих высказал предположение, что электроны могут притягиваться друг к другу за счет взаимодействия с атомами решетки. Этот механизм притяжения называется электрон-фононным взаимодействием; он состоит в следующем. Электрон, движущийся в кристаллической решетке, как бы искажает ее. Это обусловлено взаимодействием между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными атомами решетки. Движущийся через решетку электрон "сближает" ее атомы. Второй электрон затем втягивается в "суженную область" под усиленным действием положительного заряда. Энергия первого электрона, затрачиваемая на "деформацию решетки", передается без потерь второму члену куперовской пары. Такая пара движется по решетке, обмениваясь энергией через атомы решетки, но не теряя при этом своей энергии в целом.Такое взаимодействие в какой-то мере аналогично поведению двух тяжелых шариков на резиновой мембране. Когда один шарик катится, он прогибает мембрану так, что второй шарик следует в его "кильватере". Электроны, будучи одноименно заряжены, в отличие от шариков взаимно отталкиваются. Однако это взаимное отталкивание оказывается сильным только тогда, когда электроны находятся очень близко друг к другу, и быстро уменьшается по мере их удаления. Во взаимодействии с участием решетки, или электрон-фононном взаимодействии, электроны достаточно удалены друг от друга, отталкивание электронов мало по сравнению с электрон-фононным взаимодействием, в результате чего электроны эффективно притягиваются друг к другу. (Фонон — это квант колебательной энергии кристаллической решетки.)

До сих пор мы рассматривали только одну куперовскую пару, тогда как в действительности в 1 см вещества находится примерно 1020 куперовских пар. Легко представить себе, что искажение решетки, создаваемое одной куперовской парой, могло бы нарушить притяжение в других парах. В 1957г. Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер предложили так называемую теорию БКШ (Бардина — Купера — Шриффера), за которую они были удостоены в 1972г. Нобелевской премии по физике. Согласно этой теории, пары образуют когерентное состояние, в котором все они имеют один и тот же импульс. Говорят, что эти когерентные электроны находятся в едином квантовом состоянии; они образуют так называемую квантовую, или сверхтекучую, жидкость. Эта когерентность электронов в большом масштабе — замечательная макроскопическая демонстрация квантовых принципов.Температура перехода данного вещества определяется соотношением двух "противоположных сил": одна стремится упорядочить электроны, а другая — разрушить этот порядок. Например, тенденция к упорядочиванию в таких металлах, как медь, золото и серебро, столь мала, что эти элементы не становятся сверхпроводниками даже при температуре, лежащей лишь на несколько миллионных кельвина выше абсолютного нуля. Другие металлы и сплавы имеют температуры перехода в диапазоне от 0,000325 до 23,2 К.

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).

Переход от сверхпроводящего состояния в нормальное можно осуществить путем повышения магнитного поля при температуре ниже критической Tс. Минимальное поле Bс, в котором разрушается сверхпроводимость называется критическим магнитным полем. Зависимость критического поля от температуры описывается эмпирической формулой.

Вс = B0 [1 - (T/Tс)2],

где В0 - критическое поле, экстраполированное к абсолютному нулю температуры.Повышение силы тока также приводит к исчезновению сверхпроводимости, то есть при этом понижается Tс. Чем ниже температура, тем выше та предельная сила тока It при которой сверхпроводимость уступает место обычной проводимости.Сверхпроводимость наблюдается как у элементов, так и у сплавов и металлических соединений.

Эффект Мейснера.В течение почти четверти века считали, что единственным характеристическим свойством сверхпроводящего состояния является отсутствие электрического сопротивления. Однако такой подход приводит к неоднозначному описанию сверхпроводящей фазы.Эксперимент, иллюстрирующий переход из сверхпроводящего состояния в обычное продемонстрировал, что сверхпроводники - нечто большее, чем идеальные проводники. Они обладают дополнительным свойством, отсутствующим у металла, просто лишенного сопротивления: металл в серхпроводящем состоянии никогда не позволяет магнитному потоку проникнуть внутрь.Когда сверхпроводник охлаждается в слабом магнитном поле, то при температуре перехода на его поверхности возникает незатухающий ток, циркуляция которого обращает внутренний магнитный поток в нуль. Это явление, заключающееся в том, что внутри сверхпроводника плотность магнитного потока всегда, даже во внешнем магнитном поле, равна нулю, называется эффектом Мейснера.Эффект выталкивания магнитного поля из сверхпроводника можно пояснить на основе представлений о намагниченности. Если экранирующие токи, полностью компенсирующие внешнее магнитное поле, сообщают образцу магнитный момент m, то намагниченность M выражается соотношением

M=m/V,где V - объем образца. Можно говорить о том, что экранирующие токи приводят к появлению намагниченности, соответствующей намагниченности идеального ферромагнетика с магнитной восприимчивостью, равной минус единице.

Эффекты Джозефсона. В 1962 г. Б. Джозефсон, аспирант Кембриджского университета, размышляя над тем, что будет, если сблизить два сверхпроводника на расстояние нескольких ангстрем, высказал предположение, что куперовские пары должны за счет "туннельного" эффекта переходить из одного сверхпроводника в другой при нулевом напряжении.

Было предсказано два замечательных эффекта. Во-первых, через туннельный сверхпроводящий контакт (переход, представляющий собой два сверхпроводника, разделенные слоем диэлектрика) возможно протекание сверхпроводящего (бездиссипативного) тока. Критическое значение этого тока зависит от внешнего магнитного поля. Во-вторых, если ток через контакт превосходит критический ток перехода, то контакт становится источником высокочастотного электромагнитного излучения. Первый из этих эффектов называют стационарным эффектом Джозефсона, второй — нестационарным. Оба эффекта хорошо наблюдаются экспериментально. В частности, наблюдались осцилляции максимального сверхпроводящего тока через переход при увеличении магнитного поля. Если ток, задаваемый внешним источником, превысит критическое значение, то на переходе появляется напряжение V, периодически зависящее от времени. Частота колебаний напряжения зависит от того, насколько ток через контакт превышает его критическое значение.

Конечно, сблизить два сверхпроводника на расстояние нескольких ангстрем невозможно. Поэтому в экспериментах на подложку напылялся тонкий слой сверхпроводящего материала, такого, как алюминий, затем он окислялся с поверхности на глубину нескольких ангстрем, а сверху напылялся еще один слой алюминия. Напомним, что оксид алюминия — диэлектрик. Такой "сэндвич" эквивалентен двум сверхпроводникам, расположенным на расстоянии нескольких ангстрем друг от друга.

Эффект Джозефсона обусловлен фазовыми соотношениями между электронами в сверхпроводящем состоянии. Выше говорилось, что суть сверхпроводящего состояния — в когерентном движении куперовских пар через атомную решетку. Когерентность куперовских пар сверхпроводника определяется тем, что пары электронов движутся "в фазе". Куперовские же пары двух разных сверхпроводников движутся "не в фазе". Так, каждый солдат марширующей роты идет в ногу с любым другим солдатом своей роты, но не в ногу с солдатами другой роты. Если два сверхпроводника тесно приблизить друг к другу, то куперовские пары могут туннелировать через зазор между ними. При туннелировании фаза куперовской пары изменяется. Если изменение таково, что куперовская пара начинает идти "в ногу" с парами во втором сверхпроводнике, то туннелирование возможно. Это и происходит в стационарном эффекте Джозефсона. Величиной магнитного поля определяется сдвиг фазы, который приобретают туннелирующие пары.

Нестационарный эффект Джозефсона возникает, когда ток через переход превышает критическое значение для стационарного эффекта Джозефсона. Между двумя сверхпроводниками возникает напряжение, которое вынуждает фазы в двух сверхпроводниках изменяться во времени. Это в свою очередь приводит к колебаниям туннельного тока (с изменением его направления) в соответствии с изменениями разности фаз в двух сверхпроводниках.

Эффект Джозефсона может иметь много приложений, но он может быт и паразитным. Он возникает на границах зерен в поликристаллических образцах новых сверхпроводников и препятствует, например, попыткам измерения лондоновской глубины проникновения.

^ В физической литературе часто называют сверхпроводниками вещества или материалы, которые при разных условиях могут находиться в сверхпроводящем или несверхпроводящем состоянии. Один и тот же простой (состоящий из одинаковых атомов) металл, сплав или полупроводник может в каких-то интервалах температур или внешних магнитных полей быть сверхпроводящим; при температурах или полях бóльших критических значений — это обычный (принято говорить — нормальный) проводник. После открытия эффекта Мейсснера было выполнено большое число экспериментов со сверхпроводниками. Среди исследованных свойств были:1) Критическое магнитное поле — значение поля, выше которого сверхпроводник находится в нормальном состоянии. Критические поля обычно лежат в интервале от нескольких десятков гаусс до нескольких сотен тысяч гаусс в зависимости от сверхпроводника и его металлофизического состояния. Критическое поле данного сверхпроводника меняется с температурой, уменьшаясь при ее повышении. При температуре перехода критическое поле равно нулю, а при абсолютном нуле оно максимально (рис. 2).2) Критический ток — максимальный постоянный ток, который может выдерживать сверхпроводник без потери сверхпроводящего состояния. Как и критическое магнитное поле, критический ток сильно зависит от температуры, уменьшаясь при ее увеличении.3) Глубина проникновения — расстояние, на которое магнитный поток проникает в сверхпроводник. Глубина проникновения оказывается функцией температуры и различна в разных материалах: от 3Ч10-6 до 2Ч10-5 см. Магнитный поток выталкивается из сверхпроводника токами, циркулирующими в поверхностном слое, толщина которого приблизительно равна глубине проникновения.Чтобы понять, почему выталкивается магнитный поток, т. е. чем обусловлен эффект Мейсснера, нужно вспомнить, что все физические системы стремятся к состоянию с минимальной энергией. Магнитное поле обладает некоторой энергией. У сверхпроводника в магнитном поле энергия увеличивается. Но она снова понижается благодаря тому, что в поверхностном слое сверхпроводника возникают токи. Эти токи создают магнитное поле, которым компенсируется поле, приложенное извне. Энергия сверхпроводника выше, чем в отсутствие внешнего магнитного поля, но ниже, чем в том случае, когда поле проникает внутрь его.Полное выталкивание магнитного потока энергетически выгодно не для всех сверхпроводников. В некоторых материалах состояние с минимальной энергией в магнитном поле достигается, если некоторые из линий магнитного потока частично проникают в вещество, образуя мозаику из сверхпроводящих областей, где магнитное поле отсутствует, и нормальных, где оно есть.4) Длина когерентности — расстояние, на котором электроны взаимодействуют друг с другом, создавая сверхпроводящее состояние. Электроны в пределах длины когерентности движутся согласованно — когерентно (как бы "в ногу"). Длина когерентности для разных сверхпроводников изменяется от 5Ч10-7 до 10-4 см. С существованием больших длин когерентности (намного превышающих атомные размеры порядка 10-8 см) связаны необычные свойства сверхпроводников.5) Удельная теплоемкость — количество теплоты, необходимое для того, чтобы повысить температуру 1 г вещества на 1 К. Удельная теплоемкость сверхпроводника резко возрастает вблизи температуры перехода в сверхпроводящее состояние, и довольно быстро уменьшается с понижением температуры. Таким образом, в области перехода для повышения температуры вещества в сверхпроводящем состоянии требуется больше теплоты, чем в нормальном состоянии, а при очень низких температурах — наоборот. Так как удельная теплоемкость определяется в основном электронами проводимости, это явление указывает на то, что состояние электронов изменяется.Теория БКШ объясняет многие из свойств сверхпроводников, о которых мы уже говорили. Электроны в сверхпроводнике переходят в коллективное состояние таким образом, что их потенциальная энергия становится минимальной. Двигаясь совместно, электроны притягиваются друг к другу посредством механизма электрон-фононного взаимодействия, и потенциальная энергия системы оказывается меньшей, чем в случае двух электронов, не притягивающих друг друга. Сверхпроводник в таком коллективном состоянии способен противодействовать повышающему энергию действию тока или магнитного поля; отсюда следует температурная зависимость критического тока и поля. Выше температуры перехода электроны имеют слишком много тепловой энергии и "возбуждаются", т. е. переходят из сверхпроводящего состояния с более низкой энергией в нормальное, более высокоэнергетическое состояние.Теория БКШ также объясняет, почему хорошие проводники, такие, как медь и золото, не являются сверхпроводниками. Электроны проводимости в этих веществах легко проходят сквозь атомную решетку, почти не взаимодействуя с ней. Это делает такие материалы хорошими электрическими проводниками, поскольку в них теряется мало энергии из-за рассеяния решеткой. Для достижения же сверхпроводящего состояния необходимо сильное взаимодействие между атомами решетки и электронами. По этой причине очень хорошие проводники электричества, как правило, не бывают сверхпроводниками.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 должен быть ограничен тонким слоем около поверхности проводника, в которую проникает магнитное поле. Толщина этого поверхностного слоя равна глубине проникновения .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=0(1/(2R)),

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 .С помощью правила Сильсби можно определить также критические токи для сверхпроводников во внешнем магнитном поле. Для этого необходимо сложить внешнее магнитное поле с полем транспортного тока на поверхности. Плотность тока достигает результирующее значение, когда это результирующее поле Врез становится критическим. Для проволоки радиусом R в магнитном поле Bа, перпендикулярном ее оси:

Врез=2Bа (1/(2R))0.Здесь значение 2Вa на образующей цилиндра получено для коэффициента размагничивания uм=1/2. Зависимость критического тока от внешнего поля Вa можно определить из уравнения:

Iс=(2R)/0(Bс-2Bа).График ее представлен на рис.4

Рис.4 Зависимость критического тока от внешнего магнитного поля, перпендикулярного проволоке.

0,5Вc Bс Bа

Процесс нарушения сверхпроводимости в массивных образцах при достижении критической силы тока происходит с образованием промежуточного состояния. Структура его для цилиндрического образца представлена на рис.5. При включении внешнего магнитного поля происходит его наложение на круговое поле тока, в результате чего геометрия межфазных границ между сверхпроводящими и нормальными областями значительно усложняется.

В конце разговора о сверхпроводниках первого рода отметим, что низкие критические параметры делают практически невозможным их техническое использование.Рис.5 Структура промежуточного состояния проволоки, несущей критический ток.

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 первого рода, в которых ток протекает по тонкому поверхностному слою, в сверхпроводники второго 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 ВBc, в сверхпроводящей спадает до нуля на глубине порядка  (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  плотность сверхпроводящих электронов по порядку величины достигает значения, равного ns(Т). Характеристический параметр  называют длиной когерентности, зависимость ее от температуры определяется формулой

(Т)=0(Tc/(Tc-T))Ѕ,где 0 зависит от свойств сверхпроводника и составляет по порядку величины 10-6 - 10-8 м.

Высокотемпературная сверхпроводимость. Рассмотренный ранее маханизм перехода в сверхпроводящее состояние онован на межэлектронном взаимодействии посредством кристаллической решетки, то есть засчет обмена фононами. Как показывают оценки, для такого механизма сверхпроводимости, называемая фононным, максимальная величина критической температуры не может превышать 40 К.Таким образом, для реализации высокотемпературной сверхпроводимости (с Тc>90 К) необходимо искать другой механизм корреляции электронов. Один из возможных подходов описан американским физиком Литтлом. Он предположил, что в органических веществах особого строения возможна сверхпроводимость при комнатных температурах. Основная идея заключалась в том, чтобы получить своеобразную полимерную нитку с регулярно расположенными электронными фрагментами. Корреляция электронов, движущихся вдоль цепочки, осуществляется за счет поляризации этих фрагментов, а не кристаллической решетки. Поскольку масса электрона на несколько порядков меньше массы любого иона, поляризация электронных фрагментов может быть более сильной, а критическая температура более высокой, чем при фоновом механизме. В основе теоретической модели высокотемпературной сверхпроводимости, разработанной академиком В.Л.Гизбургом, лежит так называемый экситонный механизм взаимодействия электронов. Дело в том, что в электронной системе существуют особые волны - экситоны. Подобно фононам они являются квазичастицами, перемещающимися по кристаллу и не связанными с переносом электрического заряда и массы. Модельный образец такого сверхпроводника представляет собой металлическую пленку в слоях диэлектрика или полупроводника. Электроны проводимости, движущиеся в металле, отталкивают электроны диэлектрика, то есть окружают себя облаком избыточного положительного заряда, который и приводит к образованию электроной пары. Такой механизм корреляции электронов предсказывает весьма высокие значения критической температуры (Тc=200 К).

^ С 1911 по 1986 было исследовано очень много сверхпроводящих металлов и сплавов, но наивысшая измеренная температура перехода составляла 23,2 К. Для охлаждения до такой температуры требовался дорогостоящий жидкий гелий (4Не). Поэтому наиболее успешные применения сверхпроводимости оставались на уровне лабораторных экспериментов, для которых не требуется больших количеств жидкого гелия. В конце 1986 К.Мюллер (Швейцария) и Й.Беднорц (Германия), работая в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе, обнаружили, что керамический проводник, построенный из атомов лантана, бария, меди и кислорода, имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние, равную 35 К. Вскоре исследовательские группы в разных странах мира изготовили керамические материалы с температурой перехода от 90 до 100 К, которые способны оставаться сверхпроводниками (2-го рода, см. выше) в магнитных полях до 200 кГс.Керамические сверхпроводники весьма перспективны в плане крупномасштабных применений, главным образом по той причине, что их можно изучать и использовать при охлаждении сравнительно недорогим жидким азотом.Первым промышленным применением сверхпроводимости было создание сверхпроводящих магнитов с высокими критическими полями. Доступные сверхпроводящие магниты позволили получить к середине 1960-х годов магнитные поля выше 100 кГс(Гауссах) даже в небольших лабораториях. Ранее создание таких полей с помощью обычных электромагнитов требовало очень больших количеств электроэнергии для поддержания электрического тока в обмотках и огромного количества воды для их охлаждения.Следующее практическое применение сверхпроводимости относится к технике чувствительных электронных приборов. Экспериментальные образцы приборов с контактом Джозефсона могут обнаруживать напряжения порядка 10Вт. Магнитометры, способные обнаруживать магнитные поля порядка 10Гс, используются при изучении магнитных материалов, а также в медицинских магнитокардиографах. Чрезвычайно чувствительные детекторы вариаций силы тяжести могут применяться в различных областях геофизики.Техника сверхпроводимости и особенно контакты Джозефсона оказывают все большее влияние на метрологию. С помощью джозефсоновских контактов создан стандарт 1 В. Был разработан также первичный термометр для криогенной области, в которой резкие переходы в некоторых веществах используются для получения реперных (постоянных) точек температуры. Новая техника используется в компараторах тока, для измерений радиочастотной мощности и коэффициента поглощения, а также для измерений частоты. Она применяется также в фундаментальных исследованиях, таких, как измерение дробных зарядов атомных частиц и проверка теории относительности.Сверхпроводимость будет широко использоваться в компьютерных технологиях. Здесь сверхпроводящие элементы могут обеспечивать очень малые времена переключения, ничтожные потери мощности при использовании тонкопленочных элементов и большие объемные плотности монтажа схем. Разрабатываются опытные образцы тонкопленочных джозефсоновских контактов в схемах, содержащих сотни логических элементов и элементов памяти.Промышленные применения. Наиболее интересные возможные промышленные применения сверхпроводимости связаны с генерированием, передачей и использованием электроэнергии. Например, по сверхпроводящему кабелю диаметром несколько дюймов можно передавать столько же электроэнергии, как и по огромной сети ЛЭП, причем с очень малыми потерями или вообще без них. Стоимость изготовления изоляции и охлаждения криопроводников должна компенсироваться эффективностью передачи энергии. С появлением керамических сверхпроводников, охлаждаемых жидким азотом, передача электроэнергии с применением сверхпроводников становится экономически очень привлекательной.Еще одно возможное применение сверхпроводников — в мощных генераторах тока и электродвигателях малых размеров. Обмотки из сверхпроводящих материалов могли бы создавать огромные магнитные поля в генераторах и электродвигателях, благодаря чему они были бы значительно более мощными, чем обычные машины. Опытные образцы давно уже созданы, а керамические сверхпроводники могли бы сделать такие машины достаточно экономичными. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии, в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии.Инженеры давно уже задумывались о том, как можно было бы использовать огромные магнитные поля, создаваемые с помощью сверхпроводников, для магнитной подвески поезда (магнитной левитации). За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд двигался бы плавно, без шума и трения и был бы способен развивать очень большие скорости. Экспериментальные поезда на магнитной подвеске в Японии и Германии достигли скоростей, близких к 300 км/ч.

Применение	Примечания
крупномасштабное а) экранирование	Сверхпроводник не пропускает магнитный поток, следовательно, он экранирует электромагнитное излучение. Используется в микроволновых устройствах, защита от излучения при ядерном взрыве.
сильноточные устройства а) магниты - научно-исследовательское оборудование - магнитная левитация	НТСП магниты используются в ускорителях частиц и установках термоядерного синтеза.Интенсивно проводятся работы по созданию поездов на магнитной подушке. Прототип в Японии использует НТСП.
другие статические применения а) передача энергии б) аккумулирование в) вращающиеся электрические машиныг) вычислительные устройства	Прототипные линии НТСП продемонстрировали свою перспективность.Возможность аккумулировать электроэнергию в виде циркулирующего тока Комбинация полупроводниковых и сверхпроводящих приборов открывает новые возможности в конструкциировании аппаратуры.

Литература:

1. «Сверхпроводимость»; Павлов Ю. М, Шугаев В. А.

2. «Сверхпроводимость в технике»; Труды второй всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводимости.

3. «Введение в сверхпроводимость»; Зайцев, Орлов.

4. «Сверхпроводимость: физика, химия, техника» №1-6, 1996

5. «Сверхпроводимость: исследования и разработки» №6, 1994.

6. «Физические свойства сверхтемпературных сверхпроводников. М., 1980

7. «Введение в сверхпроводимость». Тинкхам М. М., 1980

8. «Введение в теорию сверхпроводников». Шмидт В.В. М., 1982

www.studmed.ru

Реферат - Сверхпроводимость - Рефераты на репетирем.ру

Сверхпроводимость.

ВВЕДЕНИЕ .

ТЕОРИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ.

Далее оказалось, что 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).

Вс = B0 [ 1 - (T/Tс)2 ],

где В0 - критическое поле, экстраполированное к абсолютному нулю температуры.

Для некоторых веществ повидимому имеет место зависимость от Т в первой степени. При действии магнитного поля на сверхпроводник наблюдается особого вида гистерезис, а именно если повышая магнитное поле уничтожить сверхпроводимость при H=Ht ( H - сила поля, Ht - повышенная сила поля: Ht = a (Tс2 - T2) ) , то с понижением интенсивности поля сверхпроводимость появится вновь при поле Ht´< Ht, dH = Ht - Ht´ меняется от образца к образцу и обычно составляет 10% Ht. Повышение силы тока также приводит к исчезновению сверхпроводимости, то есть при этом понижается Tс. Чем ниже температура, тем выше та предельная сила тока it при которой сверхпроводимость уступает место обычной проводимости.

Сверхпроводимость наблюдается как у элементов, так и у сплавов и металлических соединений. Сверхпроводимость есть у Hg, Sn(белое), Pb, Tl, Tn, Ga, Ta, Th, Ti, Nb (иногда Cd).

Идеальный проводник и сверхпроводник. Эффект Мейснера.

Для анализа поведения идеального проводника в магнитном поле рассмотрим контур, помещенный в поле с индукцией Ba (рис.2, а). Если площадь, ограниченая кольцом равна А, то поток, пронизывающий кольцо, можно описать по формуле

Ф=А×Вa.

При изменении приложенного поля в кольце, согласно закону Ленца, индуцируются токи. Они направлены так, что созданный ими внутри кольца поток стремится компенсировать изменение потока, вызванное переменной приложенного поля. Между инлуцированным током и электродвижущей силой (-А×dBа/dt) справедливо следующее соотношение:

-А×dBа/dt=Ri+L×di/dt,

где R и L - полное сопротивление и индуктивность контура.

В обычном кольце наведенные токи из-за конечного сопротивления быстро затухают и поток, пронизывающий контур принимает новое значение. В случае идеальной проводимости R=0, последнее соотношение принимает вид

-А×dBа/dt=L×di/dt

или

Li+ABа=const.

Таким образом, полный магнитный поток через контур без сопротивления (Li+ABа) не может измениться. Даже при снижении внешнего поля до нуля, внутренний поток сохраняется благодаря циркулирующему в замкнутом кольце индуцированного незатухающего тока.

Все вышеизложенное относилось к условию, при котором кольцо, находясь в приложенном магнитном поле, охлаждалость ниже температуры Тс, при которой исчезало сопротивление. Если же контур сначала охладить, а затем приложить внешне поле, то результирующий внутренний поток останется равным нулю несмотря на наличие внешнего поля.

Рассмотрим поведение идеального проводника в магнитном поле. Предположим, что образец из идеального проводника проходит следующие стадии: сначала охлаждается ниже некоторой температуры, когда падает сопротивление, а затем накладывается магнитное поле. Сопротивление по любому произвольно выбранному замкнутому контуру внутри металла равно нулю. Следовательно, величина магнитного потока, заключенного внутри этого кольца, остается равной нулю. Произвольность выбора контура позволяет заключить, что магнитный поток равен нулю по всему объему образца. Это связано с индуцированными магнитным полем незатухающими токами по поверхности образца. Они создают магнитный поток, плотность которого Вi повсюду внутри металла точно равна по величине и противоположна по плотности потока приложенного магнитного поля Вa. Таким образом, возникает ситуация, когда поверхностные токи, часто называемые экранирующими, препятствуют проникновению в образец магнитного потока приложенного поля. Если внутри вещества, находящегося во внешнем поле, магнитный поток равен нулю, то говорят, что он проявляет идеальный диамагнетизм. При снижении плотности приложенного поля до нуля образец остается в своем ненамагниченном состоянии.

В другом случае, когда магнитное поле приложено к образцу, находящемуся выше переходной температуры, конечная картина заметно изменится. Для большинства металлов (кроме ферромагнетиков) значение относительной магнитной проницаемости близко к единице. Поэтому плотность магнитного потока внутри образца практически равна плотности потока приложенного поля. Исчезновение электросопротивления после охлаждения не оказывает влияния на намагниченность, и распределение магнитного потока не меняется. Если теперь снизить приложенное поле до нуля, то плотность магнитного потока внутри сверхпроводника не может меняться, на поверхности образца возникают незатухающие токи, поддерживающие внутри магнитный поток. В результате образец остается все время намагниченным. Таким образом, намагниченность идеального проводника зависит от последовательности изменения внешних условий.

В течение почти четверти века считали, что единственным характеристическим свойством сверхпроводящего состояния является отсутствие электрического сопротивления. Это означает, что сверхпроводник в магнитном поле будет вести себя так, как описано выше. Однако такой подход приводит к неоднозначному описанию сверхпроводящей фазы.

Эксперимент, иллюстрирующий переход из сверхпроводящего состояния в обычное продемонстрировал, что сверхпроводники - нечто большее, чем идеальные проводники. Они обладают дополнительным свойством, отсутствующим от металла, просто лишенного сопротивления: металл в серхпроводящем состоянии никогда не позволяет магнитному потоку проникнуть внутрь, всегда Вi=0.

Когда сверхпроводник охлаждается в слабом магнитном поле, то при температуре перехода на его поверхности возникает незатухающий ток, циркуляция которого обращает внутренний магнитный поток в нуль. Это явление, заключающееся в том, что внутри сверхпроводника плотность магнитного потока всегда, даже во внешнем магнитном поле, равна нулю, называется эффектом Мейснера.

Эффект выталкивания магнитного поля из сверхпроводника можно пояснить на основе представлений о намагниченности. Если экранирующие токи, полностью компенсирующие внешнее магнитное поле, сообщают образцу магнитный момент m, то намагниченность M выражается соотношением

M=m/V,

где V - объем образца. Можно говорить о том, что экранирующие токи приводят к появлению намагниченности, соответствующей намагниченности идеального ферромагнетика с магнитной восприимчивостью, равной минус единице.

Эффекты Джозефсона. Если два сверхпроводника разделены между собой достаточно тонким слоем диэлектрика ( например, два металических слоя, разделенных окислом), то проникновение через барьер макроскопических волновых функций приводит к их перекрытию или к тунелированию электронных пар. Связанные с этим эффекты были количественно исследованы Брайаном Джозефсоном в 1962г.. Он показал, что если имеется разность фаз между этими двумя волновыми функциями, то ток может протекать в отсутствие какой-либо разности потенциалов.

Слой диэлектрика - не единственно возможный тип “слабого звена”, среди других типов можно отметить точечный контакт двух хорошо пришлифованных сверхпроводников, или же микромостик, образованный путем травления сверхпроводящей пленки. На практике при нулевом напряжении через контакт можно пропустить ток только вплоть до некоторого порогового значения, выше которого появится напряжение. Это напряжение затем возрастает при росте тока. Такое явление называется стационарным эффектом Джозефсона. Нестационарный эффект Джозефсона возникает, когда к контакту прикладывается напряжение и через него начинает течь переменный ток.

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 .

С помощью правила Сильсби можно определить также критические токи для сверхпроводников во внешнем магнитном поле. Для этого необходимо сложить внешнее магнитное поле с полем транспортного тока на поверхности. Плотность тока достигает результирующее значение, когда это результирующее поле Врез становится критическим. Для проволоки радиусом R в магнитном поле Bа, перпендикулярном ее оси:

Врез=2Bа+(1/(2pR))m0.

Здесь значение 2Вa на образующей цилиндра получено для коэффициента размагничивания uм=1/2.

Зависимость критического тока от внешнего поля Вa можно определить из уравнения:

Iс=(2pR)/m0(Bс-2Bа).

График ее представлен на рис.4

рис.4 Зависимость критического тока от внешнего магнитного поля, перпендикулярного проволоке.

В конце разговора о сверхпроводниках первого рода отметим, что низкие критические параметры делают практически невозможным их техническое использование.

рис.5 Структура промежуточного состояния проволоки, несущей критический ток.

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 В³Bc, 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). Характеристический параметр x называют длиной когерентности, зависимость ее от температуры определяется формулой

z(Т)=z0(Tc/(Tc-T))½,

где x0 зависит от свойств сверхпроводника и составляет по порядку величины 10-6 - 10-8 м.

рис.3 Распределение магнитного потока и плотности сверхпроводящих электронов вблизи фазовой границы.

Основы микроскопической теории сверхпроводимости.

Взаимодействие электронов с фотонами. Ранее было показано, что переход о нормального к свехпроводящему состоянию связан с определенным упорядочиванием в электронной системе твердого тела. На основании этого можно предположить, что переход в сверхпроводящее состояние обусловлен взаимодействием электронов друг с другом.

В принципе можно предположить различные механизмы такого взаимодействия. Были попытки объяснить упорядочение системы с помощью механизма кулоновского отталкивания электронов. Рассматривалось магнитное взаимодействие электронов, которые, пролетая через решетку с большими скоростями, создают магнитное поле и с помощью него взаимодействия между собой. Однако эти и другие подходы не позволяют построить теорию сверхпроводимости и объяснить электрические, магнитные и тепловые свойства сверхпроводников.

Конструктивной основой для создания такой теории стала идея о взаимодействии электронов через колебания решетки, сформулированная в 1950-51 гг. практически независимо друг от друга Г. Фрелихом и Дж. Бардиным. Такое рассмотрение позволило уже в 1957 г. Дж. Бардину, Л. Куперу и Дж. Шифферу создать микроскопическую теорию сверхпроводимости, получившая название БКШ ( по начальным буквам фамилий авторов).

Рассмотрим качественно механизм межэлектронного взаимодействия через колебания решетки. Как известно, ионы в кристаллической структуре совершают колебания около положений равновесия. Если в такую решетку поместить всего два электрона и пренебречь всеми остальными, то положительно заряженные ионы, расположенные вблизи этих электронов, будут притягиваться к ним. Образуются две области поляризации решетки, то есть скопления положительного заряда ионов вблизи оказывающих поляризующее действие отрицательно заряженных электронов. Второй электрон и поляризованная им область решетки могут реагировать на поляризацию, вызванную первым электроном. При этом второй электрон испытывает притяжение к месту поляризации первого электрона, а следовательно, и к нему самому.

Рассмотренная выше модель имеет весьма существенный недостаток - она является статической. Реально электроны в металле имеют очень большие скорости (порядка 106 м/c) . Поэтому можно предположить, что электрон, перемещаясь по кристаллу, притягивает ионы и создает область избыточного положительного заряда. Такая динамическая поляризация является относительно устойчивой, поскольку масса ионов значительно больше, чем масса электронов. Таким образом, второй электрон, пролетая сквозь решетку, притягивается к этому сгустку положительного заряда, а следовательно, и к первому электрону. Отметим, что при высоких температурах ( больше критической) интенсивное тепловое движение узлов кристалла делает поляризацию решетки слабой, а следовательно, практически невозможным взаимодействие между электронами.

Энергетические щели. Для развития динамической модели будем полагать, что второй электрон движется по поляризованному следу первого электрона. При этом возможны две ситуации: первая - импульсы электронов одинаковы по величине и направлению, то есть они образуют пару частиц с удвоенным импульсом, вторая - импульсы электронов одинаковы по величине и противоположны по направлению. Такую корреляцию электронов также можно рассматривать, как пару с нулевым импульсом. Если электроны, кроме того, будут иметь противоположные спины, то такая пара будет обладать уникальными свойствами.

Чрезвычайно интересным с точки зрения понимания механизма сверхпроводимости является вопрос о процессах энергообмена в свехпроводящем состоянии. В принципе ясно, что эти процессы связаны с разрушением куеперовских пар и энергетическими переходами в системе свободных электронов, причем как первое, так и второе определяется совокупностью свободных состояний, в которые могут перейти электроны. Сложность рассматриваемой задачи связана с тем, что образование куперовских пар приводит к изменению квантово - механических состояний неспаренных электронов.

Распределение электронов в нормальном металле описывается функцией Ферми-Дирака

f(E)=(e (E-m)/(kT)+ 1)-1.

Где k - постоянная Больцмана; m - химический потенциал.

При температуре Т=0 К полная функция распределения N(E)=f(E)g(E), определяющая число частиц с энергией Е, равна плотности числа состояний g(E), так как f(E)=1:

g(E)=((4pV)/ n3)(2m)3/2Е1/2.

График этой функции представлен на рис.6а

Взаимодействие электронов в сверхпроводнике с образованием куперовских пар приводит к тому, что небольшая область энергии вблизи уровня Ферми становится запрещенной для электронов - возникает энергетическая щель. В пределах этой щели нет ни одного разрешенного для неспаренных электронов энергетического уровня. Под влиянием взаимодействия между электронами, имеющими энергию, близкую к Еf, они оказываются как бы сдвинутыми относительно уровня Ферми (рис.6б).

рис.6 а) плотность состояний электронов в нормальном металле при Т =0. Занятое состояние заштриховано. б) плотность состояний неспаренных электронов в сверхпроводнике. Занятое состояние заштриховано.

рис.7 Зависимость ширины энергетической щели от температуры.

При Т=0 К ширина щели максимальна (2d0»10-2 - 10-3 эВ), а все свободные (неспаренные) электроны находятся под щелью (на уровне с энергией меньше Еf). При повышении температуры часть куперовских пар разрушается, а некоторые неспаренные электроны “перескакивают” щель и заполняют состояния с энергией больше Еf. Ширина щели 2d(T) при этом уменьшается (рис.7).

Между максимальной (при Т=0 К) шириной щели 2d0и критической температурой Тc существует прямая зависимость. По теории БКШ, удовлетворительно согласующейся с экспериментальными данными для большого числа сверхпроводников (кроме Nb, Ta, Pb, Hg):

2d0=3,5 kTс.

Ширина щели по этому соотношению определяется в эВ.

Таким образом, для реализации высокотемпературной сверхпроводимости (с Тc>90 К) необходимо искать другой механизм корреляции электронов. Один из возможных подходов описан подходов описан американским физиком Литтлом. Он предположил, что в органических веществах особого строения возможна всерхпроводимость при комнатных температурах. Основная идея заключалась в том, чтобы получить свеобразную полимерную нитку с регулярно расположенными электронными фргментами. Корреляция электронов, движущихся вдоль цепочки, осуществляется засчет поляризации этих фрагментов, а не кристаллической решетки. Поскольку масса электрона на несколько порядков меньше массы любого иона, поляризация электронных фрагментов может быть более сильной, а критическая температура более высокой, чем при фоновом механизме.

В основе теоретической модели высокотемпературной сверхпроводимости, разработанной академиком В.Л.Гизбургом, лежит так называемый экситонный механизм взаимодействия электронов. Дело в том, что в электронной системе существуют особые волны - экситоны. Подобно фононам они являются квазичастицами, перемещающимися по кристаллу и не связанными с переносом электрического заряда и массы. Модельный образец такого сверхпроводника представляет собой металлическую пленку в слоях диэлектрика или полупроводника. Электроны проводимости, движущиеся в металле, отталкивают электроны диэлектрика, то есть окружают себя облаком избыточного положительного заряда, который и приводит к образованию электроной пары. Такой механизм корреляции электронов предсказывает весьма высокие значения критической температуры (Тc=200 К).

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ.

Идея высокотемпературной сверхпроводимости ( ВТСП ) в органических соединениях была выдвинута в 1950г. Ф.Лондоном и лишь 14 лет спустя появился отклик на эту идею в работах американского физика В.Литтла, вызвавший критические отзывы, отрицающие возможность ВТСП в неметаллических системах. Таким образом, хотя идея ВТСП родилась ы работе Ф. Лондона в 1950г., годом рождения проблемы следует считать время появления первых, пока, правда, малочисленных потоков информации по ВТСП - 1964г.. Если рассмотреть эволюцию температуры сверхпроводящего перехода,, то станет ясно, что рост температуры сверхпроводящего перехода приводил к возможности использования хладагентов со все более высокой температурой кипения ( жидкий гелий, водород, неон, азот). Хотя до азотных температур перехода, открытых недавно в металлокерамиках, практически использовался для охлаждения жидкий гелий, однако скачки в росте температуры перехода дают право положить их в основу периодизации ВТСП о гелиевом, водородном, неоновом и, наконец, азотном периодах ВТСП. Так Nb3Sn сменился Nb - Al - Ge, затем наибольшая температура была обнаружена d 1973-81гг. у Nb3Ge (23,9 K), которая оставалась рекордной вплоть до сверхпроводимости металлокерамиками. La - Sr - Cu - O при 30 К в 86г., вырастая до 100 К на материале I - Ba - Cu - O.

Ключевым для проблемы ВТСП является вопрос критической температуры от характеристики вещества. С открытием в 86 нового класса сверхпроводящих материалов с более высокими, чем ранее критическими температурами, во всем мире развернулись работы по изучению по изучению свойств ВТСП с целью определения возможности их применения в различных областях науки и техники. Интерес к ВТСП объясняется в первую очередь тем, что повышение рабочей температуры до азотной позволит существенно упростить и удешевить системы криогенного обеспечения, повысить их надежность. Для успешного применения ВТСП в сильноточных устройствах (соляноидах, накопителях энергии, электромагнитах, транспорте с магнитным подвесом) необходимо решить ряд вопросов. Одной из важнейших проблем при создании сильноточных устройств с использованием ВТСП является проблема обеспечения устойчивой работы обмоток с током. Проблема стабилизации ВТСП включает в себя несколько аспектов. Внутренним свойством сверхпроводимости является скачкообразный характер проникновения в них магнитного поля. Этот процесс сопровождается выделением части запасенной энергии магнитного поля при его распределении. Поэтому, наиболее важное направление стабилизации сверхпроводников - их стабилизация против сигналов потока. Крое того, проводники, внутренне стабилизированные против сигналов потока, при работе подвергаются действию различного рода возмущений как механического, так и электромагнитного характера, тоже сопровождающиеся выделением энергии.

Основные характеристики композитных ВТСП-проводников.

В настоящее время все усилия в области ВТСП наряду с совершенствованием их свойств и способов получения направлены на создание изделий на основе ВТСП, пригодных для применения в радиоэлектронных системах для детектирования, аналоговой и цифровой обработки сигналов. (см. рис.1).

Основными достоинствами ВТСП являются отсутствие потерь на постоянном и сравнительно небольшие потери на переменном токах, возможность экранирования магнитных и электромагнитных полей, возможность передачи сигналов с крайне малыми искажениями.

Параметром, непосредственно определяющим высокочастотные свойства ВТСП материалов является их поверхностное сопротивление. В обычных металлах поверхностное сопротивление увеличивается пропорционально квадратному корню из частоты в то время, как в ВТСП - пропорционально ее квадрату. Однако, благодаря тому, что начальное значение поверхностного сопротивления ( на постоянном токе) у ВТСП на несколько порядков ниже, чем у металлов, высококачественные ВТСП сохраняют преимущества по сравнению с металлами при частоте до нескольких сотен гигагерц.

Интерес к вопросу практического использования сверхпроводников появился в 50-х гг, когда были открыты сверхпроводники второго рода с высокими критическими параметрами как по значению плотности тока, так и по величине магнитной индукции. В настоящее время использования явления сверхпроводимости приобретает все больше практическое значение.

Применение сверхпроводников потребовало решения ряда новых задач, в частности, интенсивного развития материаловедения в области низких температур. При это исследовались не только сверхпроводники собственно, но и конструкции и изоляционные материалы.

Наибольшее распространение из сверхпроводящих материалов в электротехнике получили сплав ниобий-титан и интерметаллид ниобий-олово. Технологические процессы изготовления исключительно тонких ниобий-титановых нитей и их стабилизации достигли весьма высокого уровня развития. При создании многожильных проводников на основе ниобий-олова широкое применение находит так называемая бронзовая технология.

Развитие сверхпроводниковой техники также связано с созданием ожижителей и рефрижераторов все большей хладопроизводительности на уровне температур жидкого гелия.

Наиболее широкое реальное применение сверхпроводимость находит при создании крупных электромагнитных систем. В 80-х гг в СССР был осуществлен запуск первой в мире установки термоядерного синтеза Т-7 со сверхпроводящими катушками тороидального магнитного поля.

Сверхпроводящие катушки используются также для пузырьковых водородных камер, для крупных ускорителей элементарных частиц. Изготовление таких катушек для ускорителей довольно сложно, так как требование исключительно высокой однородности магнитного поля вызывает необходимость точного соблюдения заданных размеров.

В последние годы имеет место все более широкое использование явления сверхпроводимости для турбогенераторов, электродвигателей, униполярных машин, топологических генераторов, жестких и гибких кабелей, коммутационных и токоограничивающих устройств, магнитных сепараторов, транспортных систем и др.. Следует также отметить важное направление в работах по сверхпроводимости - создание измерительных устройств для измерения температур, расходов, уровней, давлений и т.д.

На настоящий момент имеются два главных направления в области применения сверхпроводимости. Это прежде всего магнитные системы различного назначения и затем - электрические машины (прежде всего турбогенераторы).

Применение сверхпроводимости в турбогенераторах большой мощности перспективно потому, что именно здесь удается достигнуть того, чего при других технических решениях сделать невозможно, а именно, уменьшить массу и габариты машины при сохранении мощности. В обычных машинах это уменьшение всегда связано с увеличением потерь и трудностями обеспечения высокого КПД. Здесь этот вопрос решается радикально: массу турбогенераторов можно увеличить в 2-2,5 раза, в тоже время в связи с отсутствием потерь в роторе удается повысить КПД примерно на 0,5% и приблизиться для крупных турбогенераторов к КПД порядка 99,3%. Повышение КПД турбогенераторов на 0.1% компенсирует затраты, связанные с созданием генераторов на 30%. В этих условиях экономия энергии, получаемая за счет снижения потерь, очень быстро оправдывает те затраты, которые вкладываются в создание новых сверхпроводниковых машин. Экономически это, конечно, оправдано, но все дело в том, что для того, чтобы выйти в энергетику с большими машинами, нужно пройти очень сложный путь создания машин все больших мощностей. При этом нужно решать и более трудную проблему - обеспечение высокой надежности. Очень важным моментом в этой связи, является отработка токовводов при создании машин высокой мощности. Перепад температур на токовводах составляет около 300К, они имеют внутренние источники тепловыделения, и поэтому представляют собой один из наиболее напряженных в эксплуатационном отношении узлов сверхпроводникового электротехнического устройства, являясь потенциально опасным источником аварий в криогенной зоне. Поэтому, при разработке токовводов, в первую очередь необходимо обращать внимание на надежность их работы, обеспечивая ее даже в ущерб тепло- и электрохарактеристикам токовводов.

табл.1 “Сферы применения сверхпроводимости”

Применение	Примечания
экранирование	Сверхпроводник не пропускает магнитный поток, следовательно, он экранирует электромагнитное излучение. Используется в микроволновых устройствах, защита от излучения при ядерном взрыве.
Магниты - научно-исследовательское оборудование - магнитная левитация	НТСП магниты используются в ускорителях частиц и установках термоядерного синтеза. Интенсивно проводятся работы по созданию поездов на магнитной подушке. Прототип в Японии использует НТСП.
передача энергии, аккумулирование, вращающиеся электрические машины, вычислительные устройства	Прототипные линии НТСП продемонстрировали свою перспективность. Возможность аккумулировать электроэнергию в виде циркулирующего тока. Комбинация полупроводниковых и сверхпроводящих приборов открывает новые возможности в конструкциировании аппаратуры.

Литература, использованная при написании реферата.

1. “Сверхпроводимость”; Павлов Ю.М, ШугаевВ.А.

2. “Сверхпроводимость в технике”; Труды второй всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводимости.

3. “Введение в сверхпроводимость”; Зайцев, Орлов.

4. “Сверхпроводимость: физика, химия, техника” №1-6, 1996

5. “Сверхпроводимость: исследования и разработки” №6, 1994.

6. “Физическая энциклопедия” т.3

7. Советский Энциклопедический Словарь

ref.repetiruem.ru

Реферат - Сверхпроводимость и ее применение в физическом эксперименте

ВВЕДЕНИЕ. Из истории

В «кратком руководстве к физике», изданном в Санкт-Петербурге в начале XIX века, говорится: «Физика есть столько приятная, сколько и полезная наука, толкующая свойства тел или предметов, нас окружающих. Свойства тел познаются или через наблюдения, когда тело рассматривается в естественном состоянии, то есть так, как оно есть, или через опыты, когда тело приводят в такое состояние, до какого оно само дойти никогда не может» В общем, всё правильно. Физик тем и отличается от натуралиста, что он не только наблюдает, но и исследует природу, ставя опыты, приводя тела в такое состояние, до какого они сами дойти, не могут. Физика - приятная наука, поскольку дарит исследователю минуты вдохновения, сладость которых скрашивает годы труда и тревог. Тревог, потому что результат опыта - число - должен быть подвергнут строгой обработке, контролю и анализу на всех этапах эксперимента, потому что выбор методик неоднозначен и зависит от квалификации и интуиции исследователя, потому что появление новых экспериментальных возможностей побуждает его самого и других к постоянной проверке и уточнению уже полученных результатов. Ещё в недалёком прошлом для точных измерений изменений зарядов использовались электрометры и электроскопы. Я счёл нужным уделить электрометрам и электроскопам немного места в моей курсовой. Электрометры и электроскопы Терминология и теоретические основы Определения: не всегда бывает ясно, что именно отличает электрометр от электроскопа, и вследствие этого в литературе существует некоторая путаница. Для наших целей полезно установить следующие различия: электроскоп представляет собой электростатический прибор, для работы, с которым требуется только одна измеряемая разность потенциалов, для работы электрометров необходимо наличие добавочной разности потенциалов. Примерами подобных приборов являются обычный электроскоп с золотыми листочками и квадрантный электрометр (В русской литературе приняты другие определения для электроскопов и электрометров - первый является индикатором, а второй измерителем заряда. Указанные ранее признаки относятся к способам включения электрометра). Измерения методом постоянных отклонений В некоторых случаях желательно применять вместо метода утечки (спадающего отсчёта) постоянные отклонения. Это можно сделать, пользуясь электрометром для измерения падения напряжения на фиксированном сопротивлении. Предположим, что нам желательно измерить постоянную источника ионов I. Пусть емкость внешней системы, относительно земли будет С1 и электрометра С2 и пусть падение напряжения измеряется на сопротивлении R1. Тогда i1+i2= I?, i1=V/R1, i2=dQ2/dt=C2*dV/dt, I=dQ1/dt+I’, V=i1R1. Уравнение для потенциала на электрометре тогда будет: V=[ I-(C1+C2)*dV/dt]*R1 Решая и подставляя граничные условия, t=0, V=0, получим: V=I*R1 *[ 1-e-t/(C1+C2)*R1]. Таким образом, потенциал на электрометре экспоненциально возрастает. Если произвольно условиться, что мы будем ждать до тех пор, пока отклонение составит 99% окончательного отклонения, тогда мы должны ожидать время t=4.6*R1*C, где C=C1+C2.Спустя это время, отклонение будет приблизительно V*SV. Если мы измеряем I методом утечки (спадания), то мы должны были бы иметь то же самое за время R1C. Разность отсчётов, конечно, будет обусловлена тем обстоятельством, что во втором случае скорость спадания постоянна, тогда как в первом случае начинаются отклонения с той же скоростью, как если бы R1=?, но потом постепенно замедляются и становятся очень медленными по сравнению со вторым случаем. Поэтому для измерения слабых токов значительно более благоприятные результаты можно получить, применяя метод спадания (утечки). Большие же точки удобнее измерять методом постоянных отклонений. Метод спадания можно применять и для измерения относительно сильных токов, но в этом случае для удлинения времени спадания следует подключить емкость соответствующей величины.

Пределы чувствительности приборов различного типа

Пределы чувствительности к зарядам электроскопа и электрометра: для первого максимальная чувствительность к заряду выражается формулой: (SQ)MAX = 1/2*(C*K)-1/2= 1/(2*V0*b), и для последнего: (Sq)MAX = 1/2*(2*C*K)-1/2 =1/(4*V0*b) Ёмкость электроскопа без подводящих проводников зависит от особенностей его конструкции. Для электроскопа Вульфа или электроскопов крутильного типа она обычно бывает между 0.4 и 1 см. Ёмкость же электрометра с добавленной к нему внешней ёмкостью бывает порядка 20 - 100 см. Восстанавливающий момент K подвеса можно в каждом приборе уменьшать до тех пор, пока замедление движения не сделает прибор утомительным в работе или, как в случае большинства электроскопов, пока потенциал не сделается слишком малым, чтобы убрать все ионы. Так как камеру электрометра можно откачать, то легко подобрать такое давление, чтобы движение бисквита (стрелки на электрометре) сделалось затухающим критически. Если камера электроскопа не откачана, то рабочий период может сделаться чрезвычайно большим, когда будет достигнута максимальная чувствительность. Делая бисквитики, по возможности малыми и лёгкими, можно достичь очень многого в этом направлении, как это сделано в электрометрах Линдемана, Перукка или струнных электрометрах.

Предельная чувствительность и метод спадания (утечки)

Скорость спадания электрометра в течение одного отсчёта часто является ограничивающим фактором чувствительности. Она иногда делается слишком малой и утомительной для отсчётов прежде, чем будет достигнута максимальная чувствительность. Одной из главных причин, заставляющих не пользоваться методом спадания, является постепенное расхождение между положениями электрической и механической нулевых точек. Отклонение, обусловленное расхождением нулей, может быть во много раз больше действительного измеряемого отклонения. Спадание, обусловленное побочными причинами, может получиться за счёт: Флуктуаций напряжения в батарее Неупругими изменениями натяжения в подвесе Если бы скорость утечки была постоянной, то можно было бы сделать некоторые упрощающие допущения, однако существует целый ряд факторов, которые самым различным образом зависят от напряжения, температуры, влажности и т. п., и потому весьма трудно или вовсе не возможно устранить полностью или учесть эти колебания скорости утечки. Это особенно справедливо по отношению к электрометрам с электронными лампами, даже если применяются схемы с компенсацией.

ТЕОРИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ

Сверхпроводимость - физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ (сверхпроводников), при охлаждении их ниже определенной критической температуры Tс, и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления постоянному току и выталкивания магнитного поля из объема образца (эффект Мейснера). Явление открыто в 1911 г. Х. Каммерлинг-Оннесом. Изучая температурный ход электросопротивления Hg, он обнаружил, что при температуре ниже 4,22К Hg практически теряет сопротивление. Далее оказалось, что 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). Переход от сверхпроводящего состояния в нормальное можно осуществить путем повышения магнитного поля при температуре ниже критической Tс. Минимальное поле Bс, в котором разрушается сверхпроводимость, называется критическим магнитным полем. Зависимость критического поля от температуры описывается эмпирической формулой. Вс = B0 [1 - (T/Tс)2], где В0 - критическое поле, экстраполированное к абсолютному нулю температуры. Для некоторых веществ, по-видимому, имеет место зависимость от Т1. При действии магнитного поля на сверхпроводник наблюдается особого вида гистерезис, а именно если, повышая магнитное поле уничтожить сверхпроводимость при H=Ht (H - сила поля, Ht - повышенная сила поля: Ht = a*(Tс2 - T2)), то с понижением интенсивности поля сверхпроводимость появится вновь при поле Ht( Сверхпроводимость наблюдается как у элементов, так и у сплавов и металлических соединений. Сверхпроводимость есть у Hg, Sn(белое), Pb, Tl, Tn, Ga, Ta, Th, Ti, Nb (иногда Cd). Идеальный проводник и сверхпроводник Эффект Мейснера

Для анализа поведения идеального проводника в магнитном поле рассмотрим контур, помещенный в поле с индукцией Ba. Если площадь, ограниченная кольцом равна А, то поток, пронизывающий кольцо, можно описать по формуле Ф=А?Вa. При изменении приложенного поля в кольце, согласно закону Ленца, индуцируются токи. Они направлены так, что созданный ими внутри кольца поток стремится компенсировать изменение потока, вызванное переменной приложенного поля. Между индуцированным током и электродвижущей силой (-А?dBа/dt) справедливо следующее соотношение: -А?dBа/dt=Ri+L?di/dt, где R и L - полное сопротивление и индуктивность контура. В обычном кольце наведенные токи из-за конечного сопротивления быстро затухают и поток, пронизывающий контур принимает новое значение. В случае идеальной проводимости R=0, последнее соотношение принимает вид -А?dBа/dt=L?di/dt или Li+ABа=const. Таким образом, полный магнитный поток через контур без сопротивления (Li+ABа) не может измениться. Даже при снижении внешнего поля до нуля, внутренний поток сохраняется благодаря циркулирующему в замкнутом кольце индуцированного незатухающего тока. Все вышеизложенное относилось к условию, при котором кольцо, находясь в приложенном магнитном поле, охлаждалось ниже температуры Тс, при которой исчезало сопротивление. Если же контур сначала охладить, а затем приложить внешне поле, то результирующий внутренний поток останется равным нулю, несмотря на наличие внешнего поля. Рассмотрим поведение идеального проводника в магнитном поле. Предположим, что образец из идеального проводника проходит следующие стадии: сначала охлаждается ниже некоторой температуры, когда падает сопротивление, а затем накладывается магнитное поле. Сопротивление по любому произвольно выбранному замкнутому контуру внутри металла равно нулю. Следовательно, величина магнитного потока, заключенного внутри этого кольца, остается равной нулю. Произвольность выбора контура позволяет заключить, что магнитный поток равен нулю по всему объему образца. Это связано с индуцированными магнитным полем незатухающими токами по поверхности образца. Они создают магнитный поток, плотность которого Вi повсюду внутри металла точно равна по величине и противоположна по плотности потока приложенного магнитного поля Вa. Таким образом, возникает ситуация, когда поверхностные токи, часто называемые экранирующими, препятствуют проникновению в образец магнитного потока приложенного поля. Если внутри вещества, находящегося во внешнем поле, магнитный поток равен нулю, то говорят, что он проявляет идеальный диамагнетизм. При снижении плотности приложенного поля до нуля образец остается в своем не намагниченном состоянии. В другом случае, когда магнитное поле приложено к образцу, находящемуся выше переходной температуры, конечная картина заметно изменится. Для большинства металлов (кроме ферромагнетиков) значение относительной магнитной проницаемости близко к единице. Поэтому плотность магнитного потока внутри образца практически равна плотности потока приложенного поля. Исчезновение электросопротивления после охлаждения не оказывает влияния на намагниченность, и распределение магнитного потока не меняется. Если теперь снизить приложенное поле до нуля, то плотность магнитного потока внутри сверхпроводника не может меняться, на поверхности образца возникают незатухающие токи, поддерживающие внутри магнитный поток. В результате образец остается все время намагниченным. Таким образом, намагниченность идеального проводника зависит от последовательности изменения внешних условий. В течение почти четверти века считали, что единственным характеристическим свойством сверхпроводящего состояния является отсутствие электрического сопротивления. Это означает, что сверхпроводник в магнитном поле будет вести себя так, как описано выше. Однако такой подход приводит к неоднозначному описанию сверхпроводящей фазы. Эксперимент, иллюстрирующий переход из сверхпроводящего состояния в обычное продемонстрировал, что сверхпроводники - нечто большее, чем идеальные проводники. Они обладают дополнительным свойством, отсутствующим от металла, просто лишенного сопротивления: металл в серхпроводящем состоянии никогда не позволяет магнитному потоку проникнуть внутрь, всегда Вi=0. Когда сверхпроводник охлаждается в слабом магнитном поле, то при температуре перехода на его поверхности возникает незатухающий ток, циркуляция которого обращает внутренний магнитный поток в нуль. Это явление, заключающееся в том, что внутри сверхпроводника плотность магнитного потока всегда, даже во внешнем магнитном поле, равна нулю, называется эффектом Мейснера. Эффект выталкивания магнитного поля из сверхпроводника можно пояснить на основе представлений о намагниченности. Если экранирующие токи, полностью компенсирующие внешнее магнитное поле, сообщают образцу магнитный момент m, то намагниченность M выражается соотношением M=m/V, где V - объем образца. Можно говорить о том, что экранирующие токи приводят к появлению намагниченности, соответствующей намагниченности идеального ферромагнетика с магнитной восприимчивостью, равной минус единице.

Эффекты Джозефсона

Если два сверхпроводника разделены между собой достаточно тонким слоем диэлектрика (например, два металлических слоя, разделенных окислом), то проникновение через барьер макроскопических волновых функций приводит к их перекрытию или к тунеллированию электронных пар. Связанные с этим эффекты были количественно исследованы Брайаном Джозефсоном в 1962г.. Он показал, что если имеется разность фаз между этими двумя волновыми функциями, то ток может протекать в отсутствие какой-либо разности потенциалов. Слой диэлектрика - не единственно возможный тип “слабого звена”, среди других типов можно отметить точечный контакт двух хорошо пришлифованных сверхпроводников, или же микро мостик, образованный путем травления сверхпроводящей пленки. На практике при нулевом напряжении через контакт можно пропустить ток только вплоть до некоторого порогового значения, выше которого появится напряжение. Это напряжение затем возрастает при росте тока. Такое явление называется стационарным эффектом Джозефсона. Нестационарный эффект Джозефсона возникает, когда к контакту прикладывается напряжение и через него начинает течь переменный ток. Эффект Джозефсона может иметь много приложений, но он может быт и паразитным. Он возникает на границах зерен в поликристаллических образцах новых сверхпроводников и препятствует, например, попыткам измерения лондоновской глубины проникновения.

Сверхпроводники первого рода

Проанализируем протекание тока по проволоке круглого сечения, находящемся в сверхпроводящем состоянии. В отличие 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 ?. 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=?0(1/(2?R)), 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=0К составляет 75 А. С помощью правила Сильсби можно определить также критические токи для сверхпроводников во внешнем магнитном поле. Для этого необходимо сложить внешнее магнитное поле с полем транспортного тока на поверхности. Плотность тока достигает результирующее значение, когда это результирующее поле Врез становится критическим. Для проволоки радиусом R в магнитном поле Bа, перпендикулярном ее оси: Врез=2Bа+(1/(2?R))?0. Здесь значение 2Вa на образующей цилиндра получено для коэффициента размагничивания uм=1/2. Зависимость критического тока от внешнего поля Вa можно определить из уравнения: Iс=(2?R)/?0(Bс-2Bа). Процесс нарушения сверхпроводимости в массивных образцах при достижении критической силы тока происходит с образованием промежуточного состояния. При включении внешнего магнитного поля происходит его наложение на круговое поле тока, в результате чего геометрия межфазных границ между сверхпроводящими и нормальными областями значительно усложняется. В конце разговора о сверхпроводниках первого рода отметим, что низкие критические параметры делают практически невозможным их техническое использование.

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 Лоренца. 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 Лоренца 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 В?Bc, в сверхпроводящей спадает до нуля на глубине порядка ?. 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 ? плотность сверхпроводящих электронов по порядку величины достигает значения, равного ns(Т). Характеристический параметр ? называют длиной когерентности, зависимость ее от температуры определяется формулой ?(Т)=?0(Tc/(Tc-T))(, где ?0 зависит от свойств сверхпроводника и составляет по порядку величины 10-6 - 10-8 м. Основы микроскопической теории сверхпроводимости

Взаимодействие электронов с фотонами

Ранее было показано, что переход о нормального к сверхпроводящему состоянию связан с определенным упорядочиванием в электронной системе твердого тела. На основании этого можно предположить, что переход в сверхпроводящее состояние обусловлен взаимодействием электронов друг с другом. В принципе можно предположить различные механизмы такого взаимодействия. Были попытки объяснить упорядочение системы с помощью механизма кулоновского отталкивания электронов. Рассматривалось магнитное взаимодействие электронов, которые, пролетая через решетку с большими скоростями, создают магнитное поле и с помощью него взаимодействия между собой. Однако эти и другие подходы не позволяют построить теорию сверхпроводимости и объяснить электрические, магнитные и тепловые свойства сверхпроводников. Конструктивной основой для создания такой теории стала идея о взаимодействии электронов через колебания решетки, сформулированная в 1950-51 гг. практически независимо друг от друга Г. Фрелихом и Дж. Бардиным. Такое рассмотрение позволило уже в 1957 г. Дж. Бардину, Л. Куперу и Дж. Шифферу создать микроскопическую теорию сверхпроводимости, получившая название БКШ (по начальным буквам фамилий авторов). Рассмотрим качественно механизм меж электронного взаимодействия через колебания решетки. Как известно, ионы в кристаллической структуре совершают колебания около положений равновесия. Если в такую решетку поместить всего два электрона и пренебречь всеми остальными, то положительно заряженные ионы, расположенные вблизи этих электронов, будут притягиваться к ним. Образуются две области поляризации решетки, то есть скопления положительного заряда ионов вблизи оказывающих поляризующее действие отрицательно заряженных электронов. Второй электрон и поляризованная им область решетки могут реагировать на поляризацию, вызванную первым электроном. При этом второй электрон испытывает притяжение к месту поляризации первого электрона, а, следовательно, и к нему самому. Рассмотренная выше модель имеет весьма существенный недостаток - она является статической. Реально электроны в металле имеют очень большие скорости (порядка 106 м/c). Поэтому можно предположить, что электрон, перемещаясь по кристаллу, притягивает ионы и создает область избыточного положительного заряда. Такая динамическая поляризация является относительно устойчивой, поскольку масса ионов значительно больше, чем масса электронов. Таким образом, второй электрон, пролетая сквозь решетку, притягивается к этому сгустку положительного заряда, а, следовательно, и к первому электрону. Отметим, что при высоких температурах (больше критической) интенсивное тепловое движение узлов кристалла делает поляризацию решетки слабой, а, следовательно, практически невозможным взаимодействие между электронами.

Энергетические щели

Для развития динамической модели будем полагать, что второй электрон движется по поляризованному следу первого электрона. При этом возможны две ситуации: первая - импульсы электронов одинаковы по величине и направлению, то есть они образуют пару частиц с удвоенным импульсом, вторая - импульсы электронов одинаковы по величине и противоположны по направлению. Такую корреляцию электронов также можно рассматривать, как пару с нулевым импульсом. Если электроны, кроме того, будут иметь противоположные спины, то такая пара будет обладать уникальными свойствами. Чрезвычайно интересным с точки зрения понимания механизма сверхпроводимости является вопрос о процессах энергообмена в сверхпроводящем состоянии. В принципе ясно, что эти процессы связаны с разрушением куеперовских пар и энергетическими переходами в системе свободных электронов, причем как первое, так и второе определяется совокупностью свободных состояний, в которые могут перейти электроны. Сложность рассматриваемой задачи связана с тем, что образование куперовских пар приводит к изменению квантово - механических состояний, не спаренных электронов. Распределение электронов в нормальном металле описывается функцией Ферми-Дирака f(E)=(e (E-?)/(kT)+ 1)-1. Где k - постоянная Больцмана; ? - химический потенциал. При температуре Т=0 К полная функция распределения N(E)=f(E)g(E), определяющая число частиц с энергией Е, равна плотности числа состояний g(E), так как f(E)=1: g(E)=((4?V)/ n3)(2m)3/2Е1/2. Взаимодействие электронов в сверхпроводнике с образованием куперовских пар приводит к тому, что небольшая область энергии вблизи уровня Ферми становится запрещенной для электронов - возникает энергетическая щель. В пределах этой щели нет ни одного разрешенного для не спаренных электронов энергетического уровня. Под влиянием взаимодействия между электронами, имеющими энергию, близкую к Еf, они оказываются как бы сдвинутыми относительно уровня Ферми. При Т=0 К ширина щели максимальна (2d0?10-2 - 10-3 эВ), а все свободные (не спаренные) электроны находятся под щелью (на уровне с энергией меньше Еf). При повышении температуры часть куперовских пар разрушается, а некоторые, не спаренные электроны “перескакивают” щель и заполняют состояния с энергией больше Еf. Ширина щели 2d(T) при этом уменьшается. Между максимальной (при Т=0 К) шириной щели 2d0 и критической температурой Тc существует прямая зависимость. По теории БКШ, удовлетворительно согласующейся с экспериментальными данными для большого числа сверхпроводников (кроме Nb, Ta, Pb, Hg): 2d0=3,5 kTс. Ширина щели по этому соотношению определяется в эВ.

Высокотемпературная сверхпроводимость

Рассмотренный ранее механизм перехода в сверхпроводящее состояние основан на межэлектронном взаимодействии посредством кристаллической решетки, то есть за счет обмена фононами. Как показывают оценки, для такого механизма сверхпроводимости, называемая фононным, максимальная величина критической температуры не может превышать 40 К. Таким образом, для реализации высокотемпературной сверхпроводимости (с Тc>90 К) необходимо искать другой механизм корреляции электронов. Один из возможных подходов описан американским физиком Литтлом. Он предположил, что в органических веществах особого строения возможна сверхпроводимость при комнатных температурах. Основная идея заключалась в том, чтобы получить своеобразную полимерную нитку с регулярно расположенными электронными фрагментами. Корреляция электронов, движущихся вдоль цепочки, осуществляется за счет поляризации этих фрагментов, а не кристаллической решетки. Поскольку масса электрона на несколько порядков меньше массы любого иона, поляризация электронных фрагментов может быть более сильной, а критическая температура более высокой, чем при фоновом механизме. В основе теоретической модели высокотемпературной сверхпроводимости, разработанной академиком В.Л.Гинзбургом, лежит так называемый экситонный механизм взаимодействия электронов. Дело в том, что в электронной системе существуют особые волны - экситоны. Подобно фононам они являются квазичастицами, перемещающимися по кристаллу и не связанными с переносом электрического заряда и массы. Модельный образец такого сверхпроводника представляет собой металлическую пленку в слоях диэлектрика или полупроводника. Электроны проводимости, движущиеся в металле, отталкивают электроны диэлектрика, то есть окружают себя облаком избыточного положительного заряда, который и приводит к образованию электронной пары. Такой механизм корреляции электронов предсказывает весьма высокие значения критической температуры (Тc=200 К). ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ. Идея высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в органических соединениях была выдвинута в 1950г. Ф.Лондоном и лишь спустя 14 лет появился отклик на эту идею в работах американского физика В.Литтла, вызвавший критические отзывы, отрицающие возможность ВТСП в неметаллических системах. Таким образом, хотя идея ВТСП родилась в работе Ф. Лондона в 1950г., годом рождения проблемы следует считать время появления первых, пока, правда, малочисленных потоков информации по ВТСП - 1964г.. Если рассмотреть эволюцию температуры сверхпроводящего перехода,, то станет ясно, что рост температуры сверхпроводящего перехода приводил к возможности использования хладагентов с все более высокой температурой кипения (жидкий гелий, водород, неон, азот). Хотя до азотных температур перехода, открытых недавно в металлокерамиках, практически использовался для охлаждения жидкий гелий, однако скачки в росте температуры перехода дают право положить их в основу периодизации ВТСП о гелиевом, водородном, неоновом и, наконец, азотном периодах ВТСП. Так Nb3Sn сменился Nb - Al - Ge, затем наибольшая температура была обнаружена d 1973-81гг. у Nb3Ge (23,9 K), которая оставалась рекордной вплоть до сверхпроводимости металлокерамиками. La - Sr - Cu - O при 30 К в 86г., вырастая до 100 К на материале I - Ba - Cu - O. Ключевым для проблемы ВТСП является вопрос критической температуры от характеристики вещества. С открытием в 86 нового класса сверхпроводящих материалов с более высокими, чем ранее критическими температурами, во всем мире развернулись работы по изучению по изучению свойств ВТСП с целью определения возможности их применения в различных областях науки и техники. Интерес к ВТСП объясняется в первую очередь тем, что повышение рабочей температуры до азотной позволит существенно упростить и удешевить системы криогенного обеспечения, повысить их надежность. Для успешного применения ВТСП в сильноточных устройствах (соленоидах, накопителях энергии, электромагнитах, транспорте с магнитным подвесом) необходимо решить ряд вопросов. Одной из важнейших проблем при создании сильноточных устройств с использованием ВТСП является проблема обеспечения устойчивой работы обмоток с током. Проблема стабилизации ВТСП включает в себя несколько аспектов. Внутренним свойством сверхпроводимости является скачкообразный характер проникновения в них магнитного поля. Этот процесс сопровождается выделением части запасенной энергии магнитного поля при его распределении. Поэтому, наиболее важное направление стабилизации сверхпроводников - их стабилизация против сигналов потока. Кроме того, проводники, внутренне стабилизированные против сигналов потока, при работе подвергаются действию различного рода возмущений как механического, так и электромагнитного характера, тоже сопровождающиеся выделением энергии. Основные характеристики композитных ВТСП-проводников

Традиционные сверхпроводники второго рода (сплавы Nb - Ti, соединение Nb3Sn) применяются в сверхпроводящих магнитных системах в виде композитов с матрицей из нормального метала с высокими тепло- и электропроводностью. Наличие пластичной матрицы (чаще всего медной) значительно облегчает изготовление тонких длинномерных проводников волочением или прокаткой, то есть сверхпроводящие материалы отличаются хрупкостью. Стабильность сверхпроводимости - состояние относительно скачков магнитного потока - достигается путем изготовления проводников с весьма малым диаметром отдельных сверхпроводящих или же лент с малой толщиной сверхпроводящего слоя. По этим же причинам ВТСП-проводники в большинстве случаев изготавливаются в форме композитов, имеющих малую толщину или диаметр. Дополнительная причина применения нормального металла связана с необходимостью защиты ВТСП-материала от влажности и других факторов окружающей Среды, вызывающих деградацию оксидного сверхпроводника. Наилучшие результаты получены при использовании серебряной матрицы или обмотки сверхпроводника: кроме того, что серебро лишь в минимальной степени реагирует с ВТСП или его исходной продукции даже при высокой температуре синтеза, серебро отличается высокой диффузионной проницательностью для кислорода, что необходимо при синтезе и обжиге ВТСП. В настоящее время все усилия в области ВТСП наряду с совершенствованием их свойств и способов получения направлены на создание изделий на основе ВТСП, пригодных для применения в радиоэлектронных системах для детектирования, аналоговой и цифровой обработки сигналов. Основными достоинствами ВТСП являются отсутствие потерь на постоянном и сравнительно небольшие потери на переменном токах, возможность экранирования магнитных и электромагнитных полей, возможность передачи сигналов с крайне малыми искажениями. Параметром, непосредственно определяющим высокочастотные свойства ВТСП материалов, является их поверхностное сопротивление. В обычных металлах поверхностное сопротивление увеличивается пропорционально квадратному корню из частоты, в то время как в ВТСП - пропорционально ее квадрату. Однако, благодаря тому, что начальное значение поверхностного сопротивления (на постоянном токе) у ВТСП на несколько порядков ниже, чем у металлов, высококачественные ВТСП сохраняют преимущества по сравнению с металлами при частоте до нескольких сотен гигагерц. Интерес к вопросу практического использования сверхпроводников появился в 50-х гг., когда были открыты сверхпроводники второго рода с высокими критическими параметрами, как по значению плотности тока, так и по величине магнитной индукции. В настоящее время использования явления сверхпроводимости приобретает все больше практическое значение. Применение сверхпроводников потребовало решения ряда новых задач, в частности, интенсивного развития материаловедения в области низких температур. При это исследовались не только сверхпроводники собственно, но и конструкции и изоляционные материалы. Наибольшее распространение из сверхпроводящих материалов в электротехнике получили сплав ниобий-титан и интерметаллид ниобий-олово. Технологические процессы изготовления исключительно тонких ниобий-титановых нитей и их стабилизации достигли весьма высокого уровня развития. При создании многожильных проводников на основе ниобия олова широкое применение находит так называемая бронзовая технология. Развитие сверхпроводниковой техники также связано с созданием ожижителей и рефрижераторов все большей хладопроизводительности на уровне температур жидкого гелия. Наиболее широкое реальное применение сверхпроводимость находит при создании крупных электромагнитных систем. В 80-х гг. в СССР был осуществлен запуск первой в мире установки термоядерного синтеза Т-7 со сверхпроводящими катушками тероидального магнитного поля. Сверхпроводящие катушки используются также для пузырьковых водородных камер, для крупных ускорителей элементарных частиц. Изготовление таких катушек для ускорителей довольно сложно, так как требование исключительно высокой однородности магнитного поля вызывает необходимость точного соблюдения заданных размеров. В последние годы имеет место все более широкое использование явления сверхпроводимости для турбогенераторов, электродвигателей, униполярных машин, топологических генераторов, жестких и гибких кабелей, коммутационных и токоограничивающих устройств, магнитных сепараторов, транспортных систем и др.. Следует также отметить важное направление в работах по сверхпроводимости - создание измерительных устройств для измерения температур, расходов, уровней, давлений и т.д. На настоящий момент имеются два главных направления в области применения сверхпроводимости. Это, прежде всего магнитные системы различного назначения и затем - электрические машины (прежде всего турбогенераторы). Применение сверхпроводимости в турбогенераторах большой мощности перспективно потому, что именно здесь удается достигнуть того, чего при других технических решениях сделать невозможно, а именно, уменьшить массу и габариты машины при сохранении мощности. В обычных машинах это уменьшение всегда связано с увеличением потерь и трудностями обеспечения высокого КПД. Здесь этот вопрос решается радикально: массу турбогенераторов можно увеличить в 2-2,5 раза, в тоже время в связи с отсутствием потерь в роторе удается повысить КПД примерно на 0,5% и приблизиться для крупных турбогенераторов к КПД порядка 99,3%. Повышение КПД турбогенераторов на 0.1% компенсирует затраты, связанные с созданием генераторов на 30%. В этих условиях экономия энергии, получаемая за счет снижения потерь, очень быстро оправдывает те затраты, которые вкладываются в создание новых сверхпроводниковых машин. Экономически это, конечно, оправдано, но все дело в том, что для того, чтобы выйти в энергетику с большими машинами, нужно пройти очень сложный путь создания машин все больших мощностей. При этом нужно решать и более трудную проблему - обеспечение высокой надежности. Очень важным моментом в этой связи, является отработка токовводов при создании машин высокой мощности. Перепад температур на токовводах составляет около 300К, они имеют внутренние источники тепловыделения, и поэтому представляют собой один из наиболее напряженных в эксплуатационном отношении узлов сверхпроводникового электротехнического устройства, являясь потенциально опасным источником аварий в криогенной зоне. Поэтому, при разработке токовводов, в первую очередь необходимо обращать внимание на надежность их работы, обеспечивая ее даже в ущерб тепло- и электрохарактеристикам токовводов.

табл.1 “Сферы применения сверхпроводимости” Применение Примечания крупномасштабноеа) экранирование Сверхпроводник не пропускает магнитный поток, следовательно, он экранирует электромагнитное излучение. Используется в микроволновых устройствах, защита от излучения при ядерном взрыве. сильноточные устройстваа) магниты- научно-исследовательское оборудование- магнитная левитация НТСП магниты используются в ускорителях частиц и установках термоядерного синтеза.Интенсивно проводятся работы по созданию поездов на магнитной подушке. Прототип в Японии использует НТСП. другие статические примененияа) передача энергииб) аккумулированиев) вращающиеся электрические машиныг) вычислительные устройства Прототипные линии НТСП продемонстрировали свою перспективность.Возможность аккумулировать электроэнергию в виде циркулирующего токаКомбинация полупроводниковых исверхпроводящих приборов открывает новые возможности в конструировании аппаратуры.

КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР Простейший квантовый магнитометр — СКВИД представляет собой сверхпроводящее кольцо с двумя джозефсоновскими туннельными контактами. Схематически такое устройство показано на рисунке 62, Это полный аналог столь популярного в оптике опыта с интерференцией от двух щелей, только здесь интерферируют не световые волны, в два джозефсоновских тока /[и /з, каждый со своей амплитудой и фазой. Концы сверхпроводников / и 2 присоединены к прибору, который измеряет ток, равный сумме (с учетом фаз!) токов /| и /2. Таким образом, в СКВИДе волна сверхпроводящих электронов расщепляется на две, каждая из которых проходит свой туннельный контакт, а затем обе половинки сводятся вместе. СКВИДы бывают двух типов: СКВИД, работающий на постоянном токе, и СКВИД, работающий на переменном высокочастотном токе. СКВИД на переменном токе устроен несколько проще, он содержит один контакт, но описание его работы сложнее, и поэтому мы здесь рассмотрим работу магнитометра на постоянном токе. Рис.1 Поскольку оба туннельных контакта одинаковы и расположены симметрично, то в отсутствие поля созданный предварительно постоянный ток разделится между ними поровну, фазы его одинаковы и никакой интерференции не возникает. Но если теперь включить магнитное поле, то оно будет наводить в контуре циркулирующий сверхпроводящий ток. Этот ток, направленный, например, по часовой стрелке, в контакте 1 будет вычитаться из постоянного внешнего тока, а в контакте 2 складываться. Теперь обе ветви будут иметь разные токи, туннельные контакты разбалансируются, между ними возникнет разность фаз. Волны сверхпроводящих электронов, пройдя через контакты и вновь соединившись, будут интерферировать, интерференция проявится как зависимость критического тока СКВИДА Ik от внешнего магнитного поля. Эта зависимость показана на рисунке 2 (магнитный поток измеряется в естественных единицах – квантах потока Ф0 ).

Рис.2 Таким образом, критический ток контура с двумя джозефсоновскими контактами осциллирует в зависимости от внешнего поля, достигая максимума, когда пронизывающий контур магнитный поток равен целому числу квантов. Такой ступенчатый характер зависимости позволяет «чувствовать» отдельные флюксоиды -- кванты потока, хотя величина их очень мала (порядка Ю"15 Вб). Нетрудно понять почему. Магнитный поток внутри контура меняется, хотя и на малую величину: ЛФ==Фо, но скачком, т. е. за очень короткий промежуток времени \1. Так что скорость изменения магнитного потока АФ/А/ при таком скачкообразном характере изменения потока оказывается очень большой. Ее можно измерить, например, по величине ЭДС индукции, наводимой в специальной измерительной катушке прибора. В этом и состоит принцип работы квантового магнитометра. Сегодня сверхчувствительные магнитометры, измеряющие индукции магнитных полей с точностью до 10~15 Тл,—это уже промышленная продукция, находящая широкое применение в измерительной технике. С их помощью удалось осуществить ряд тонких экспериментов, исследовать новые физические явления. Вот некоторые примеры. Сверхпроводящие магнитометры оказались очень удобными для измерений магнитной восприимчивости различных веществ—отношения их намагниченности к приложенному полю. Благодаря своей огромной чувствительности они позволяют измерить очень малые восприимчивости и восприимчивости очень малых количеств вещества. Это последнее обстоятельство особенно важно для биохимических исследований. Градиометры на СКВИДах уже позволили измерить предельно малую восприимчивость белков. Применялись они также для измерения восприимчивости различных геологических пород и даже для измерения магнитного момента образцов лунного грунта. Физики, изучающие микромир, надеются, что квантовые магнитометры помогут им в поисках кварков и гравитационных волн. А вот геофизикам с помощью СКВИДов удалось зарегистрировать чрезвычайно слабые вариации магнитного поля Земли при различных катаклизмах (извержениях, землетрясениях). Установлено, например, что за несколько дней до землетрясения в области линии сдвига земной коры возникают возмущения магнитного поля. Такие данные, помимо их научного значения, могут оказаться ценным средством прогнозирования стихийных явлений. Самое лучшее, что создает электроника, она с готовностью отдает медицине для сохранения жизни и здоровья человека. Стоило СКВИДам появиться на свет, как сразу же им и здесь нашлось применение. С их помощью удалось получить идеальную кардиограмму, но не электрическую, а магнитную, отобразив с невиданной точностью мельчайшие импульсы, сопровождающие работу сердца. Ведь те же самые токи, которые измеряются при снятии обычной электрокардиограммы (или электроэнцефалограммы), создают также магнитное поле. Токи эти очень слабы, и соответственно магнитные поля имеют порядок миллиардных и менее долей тесла. Понятно, что подобные измерения могут проводиться только в специально экранированных от посторонних магнитных полей помещениях. Это, конечно, усложняет их применение, но все искупается огромной чувствительностью квантовых магнитометров; с их помощью обнаруживаются такие явления, которые не удавалось обнаружить электрическими методами исследования. Очень ценными для медиков оказались, например, магнитографические исследования тонких физиологических процессов. Были зарегистрированы магнитограммы работы мышц, желудка, глаза при различных освещенностях и др. Недалек тот день, когда магнитограммы, снятые с помощью СКВИДов, принципиально изменят существующие возможности для диагностики сердечных заболеваний. В заключение заметим, что основные системы со СКВИДами еще полностью не изучены и их еще следует тщательно исследовать и изучать. Но уже сейчас устройства, основанные на применении особенностей контактов слабосвязанных сверхпроводников, следует рассматривать как технику, потенциально пригодную для решения любых приборных проблем, требующих предельно высоких параметров чувствительности, точности и быстродействия.

Литература

1. “Сверхпроводимость”; Павлов Ю.М, ШугаевВ.А. 2. “Сверхпроводимость в технике”; Труды второй всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводимости. 3. “Введение в сверхпроводимость”; Зайцев, Орлов. 4. “Сверхпроводимость: физика, химия, техника” №1-6, 1996 5. “Сверхпроводимость: исследования и разработки” №6, 1994. 6. “Физическая энциклопедия” т.3 7. Советский Энциклопедический Словарь 8. Х.-И. Кунце “Методы физических измерений”; Москва “Мир”1989 9. Д. Стронг “Техника физического эксперимента”; Лениздат 1943 10. М.Г. Мнеян “Сверхпроводники в современном мире”; изд. “Просвещение” 1991 11.

www.ronl.ru

Доклад по физике. Сверхпроводимость: история развития, современное состояние и перспективы

ДОКЛАД

по физике

на тему:

«Сверхпроводимость: история развития, современное состояние и перспективы»

Выполнил:

Удовенко Алексей

обучающийся 10 класса

Бобравской СОШ

Беловского района

Курской области

Проверила:

Курбатова Альбина Владимировна

Учитель физики

Бобравской СОШ

Беловского района

Курской области

Бобрава 2013

Сверхпроводимость: история развития, современное

состояние и перспективы

Великие научные открытия нередко делаются в процессе осуществления вполне традиционных исследовательских проектов. Именно это произошло 8 апреля 1911 года в криогенной лаборатории Лейденского университета, которую семнадцатью годами ранее основал и возглавил профессор экспериментальной физики Хейке Камерлинг-Оннес. Вместе с ассистентами Корнелисом Дорсманом и Гиллесом Хольстом он изучал электрические свойства металлов, охлажденных до температур жидкого гелия. В тот судьбоносный день исследователи обнаружили, что тонкий провод из сверхчистой ртути при охлаждении до 3 градусов Кельвина практически перестает сопротивляться электрическому току. Камерлинг-Оннес прекрасно знал, что его открытие не поддается объяснению с точки зрения тогдашних физических теорий. Его главный — и очень глубокий — вывод состоял в том, что ртуть перешла в новое состояние, которое он назвал сверхпроводящим. Этот термин впервые появился в записных книжках Камерлинг-Оннеса; потом, в начале 1913 года, в его журнальной статье, а через несколько месяцев и в Нобелевской лекции. С тех пор он занимает почетное место в языке физики. Удовлетворительное объяснение данного явления, отмечено именами и других ученых: американских физиков Л.Купера, Дж. Бардина, Дж.Шриффера, советского математика и физика Н.Н.Боголюбова. Практическое использование данное явление получило в середине шестидесятых годов, после того как были разработаны сверхпроводящие материалы, пригодные для технических применений. Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соединений и сплавов 23К, а также у керамик ( 77,4 К – 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 Сu?ª(роль их в возникновении сверхпроводимости пока не ясна), которые служат как бы микроскопическими магнитами. Сверхпроводимость материалов с 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 какими-либо другими частицами. 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.

Сверхпроводники первого рода при помещении их в магнитное поле «выталкивают» последнее так, что индукция внутри сверхпроводника равна нулю (эффект Мейсснера). Напряженность магнитного поля, при котором разрушается сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называется критическим магнитным полем. У сверхпроводников второго рода существует промежуток напряженности магнитного поля, где индукция внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии. Сверхпроводимость до сих пор привлекает к себе пристальное внимание со стороны физиков-теоретиков. Ввиду сложности явления разрабатываются как можно более простые модели, из которых были бы предельно ясны его основные черты. Одно из упрощений связано с понятием размерности. Интуитивно ясно, что двухмерную, плоскую кристаллическую структуру исследовать, вообще говоря, легче, чем трехмерную, пространственную; одномерную, линейную- проще, чем двухмерную. Вот почему, рассуждая о сверхпроводимости, теоретики часто обращаются к модели так называемого одномерного кристалла. Его частицы взаимодействуют друг с другом лишь в одном каком-то направлении, а в двух других, поперечных направлениях взаимодействие между частицами пренебрежимо малы. В рамках такой модели американский физик У.Литлл в 1964 году выдвинул смелое предположение: возможны сверхпроводники не металлической, а органической природы. Важное место в своих рассуждениях Литлл отводил полимерным молекулам, в основной цепи которых есть чередующиеся единичные и кратные связи (химики называют такие связи сопряжёнными). Дело в том, что каждая химическая связь, соединяющая атомы,- это пара принадлежащих им обоим электронов. В цепочке сопряженных связей степень обобществления электронов еще выше: каждый из них в равной мере принадлежит всем атомам цепочки и может свободно перемещаться вдоль нее. Эту особенность сопряженных связей в основной цепи полимерной молекулы Литлл полагал важной предпосылкой для перехода в сверхпроводящее состояние. Необходимой для перехода он считал и особую структуру ответвлений от основной цепи. Составив проект своего полимера, ученый заключил: вещество с такими молекулами обязано быть сверхпроводящим; более того - в это состояние оно должно переходить при не очень низкой температуре, возможно, близкой к комнатной. Проводники, свободные от всяких энергетических потерь при совершенно обычных условиях, конечно же, совершили бы революцию в электротехнике. Идея американского физика была подхвачена во многих лабораториях различных стран. Однако довольно быстро выяснилось, что придуманный Литллом пример, никоем образом, перейти в сверхпроводящее состояние не способен. Но энтузиазм, рожденный смелой идей, дал свои плоды, пускай и не там, где они предвиделись на первых порах. Сверхпроводимость была-таки обнаружена за пределами мира металлов. В 1980 году в Дании группа исследователей под руководством К. Бекгарда, экспериментируя с органическим веществом из класса ион-радикальных солей, перевела его в сверхпроводящее состояние при давлении 10 килобар и температуре на 0,9 градуса выше абсолютного нуля. В 1983 году коллектив советских физиков, возглавляемый доктором физико-математических наук И.Ф. Щеголевым, добился от вещества того же класса перехода в сверхпроводящее состояние уже при 7 градусах абсолютной шкалы температур и при нормальном давлении. В ходе всех этих поисков и проб вниманием исследователей не был обойден и карбин. (Карбин - органическое вещество, крайне редко встречающееся в природе). Структура которого - бесконечные линейные цепочки из атомов углерода. Свою структуру сохраняет при нагреве до 2000 С, а затем, начиная примерно с 2300 С, она перестраивается по типу кристаллической решётки графита. Плотность карбина составляет 1,92,2 г/см?. В связи с тем, что критические температуры этих материалов не превышали 20 К, все созданные сверхпроводниковые устройства эксплуатировались при температурах жидкого гелия, т.е. при 4-5 К. Несмотря на дефицитность этого хладагента, высокие энергозатраты на его ожижение, сложность и высокую стоимость систем теплоизоляции по целому ряду направлений началось практическое использование сверхпроводимости. Наиболее крупномасштабными применениями сверхпроводников явились электромагниты ускорителей заряженных частиц, термоядерных установок. Были созданы опытные образцы сверхпроводниковых электрогенераторов, линий электропередачи, накопителей энергии, магнитных сепараторов и др. В последние годы в различных капиталистических странах началось массовое производство диагностических медицинских томографов со сверхпроводниковыми магнитами, потенциальный рынок которых оценивается в несколько млрд. долларов.

Открытие высокотемпературных сверхпроводников, критическая температура которых с запасом превышает температуру кипения жидкого азота, принципиально меняет экономические показатели сверхпроводниковых устройств, поскольку стоимость хладагента и затраты на поддержание необходимой температуры снижаются в 50-100 раз. Кроме того, открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) сняло теоретический запрет на дальнейшее повышение критической температуры с 30 - вплоть до комнатной. Так, со времени открытия этого явления критическая температура повышена с 30 - 130 К.

Перспективы ВТСП.

Только время позволит судить о том, сделает ли научное открытие жизнь людей лучше. Кроме того профессионал в области фундаментальных исследований может, как правило, претендовать только на статус любителя по части их практических приложений. Тем не менее, возможно указать на некоторые перспективы: -когда рассматривался как ВТСП карбин то мечты о его высокотемпературной сверхпроводимости можно было считать беспочвенными: уж очень сходен карбин по своей структуре с тем полимером, который предлагал Литлл и который был отвергнут как экспериментаторами, так и теоретиками. Зная это, хотелось бы напомнить, что в науке порой складывались ситуации, образно описываемые древним изречением: «Камень, который отвергли строители,– тот самый сделался главою угла». Создание конкретных технических изделий на основе ВТСП материалов наиболее реально в ближайшее время именно в слаботочной технике, т.е. в микроэлектронике и вычислительной технике. В рамках программы предполагается разработка и освоение серийного производства трех классов электронных сверхпроводниковых приборов:

- СКВИДы (приборы на основе джозефсоновских переходов) как детекторы слабых магнитных полей для применения в медицине (магнито-энцефалография), геологии и геофизике (поиск полезных ископаемых, изучение геологического строения земной коры, прогноз землетрясений), материаловедении (неразрушающий контроль материалов, конструкций), военной технике (обнаружение магнитных аномалий, в частности, глубинных подводных лодок), научных исследованиях, связи и навигации. Широкое освоение и внедрение СКВИД магнитометрического метода измерений позволит в короткий срок качественно изменить многие виды измерительной техники, повысить в сотни и более раз чувствительность приборов и точность измерений. - Аналого-цифровые приборы (АЦП), использующие сверхбыстрые (доли пикосекунды) переключения от джозефсоновского к "гиверовскому" режиму работы, для применений в новейших системах связи, цифровых вычислительных устройствах для обработки и анализа аналоговых сигналов. - Приборы, основанные на эффекте появления на джозефсоновском переходе постоянного напряжения при подаче на него СВЧ сигнала, для использования в прецизионных измерительных системах (например, эталон Вольта). Широкое применение ВТСП найдет в вычислительной технике. Уже в настоящее время разработаны, изготовлены и испытаны макеты ячейки памяти, сверхчувствительный элемент считывания на ВТСП пленках с кратным снижением энерговыделения по сравнению с полупроводниковыми усилителями считывания, сверхскоростные линии связи, которые позволят увеличить производительность систем в 10 - 100 раз. Внедрение ВТСП в вычислительную технику даст кратное увеличение ее быстродействия и степени интеграции. Так, переход на ВТСП соединения и снижение рабочей температуры полупроводниковых суперЭВМ позволит повысить их производительность с 10х9 до 10х12 операций/сек.. Одной из перспективных областей применения ВТСП является космическая техника - бортовые и "забортовые" измерительная аппаратура и вычислительные системы (возможна работа без специальных устройств охлаждения, так как "теневая" температура у спутников - 90 К). При этом при переходе на ВТСП удельная масса охлаждающей системы снизится в 50 раз, объем уменьшится в 1000 раз, надежность возрастет в 10 раз. Широкие перспективы использования ВТСП открываются в СВЧ-технике и в создании датчиков видимого и ИК диапазона с высокой чувствительностью.

Таким образом, вполне очевидно, что достижения в области сверхпроводимости являются ключевыми для энергетики, электроники, физики высоких энергий, воздушного, наземного и морского транспорта, космонавтики, медицины и многих других областей. Успешное использование прикладной сверхпроводимости может стать одним из главных ответов на возникающие потребности общества. Оно приобретает даже более важное значение, чем развитие возобновляемых источников энергии: солнечной, геотермальной, атомной, а также энергии воды и ветра. Что уж тут говорить о не возобновляемых источниках энергии, которые рано или поздно иссякнут. Более того, сверхпроводимость опосредованно найдет свое применение и во многих гуманитарных областях. В заключение отмечу, что еще в 2001 г. К.Х. Рознер сделал сравнительный прогноз по поводу применения низкотемпературных и высокотемпературных сверхпроводников в ближайшие десятилетия. Из него следовало постепенное сравнительное увеличение использования высокотемпературной сверхпроводимости над низкотемпературной, вызванное преимуществами работы ВТСП устройств при более высоких температурах эксплуатации, что обеспечивает соответствующее понижение финансовых и технологических затрат. При этом, однако, предполагалось сохранение преимуществ низкотемпературных сверхпроводящих металлов и сплавов, обусловленных их гораздо меньшей дефектностью по сравнению с хрупкой оксидной структурой ВТСП. Прошедшее десятилетие показало, что пока еще ВТСП изделия остаются слишком дорогими для практики, и лишь немногие образцы (например, токовводы и томографы) являются конкурентоспособными.

Список литературы:

1.Г.Н. Кадыкова «Сверхпроводящие материалы» М. МИЭМ 2005г.

Журналы:

2. «Наука и жизнь»: №2,2006г.; №9,2006г.; №5 2007г.; №9,2009г.

3. http://www.bankreferatov.ru/db/M/8A85D4BA5E0CD885C3256E7D00171500

nsportal.ru

Реферат Физика Сверхпроводники

ПЛАН 1. Введение 2. Теория сверхпроводимости. 2.1 Идеальный проводник и сверхпроводник. Эффект Мейснера. 2.2 Эффект Джозефсона. 2.3 Сверхпроводники первого рода. 2.4 Сверхпроводники второго рода. 2.5 Основы микроскопической теории сверхпроводимости. Взаимодействие электронов с фотонами. 2.6 Энергетические цепи. 2.7 Высокотемпературная сверхпроводимость. 3. Использование сверхпроводимости . ВВЕДЕНИЕ . Сверхпроводимость - физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ (сверхпроводников), при охлаждении их ниже определенной критической температуры Tс, и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления постоянному току и выталкивания магнитного поля из объема образца ( эффект Мейснера). Явление открыто в 1911 г. Х. Каммерлинг-Оннесом. Изучая температурный ход электросопротивления Hg, он обнаружил, что при температуре ниже 4,22К Hg практически теряет сопротивление. ТЕОРИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ. Далее оказалось, что 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). Переход от сверхпроводящего состояния в нормальное можно осуществить путем повышения магнитного поля при температуре ниже критической Tс. Минимальное поле Bс, в котором разрушается сверхпроводимость называется критическим магнитным полем. Зависимость критического поля от температуры описывается эмпирической формулой. Вс = B0 [ 1 - (T/Tс)2 ], где В0 - критическое поле, экстраполированное к абсолютному нулю температуры. Для некоторых веществ повидимому имеет место зависимость от Т в первой степени. При действии магнитного поля на сверхпроводник наблюдается особого вида гистерезис, а именно если повышая магнитное поле уничтожить сверхпроводимость при H=Ht ( H - сила поля, Ht - повышенная сила поля: Ht = a (Tс2 - T2) ) , то с понижением интенсивности поля сверхпроводимость появится вновь при поле H t´< Ht, dH = Ht - Ht´ меняется от образца к образцу и обычно составляет 10% Ht. Повышение силы тока также приводит к исчезновению сверхпроводимости, то есть при этом понижается Tс. Чем ниже температура, тем выше та предельная сила тока it при которой сверхпроводимость уступает место обычной проводимости. Сверхпроводимость наблюдается как у элементов, так и у сплавов и металлических соединений. Сверхпроводимость есть у Hg, Sn(белое), Pb, Tl, Tn, Ga, Ta, Th, Ti, Nb (иногда Cd). Идеальный проводник и сверхпроводник. Эффект Мейснера. Для анализа поведения идеального проводника в магнитном поле рассмотрим контур, помещенный в поле с индукцией Ba (рис.2, а). Если площадь, ограниченая кольцом равна А, то поток, пронизывающий кольцо, можно описать по формуле Ф=АВa. При изменении приложенного поля в кольце, согласно закону Ленца, индуцируются токи. Они направлены так, что созданный ими внутри кольца поток стремится компенсировать изменение потока, вызванное переменной приложенного поля. Между инлуцированным током и электродвижущей силой (-АdBа/dt ) справедливо следующее соотношение: -АdBа/dt=Ri+Ldi/dt, где R и L - полное сопротивление и индуктивность контура. В обычном кольце наведенные токи из-за конечного сопротивления быстро затухают и поток, пронизывающий контур принимает новое значение. В случае идеальной проводимости R=0, последнее соотношение принимает вид -АdBа/dt=Ldi/dt или Li+ABа=const. Таким образом, полный магнитный поток через контур без сопротивления (Li+AB а) не может измениться. Даже при снижении внешнего поля до нуля, внутренний поток сохраняется благодаря циркулирующему в замкнутом кольце индуцированного незатухающего тока. Все вышеизложенное относилось к условию, при котором кольцо, находясь в приложенном магнитном поле, охлаждалость ниже температуры Тс, при которой исчезало сопротивление. Если же контур сначала охладить, а затем приложить внешне поле, то результирующий внутренний поток останется равным нулю несмотря на наличие внешнего поля. рис.2 Контур без сопротивления

i а) б) Рассмотрим поведение идеального проводника в магнитном поле. Предположим, что образец из идеального проводника проходит следующие стадии: сначала охлаждается ниже некоторой температуры, когда падает сопротивление, а затем накладывается магнитное поле. Сопротивление по любому произвольно выбранному замкнутому контуру внутри металла равно нулю. Следовательно, величина магнитного потока, заключенного внутри этого кольца, остается равной нулю. Произвольность выбора контура позволяет заключить, что магнитный поток равен нулю по всему объему образца. Это связано с индуцированными магнитным полем незатухающими токами по поверхности образца. Они создают магнитный поток, плотность которого Вi повсюду внутри металла точно равна по величине и противоположна по плотности потока приложенного магнитного поля Вa. Таким образом, возникает ситуация, когда поверхностные токи, часто называемые экранирующими, препятствуют проникновению в образец магнитного потока приложенного поля. Если внутри вещества, находящегося во внешнем поле, магнитный поток равен нулю, то говорят, что он проявляет идеальный диамагнетизм. При снижении плотности приложенного поля до нуля образец остается в своем ненамагниченном состоянии. В другом случае, когда магнитное поле приложено к образцу, находящемуся выше переходной температуры, конечная картина заметно изменится. Для большинства металлов ( кроме ферромагнетиков ) значение относительной магнитной проницаемости близко к единице. Поэтому плотность магнитного потока внутри образца практически равна плотности потока приложенного поля. Исчезновение электросопротивления после охлаждения не оказывает влияния на намагниченность, и распределение магнитного потока не меняется. Если теперь снизить приложенное поле до нуля, то плотность магнитного потока внутри сверхпроводника не может меняться, на поверхности образца возникают незатухающие токи, поддерживающие внутри магнитный поток. В результате образец остается все время намагниченным. Таким образом, намагниченность идеального проводника зависит от последовательности изменения внешних условий. В течение почти четверти века считали, что единственным характеристическим свойством сверхпроводящего состояния является отсутствие электрического сопротивления. Это означает, что сверхпроводник в магнитном поле будет вести себя так, как описано выше. Однако такой подход приводит к неоднозначному описанию сверхпроводящей фазы. Эксперимент, иллюстрирующий переход из сверхпроводящего состояния в обычное продемонстрировал, что сверхпроводники - нечто большее, чем идеальные проводники. Они обладают дополнительным свойством, отсутствующим от металла, просто лишенного сопротивления: металл в серхпроводящем состоянии никогда не позволяет магнитному потоку проникнуть внутрь, всегда Вi=0. Когда сверхпроводник охлаждается в слабом магнитном поле, то при температуре перехода на его поверхности возникает незатухающий ток, циркуляция которого обращает внутренний магнитный поток в нуль. Это явление, заключающееся в том, что внутри сверхпроводника плотность магнитного потока всегда, даже во внешнем магнитном поле, равна нулю, называется эффектом Мейснера. Эффект выталкивания магнитного поля из сверхпроводника можно пояснить на основе представлений о намагниченности. Если экранирующие токи, полностью компенсирующие внешнее магнитное поле, сообщают образцу магнитный момент m , то намагниченность M выражается соотношением M=m/V, где V - объем образца. Можно говорить о том, что экранирующие токи приводят к появлению намагниченности, соответствующей намагниченности идеального ферромагнетика с магнитной восприимчивостью, равной минус единице. Эффекты Джозефсона. Если два сверхпроводника разделены между собой достаточно тонким слоем диэлектрика ( например, два металических слоя, разделенных окислом), то проникновение через барьер макроскопических волновых функций приводит к их перекрытию или к тунелированию электронных пар. Связанные с этим эффекты были количественно исследованы Брайаном Джозефсоном в 1962г.. Он показал, что если имеется разность фаз между этими двумя волновыми функциями, то ток может протекать в отсутствие какой-либо разности потенциалов. Слой диэлектрика - не единственно возможный тип “слабого звена”, среди других типов можно отметить точечный контакт двух хорошо пришлифованных сверхпроводников, или же микромостик, образованный путем травления сверхпроводящей пленки. На практике при нулевом напряжении через контакт можно пропустить ток только вплоть до некоторого порогового значения, выше которого появится напряжение. Это напряжение затем возрастает при росте тока. Такое явление называется стационарным эффектом Джозефсона. Нестационарный эффект Джозефсона возникает, когда к контакту прикладывается напряжение и через него начинает течь переменный ток. Эффект Джозефсона может иметь много приложений, но он может быт и паразитным. Он возникает на границах зерен в поликристаллических образцах новых сверхпроводников и препятствует, например, попыткам измерения лондоновской глубины проникновения. 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 . 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=0(1/(2R)), 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 . С помощью правила Сильсби можно определить также критические токи для сверхпроводников во внешнем магнитном поле. Для этого необходимо сложить внешнее магнитное поле с полем транспортного тока на поверхности. Плотность тока достигает результирующее значение, когда это результирующее поле В рез становится критическим. Для проволоки радиусом R в магнитном поле Bа, перпендикулярном ее оси: Врез=2Bа+(1/(2R))0. Здесь значение 2Вa на образующей цилиндра получено для коэффициента размагничивания uм=1/2. Зависимость критического тока от внешнего поля Вa можно определить из уравнения: Iс=(2R)/0(Bс-2Bа). График ее представлен на рис.4 рис.4 Зависимость критического тока от внешнего магнитного поля, перпендикулярного проволоке. I I0

0,5Вc Bс Bа Процесс нарушения сверхпроводимости в массивных образцах при достижении критической силы тока происходит с образованием промежуточного состояния. Структура его для цилиндрического образца представлена на рис.5. При включении внешнего магнитного поля происходит его наложение на круговое поле тока, в результате чего геометрия межфазных границ между сверхпроводящими и нормальными областями значительно усложняется. В конце разговора о сверхпроводниках первого рода отметим, что низкие критические параметры делают практически невозможным их техническое использование. рис.5 Структура промежуточного состояния проволоки, несущей критический ток.

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 ВBc , в сверхпроводящей спадает до нуля на глубине порядка  (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  плотность сверхпроводящих электронов по порядку величины достигает значения, равного ns (Т). Характеристический параметр  называют длиной когерентности, зависимость ее от температуры определяется формулой (Т)=0(Tc/(Tc-T))½, где 0 зависит от свойств сверхпроводника и составляет по порядку величины 10-6 - 10-8 м. рис.3 Распределение магнитного потока и плотности сверхпроводящих электронов вблизи фазовой границы. В ns норм.сверхпроводящая обла- область сть  Bc  ns(Ò)

x 0 Основы микроскопической теории сверхпроводимости. Взаимодействие электронов с фотонами. Ранее было показано, что переход о нормального к свехпроводящему состоянию связан с определенным упорядочиванием в электронной системе твердого тела. На основании этого можно предположить, что переход в сверхпроводящее состояние обусловлен взаимодействием электронов друг с другом. В принципе можно предположить различные механизмы такого взаимодействия. Были попытки объяснить упорядочение системы с помощью механизма кулоновского отталкивания электронов. Рассматривалось магнитное взаимодействие электронов, которые, пролетая через решетку с большими скоростями, создают магнитное поле и с помощью него взаимодействия между собой. Однако эти и другие подходы не позволяют построить теорию сверхпроводимости и объяснить электрические, магнитные и тепловые свойства сверхпроводников. Конструктивной основой для создания такой теории стала идея о взаимодействии электронов через колебания решетки, сформулированная в 1950-51 гг. практически независимо друг от друга Г. Фрелихом и Дж. Бардиным. Такое рассмотрение позволило уже в 1957 г. Дж. Бардину, Л. Куперу и Дж. Шифферу создать микроскопическую теорию сверхпроводимости, получившая название БКШ ( по начальным буквам фамилий авторов). Рассмотрим качественно механизм межэлектронного взаимодействия через колебания решетки. Как известно, ионы в кристаллической структуре совершают колебания около положений равновесия. Если в такую решетку поместить всего два электрона и пренебречь всеми остальными, то положительно заряженные ионы, расположенные вблизи этих электронов, будут притягиваться к ним. Образуются две области поляризации решетки, то есть скопления положительного заряда ионов вблизи оказывающих поляризующее действие отрицательно заряженных электронов. Второй электрон и поляризованная им область решетки могут реагировать на поляризацию, вызванную первым электроном. При этом второй электрон испытывает притяжение к месту поляризации первого электрона, а следовательно, и к нему самому. Рассмотренная выше модель имеет весьма существенный недостаток - она является статической. Реально электроны в металле имеют очень большие скорости (порядка 106 м/c) . Поэтому можно предположить, что электрон, перемещаясь по кристаллу, притягивает ионы и создает область избыточного положительного заряда. Такая динамическая поляризация является относительно устойчивой, поскольку масса ионов значительно больше, чем масса электронов. Таким образом, второй электрон, пролетая сквозь решетку, притягивается к этому сгустку положительного заряда, а следовательно, и к первому электрону. Отметим, что при высоких температурах ( больше критической) интенсивное тепловое движение узлов кристалла делает поляризацию решетки слабой, а следовательно, практически невозможным взаимодействие между электронами. Энергетические щели. Для развития динамической модели будем полагать, что второй электрон движется по поляризованному следу первого электрона. При этом возможны две ситуации: первая - импульсы электронов одинаковы по величине и направлению, то есть они образуют пару частиц с удвоенным импульсом, вторая - импульсы электронов одинаковы по величине и противоположны по направлению. Такую корреляцию электронов также можно рассматривать, как пару с нулевым импульсом. Если электроны, кроме того, будут иметь противоположные спины, то такая пара будет обладать уникальными свойствами. Чрезвычайно интересным с точки зрения понимания механизма сверхпроводимости является вопрос о процессах энергообмена в свехпроводящем состоянии. В принципе ясно, что эти процессы связаны с разрушением куеперовских пар и энергетическими переходами в системе свободных электронов, причем как первое, так и второе определяется совокупностью свободных состояний, в которые могут перейти электроны. Сложность рассматриваемой задачи связана с тем, что образование куперовских пар приводит к изменению квантово - механических состояний неспаренных электронов. Распределение электронов в нормальном металле описывается функцией Ферми-Дирака f(E)=(e (E-)/(kT)+ 1)-1. Где k - постоянная Больцмана;  - химический потенциал. При температуре Т=0 К полная функция распределения N(E)=f(E)g(E) , определяющая число частиц с энергией Е, равна плотности числа состояний g(E), так как f(E)=1: g(E)=((4V)/ n3)(2m)3/2Е1/2. График этой функции представлен на рис.6а Взаимодействие электронов в сверхпроводнике с образованием куперовских пар приводит к тому, что небольшая область энергии вблизи уровня Ферми становится запрещенной для электронов - возникает энергетическая щель. В пределах этой щели нет ни одного разрешенного для неспаренных электронов энергетического уровня. Под влиянием взаимодействия между электронами, имеющими энергию, близкую к Еf, они оказываются как бы сдвинутыми относительно уровня Ферми (рис.6б). рис.6 а) плотность состояний электронов в нормальном металле при Т =0. Занятое состояние заштриховано. б) плотность состояний неспаренных электронов в сверхпроводнике. Занятое состояние заштриховано.

g(E) g(E) а) б)

Еf Е Ef Е рис.7 Зависимость ширины энергетической щели от температуры. d(T) d01 Т 1 Тc При Т=0 К ширина щели максимальна (2d010-2 - 10 -3 эВ), а все свободные (неспаренные) электроны находятся под щелью (на уровне с энергией меньше Еf). При повышении температуры часть куперовских пар разрушается, а некоторые неспаренные электроны “перескакивают” щель и заполняют состояния с энергией больше Еf. Ширина щели 2d(T) при этом уменьшается (рис.7). Между максимальной (при Т=0 К) шириной щели 2d0 и критической температурой Тc существует прямая зависимость. По теории БКШ, удовлетворительно согласующейся с экспериментальными данными для большого числа сверхпроводников (кроме Nb, Ta, Pb, Hg): 2d0=3,5 kTс. Ширина щели по этому соотношению определяется в эВ. Высокотемпературная сверхпроводимость. Рассмотренный ранее маханизм перехода в сверхпроводящее состояние онован на межэлектронном взаимодействии посредством кристаллической решетки, то есть засчет обмена фононами. Как показывают оценки, для такого механизма сверхпроводимости, называемая фононным, максимальная величина критической температуры не может превышать 40 К. Таким образом, для реализации высокотемпературной сверхпроводимости (с Т c>90 К) необходимо искать другой механизм корреляции электронов. Один из возможных подходов описан подходов описан американским физиком Литтлом. Он предположил, что в органических веществах особого строения возможна всерхпроводимость при комнатных температурах. Основная идея заключалась в том, чтобы получить свеобразную полимерную нитку с регулярно расположенными электронными фргментами. Корреляция электронов, движущихся вдоль цепочки, осуществляется засчет поляризации этих фрагментов, а не кристаллической решетки. Поскольку масса электрона на несколько порядков меньше массы любого иона, поляризация электронных фрагментов может быть более сильной, а критическая температура более высокой, чем при фоновом механизме. В основе теоретической модели высокотемпературной сверхпроводимости, разработанной академиком В.Л.Гизбургом, лежит так называемый экситонный механизм взаимодействия электронов. Дело в том, что в электронной системе существуют особые волны - экситоны. Подобно фононам они являются квазичастицами, перемещающимися по кристаллу и не связанными с переносом электрического заряда и массы. Модельный образец такого сверхпроводника представляет собой металлическую пленку в слоях диэлектрика или полупроводника. Электроны проводимости, движущиеся в металле, отталкивают электроны диэлектрика, то есть окружают себя облаком избыточного положительного заряда, который и приводит к образованию электроной пары. Такой механизм корреляции электронов предсказывает весьма высокие значения критической температуры (Т c=200 К). ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ. Идея высокотемпературной сверхпроводимости ( ВТСП ) в органических соединениях была выдвинута в 1950г. Ф.Лондоном и лишь 14 лет спустя появился отклик на эту идею в работах американского физика В.Литтла, вызвавший критические отзывы, отрицающие возможность ВТСП в неметаллических системах. Таким образом, хотя идея ВТСП родилась ы работе Ф. Лондона в 1950г., годом рождения проблемы следует считать время появления первых, пока, правда, малочисленных потоков информации по ВТСП - 1964г.. Если рассмотреть эволюцию температуры сверхпроводящего перехода,, то станет ясно, что рост температуры сверхпроводящего перехода приводил к возможности использования хладагентов со все более высокой температурой кипения ( жидкий гелий, водород, неон, азот). Хотя до азотных температур перехода, открытых недавно в металлокерамиках, практически использовался для охлаждения жидкий гелий, однако скачки в росте температуры перехода дают право положить их в основу периодизации ВТСП о гелиевом, водородном, неоновом и, наконец, азотном периодах ВТСП. Так Nb3 Sn сменился Nb - Al - Ge, затем наибольшая температура была обнаружена d 1973-81гг. у Nb3Ge (23,9 K), которая оставалась рекордной вплоть до сверхпроводимости металлокерамиками. La - Sr - Cu - O при 30 К в 86г., вырастая до 100 К на материале I - Ba - Cu - O. Ключевым для проблемы ВТСП является вопрос критической температуры от характеристики вещества. С открытием в 86 нового класса сверхпроводящих материалов с более высокими, чем ранее критическими температурами, во всем мире развернулись работы по изучению по изучению свойств ВТСП с целью определения возможности их применения в различных областях науки и техники. Интерес к ВТСП объясняется в первую очередь тем, что повышение рабочей температуры до азотной позволит существенно упростить и удешевить системы криогенного обеспечения, повысить их надежность. Для успешного применения ВТСП в сильноточных устройствах (соляноидах, накопителях энергии, электромагнитах, транспорте с магнитным подвесом) необходимо решить ряд вопросов. Одной из важнейших проблем при создании сильноточных устройств с использованием ВТСП является проблема обеспечения устойчивой работы обмоток с током. Проблема стабилизации ВТСП включает в себя несколько аспектов. Внутренним свойством сверхпроводимости является скачкообразный характер проникновения в них магнитного поля. Этот процесс сопровождается выделением части запасенной энергии магнитного поля при его распределении. Поэтому, наиболее важное направление стабилизации сверхпроводников - их стабилизация против сигналов потока. Крое того, проводники, внутренне стабилизированные против сигналов потока, при работе подвергаются действию различного рода возмущений как механического, так и электромагнитного характера, тоже сопровождающиеся выделением энергии. Основные характеристики композитных ВТСП-проводников. Традиционные сверхпроводники второго рода (сплавы Nb - Ti, соединение Nb3 Sn ) применяются в сверхпроводящих магнитных системах в виде композитов с матрицей из нормального метала с высокими тепло- и электропроводностью. Наличие пластичной матрицы (чаще всего медной) значительно облегчает изготовление тонких длинномерных проводников волочением или прокаткой, то есть сверхпроводящие материалы отличаются хрупкостью. Стабильность сверхпроводимости - состояние относительно скачков магнитного потока - достигается путем изготовления проводников с весьма малым диаметром отдельных сверхпроводящих или же лент с малой толщиной сверхпроводящего слоя. По этим же причинам ВТСП-проводники в большинстве случаев изготавливаются в форме композитов, имеющих малую толщину или диаметр. Дополнительная причина применения нормального металла связана с необходимостью защиты ВТСП-материала от влажности и других факторов окружающей Среды, вызывающих деградацию оксидного сверхпроводника. Наилучшие результаты получены при использовании серебряной матрицы или обмотки сверхпроводника: кроме того, что серебро лишь в минимальной степени реагирует с ВТСП или его исходной продукции даже при высокой температуре синтеза, серебро отличается высокой диффузионной проницательностью для кислорода, что необходимо при синтезе и обжиге ВТСП. В настоящее время все усилия в области ВТСП наряду с совершенствованием их свойств и способов получения направлены на создание изделий на основе ВТСП, пригодных для применения в радиоэлектронных системах для детектирования, аналоговой и цифровой обработки сигналов. (см. рис.1). Основными достоинствами ВТСП являются отсутствие потерь на постоянном и сравнительно небольшие потери на переменном токах, возможность экранирования магнитных и электромагнитных полей, возможность передачи сигналов с крайне малыми искажениями. Параметром, непосредственно определяющим высокочастотные свойства ВТСП материалов является их поверхностное сопротивление. В обычных металлах поверхностное сопротивление увеличивается пропорционально квадратному корню из частоты в то время, как в ВТСП - пропорционально ее квадрату. Однако, благодаря тому, что начальное значение поверхностного сопротивления ( на постоянном токе) у ВТСП на несколько порядков ниже, чем у металлов, высококачественные ВТСП сохраняют преимущества по сравнению с металлами при частоте до нескольких сотен гигагерц. Интерес к вопросу практического использования сверхпроводников появился в 50- х гг, когда были открыты сверхпроводники второго рода с высокими критическими параметрами как по значению плотности тока, так и по величине магнитной индукции. В настоящее время использования явления сверхпроводимости приобретает все больше практическое значение. Применение сверхпроводников потребовало решения ряда новых задач, в частности, интенсивного развития материаловедения в области низких температур. При это исследовались не только сверхпроводники собственно, но и конструкции и изоляционные материалы. рис.1. стандартный источник питания сигнал детекти- аналоговая цифровая инфор- шум рование обработка обработка мация постоянный ток джозефсоновские логика радиочастоты приборы память сквиды аналого-цифровой преобразователь СВЧ- субмм. волны дискретизатор СИС-смесители трехполостники СИС квадратурный детектор СП - полевой транзистор джозефсоновский смеситель прибор на неравно- весных носителях джозеновский параметрический приборы линий усилитель передачи сверхпроводящий конвольвер (для болометр вычисления свертки) преобразователь оттоэлектронные приборы Наибольшее распространение из сверхпроводящих материалов в электротехнике получили сплав ниобий-титан и интерметаллид ниобий-олово. Технологические процессы изготовления исключительно тонких ниобий-титановых нитей и их стабилизации достигли весьма высокого уровня развития. При создании многожильных проводников на основе ниобий-олова широкое применение находит так называемая бронзовая технология. Развитие сверхпроводниковой техники также связано с созданием ожижителей и рефрижераторов все большей хладопроизводительности на уровне температур жидкого гелия. Наиболее широкое реальное применение сверхпроводимость находит при создании крупных электромагнитных систем. В 80-х гг в СССР был осуществлен запуск первой в мире установки термоядерного синтеза Т-7 со сверхпроводящими катушками тороидального магнитного поля. Сверхпроводящие катушки используются также для пузырьковых водородных камер, для крупных ускорителей элементарных частиц. Изготовление таких катушек для ускорителей довольно сложно, так как требование исключительно высокой однородности магнитного поля вызывает необходимость точного соблюдения заданных размеров. В последние годы имеет место все более широкое использование явления сверхпроводимости для турбогенераторов, электродвигателей, униполярных машин, топологических генераторов, жестких и гибких кабелей, коммутационных и токоограничивающих устройств, магнитных сепараторов, транспортных систем и др.. Следует также отметить важное направление в работах по сверхпроводимости - создание измерительных устройств для измерения температур, расходов, уровней, давлений и т.д. На настоящий момент имеются два главных направления в области применения сверхпроводимости. Это прежде всего магнитные системы различного назначения и затем - электрические машины (прежде всего турбогенераторы). Применение сверхпроводимости в турбогенераторах большой мощности перспективно потому, что именно здесь удается достигнуть того, чего при других технических решениях сделать невозможно, а именно, уменьшить массу и габариты машины при сохранении мощности. В обычных машинах это уменьшение всегда связано с увеличением потерь и трудностями обеспечения высокого КПД. Здесь этот вопрос решается радикально: массу турбогенераторов можно увеличить в 2-2,5 раза, в тоже время в связи с отсутствием потерь в роторе удается повысить КПД примерно на 0,5% и приблизиться для крупных турбогенераторов к КПД порядка 99,3%. Повышение КПД турбогенераторов на 0.1% компенсирует затраты, связанные с созданием генераторов на 30%. В этих условиях экономия энергии, получаемая за счет снижения потерь, очень быстро оправдывает те затраты, которые вкладываются в создание новых сверхпроводниковых машин. Экономически это, конечно, оправдано, но все дело в том, что для того, чтобы выйти в энергетику с большими машинами, нужно пройти очень сложный путь создания машин все больших мощностей. При этом нужно решать и более трудную проблему - обеспечение высокой надежности. Очень важным моментом в этой связи, является отработка токовводов при создании машин высокой мощности. Перепад температур на токовводах составляет около 300К, они имеют внутренние источники тепловыделения, и поэтому представляют собой один из наиболее напряженных в эксплуатационном отношении узлов сверхпроводникового электротехнического устройства, являясь потенциально опасным источником аварий в криогенной зоне. Поэтому, при разработке токовводов, в первую очередь необходимо обращать внимание на надежность их работы, обеспечивая ее даже в ущерб тепло- и электрохарактеристикам токовводов. табл.1 “Сферы применения сверхпроводимости”

Применение

Примечания

крупномасштабное

а) экранирование

Сверхпроводник не пропускает магнитный поток, следовательно, он экранирует электромагнитное излучение. Используется в микроволновых устройствах, защита от излучения при ядерном взрыве.

сильноточные устройства

а) магниты

- научно-исследовательское оборудование

- магнитная левитация

НТСП магниты используются в ускорителях частиц и установках термоядерного синтеза.

Интенсивно проводятся работы по созданию поездов на магнитной подушке. Прототип в Японии использует НТСП.

другие статические применения

а) передача энергии

б) аккумулирование

в) вращающиеся электрические машины

г) вычислительные устройства

Прототипные линии НТСП продемонстрировали свою перспективность.

Возможность аккумулировать электроэнергию в виде циркулирующего тока

Комбинация полупроводниковых и сверхпроводящих приборов открывает новые возможности в конструкциировании аппаратуры.

Литература, использованная при написании реферата. 1. “Сверхпроводимость”; Павлов Ю.М, Шугаев В.А. 2. “Сверхпроводимость в технике”; Труды второй всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводимости. 3. “Введение в сверхпроводимость”; Зайцев, Орлов. 4. “Сверхпроводимость: физика, химия, техника” №1-6, 1996 5. “Сверхпроводимость: исследования и разработки” №6, 1994. 6. “Физическая энциклопедия” т.3 7. Советский Энциклопедический Словарь

works.tarefer.ru

Реферат- Сверхпроводимость

Работа добавлена на сайт samzan.ru: 2016-03-13

План реферата

Стр.

1.Свойство сверхпроводимого состояния……………………………3

2.Сверхпроводник в магнитном поле………………………………...4

3.Изотермические свойства…………………………………………...5

4.Изотопический эффект………………………………………………6

5.Квантовая основа…………………………………………………….7

6.Условия сверхпроводимости………………………………………..9

а.Сверхпроводники I и II рода……………………………………...9

б.Разрушение током………………………………………………..10

в.Новые вещества…………………………………………………..10

7.Некоторые применения сверхпроводимости……………………..10

Литература…………………………………………………………...15

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 сверхпровод ников ( 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 ,синтизированное 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 кристала.Например ,серое олово является полупроводником, а белое олово- металлом, способным к тому же при температуре,равной 3,720 К,переходить в сверхпроводящее состояние.

Бериллийсверхпроводник 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.

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 явлются 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,не зависящие от температуры величины.

Рис.3

Скачек теплоемкости

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=хэл+хреш.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.

Рис.4

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

расскрыто объяснение сверхпроводимости.

В 1957 г. Бардином,Купером,Шриффером была построена теория сверхпроводящего состояния.

Квантовая основа.

1.В квантовой теории металлов притяжение между электронами ( обмен фононами)связывается с возникновением элементарных возбуждений решетки.

Электрон,движущийся в кристалле и взаимодействующий с другим электроном посредством решетки,переводит ее в возбужденное состояние.При переходе решетки в основное состояние излучается квант энергии звуковой частоты- фонон,который поглащается другим электроном.Притяжение между электронами можно представить как обмен электронов фононами,причем притяжение наиболее эффективно,если импульсы взаимодействующих электронов антипараллельны.

2.Возникновение сверхпроводящего состояния вещества связано с возможностью образования в металле связанных пар электронов.Проявление сил притяжения можно представить.В результате деформации решетки электрон оказываеся окруженным “облаком “положительного заряда, притягивающегося к электрону. Тогда такой электрон вместе с окружающим его облаком представляет собой положительно заряженную систему,

которая будет притягиваться к другому электрону.

При высоких температурах достаточно сильное интенсивное тепловое движение отбрасывает частицы друг от друга,размывает ионную “шубу“, что фактически уменьшает силы притяжения.При низких же температурах силы притяжения играют очень важную роль.

Возникновение межэлектронного притяжения не противоречит законам физики.Два электрона, несомненно, отталкиваются друг от друга ,если находятся в пустоте.

В среде же сила их взаимодействия равна

(ε-диэлектрическая проницаемость среды).Если среда такова ,что ε <0, то одноименные заряды (в данном случае электроны) будут притягиваться.

Кристаллическая решетка и является той средой , которая делает отрицательной диэлектрическую проницаемость в сверхпроводнике.

3.Расстояние между электронами пары равно:

где h-постоянная Планка,uF-скорость электрона на уровне Ферми ,

k постоянная Больцмана, Тcтемпература перехода в сверхпроводящее состояние.Оценка показывает,что δ=10 см,т.е.электроны,образующие пару ,

находятся на расстоянии порядка 104 периодов кристаллической

решетки.Вся электронная система сверхпроводника представляет собой связанный коллектив ,простирающийся на громадные , по атомным масштабам,

расстояния.

Если при сколь угодно низких температурах кулоновское отталкивание между электронами преобладает над притяжением,образующим пары ,то вещество (металл или сплав) остается по своим электрическим свойствам нормальным.Если же при температуре Т происходит преобладание сил притяжения над силами отталкивания,то вещество переходит в cверхпроводящее состояние

4.Важнейшей особенностью связанного в пары коллектива электронов в сверхпроводнике является невозможность обмена энергией между электронами и решеткой малыми порциями,меньшими ,чем энергия связи пары электронов.

Это означает, что при соударении электронов с узлами кристаллической решетки не изменяется энергия электронов и вещество ведет себя как сверхпроводник с нулевым удельным сопротивлением.

Квантомеханическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решетки или примесях.А это и означает отсутствие электрического сопротивления.

Условия сверхпроводимости.

1.Сверхпроводники I и II рода.

Когда магнитный поток проходит через проводник без потерь и когда энергия связана с поверхностями раздела между участками n-фазы и s-фазы ( граница между двумя фазами всегда обладает поверхностной энергией.)

Рис. 5

На рис. 5 а-сверхпроводник с идеальным диамагнетизмом;б-сверхпроводник в смешанном состоянии.Заштрихованные области соответствуют сверхпроводящему состоянию (s-фазе), незаштрихованные- нормальному (n-фазе).При толщине слоев s- фазы,меньшей глубины проникновения , магнитный поток пронизывает и сверхпроводящие слои(Н- напряженность внешнего магнитного поля).

Искажения плотности сверхпроводящих электронов не могут проявлятся на расстояниях,меньших длины когерентности ξ~ΔS.

В поверхностную энергию дают вклад эффекты,зависящие как от глубины проникновения λ,так и от длины когерентности ξ.Как было показано ,вклад в поверхностную энергию отрицателен( т.к. при этом объем чистой s-фазы

уменьшается на величину порядка λS, где S-площадь поверхности s-фазы) и , следовательно, добавка к внутренней энергии сверхпроводника уменьшается на величину порядка λSh3/8π.Если выполняется условия ξ>λ(более точный расчет дает условие ξ>λ1/2),то образование слоистой структуры энеогетически невыгодно и сверхпроводник существует в виде сплошной s-фазы.

Такие сверхпроводники называются сверхпроводимостью I рода.К ним принадлежат почти все чистые сверхпроводники .Если же выполняется условие ξ<λ1/2,то энергетически выгодно образование слоистой структуры и сверхпроводники находятся в смешанном состоянии.Такие сверхпроводники называются свехпроводимостью II рода.К ним относятся многие сверхпроводящие сплавы и сверхпроводники, загрязненные примесями.

2.Сверхпроводимость может разрушаться током..

Если сверхпроводник II рода поместить в сильное внешнее магнитное поле, то критический ток в нем окажется равным 0,т.е. протекание сквозь угодно малого тока будет сопровождаться тепловыми потерями.Возникает система вихревых нитей и при пропуске тока происходит их взаимодействие.Опытным путем доказано,что жесткие сверхпроводники выдерживают сильные магнитные поля,а благодаря неоднородностям структуры через них можно пропускать большие токи.

3.Созданы новые сверхпроводящие вещества , дающие возможность получать поля около 200 кгс. Перспектива открытий в этой области неограничена.

Применение сверхпроводимости.

Продолжается поиск материалов,позволяющих получать все более мощные магнитные поля. Соленоиды создают не просто сильные магнитные поля.Возможно получение однородных полей в достаточно большой области пространства,что весьма важно при проведении научных исследований,

посвященных изучению свойств вещества в магнитном поле.

Наиболее заманчиво применение сверхпроводников в обмотках соленоидов для получения сверхсильных магнитных полей- порядка 100 000э и выше. Сильные магнитные поля необходимы,например, при управлении плазменными пучками в установках для исследования и возможного получения управляемых термоядерных реакций и в современных ускорителях заряженных частиц высоких энергий.

В этом случае энергию надо затрачивать только на охлаждение обмоток до температур ниже критической.

Каждый элемент провода с током в такой обмотке находится в очень сильном магнитном поле соседних витков,поэтому целесообразно применять сверхпроводники II рода,выдерживающие большие магнитные поля. Для этих целей выявлены сверхпроводимость III рода( ниобий-цирконий или ниобий-олово).

Сверхпроводящие сплавы используются для получения сверхмощных постоянных магнитов. В отличие от обычного электромагнита сверхпров. не нуждается во внешнем источнике питания,поскольку протекающий в нем ток не испытывает электрического сопротивления.

Другим примером применения сверхпроводников является клистрон-управляющий элемент в электрических цепях.На проводник,по которому течет электрический ток, наматывается несколько витков также сверхпроводящей проволоки, но обладающей более высоким значением критического поля Н к.1Меняя ток в витках,можно создать критическое поле в управляемом сверхпроводнике, что приведет к его “запиранию” вследствие потери им С.

Много исследований посвящается вопросу об использовании сверхпров. при создании вычислительных машин.Сверхпроводящий ток является незатухающим.Это позволяет использовать его в качестве идеального запоминающего устройства,хранящего большие и легко считываемые запасы информации.

Скорость “ вспоминания” сверхпроводящих устройств значительно превышает возможности человеческого мозга.Они в состоянии всего лишь за 10-6 сек выбрать нужную информацию из 1011 ее единиц.

туры или магнитного поля из одного состояния в другое позволяют использовать их в качестве элементов вычислительных машин. И в качестве переключающих устройств,работающих с очень высокой скоростью при малых затратах мощности, сверхпроводники идеальны.

Одно из таких устройств так называемый проволочный криотрон.

Слово ”криотрон” греческого происхождения (cryo- холод).Изобретен этот прибор американским ученым Баком.Прибор состоит из проволоки,

сделанной,например,из свинца или тантала, по которой протекает сверхпроводящий ток .Эта проволока называется клапаном.На нее намотана более тонкая из ниобия.Катушка,образованная этим тонким проводом,

называется управляющей.При протекании по ней достаточно большого тока сверхпроводимость в клапане разрушается.

Ниобий был выбран в качестве материала,из которого изготовляется управляющий провод,по той простой причине,что сверхпров. сохраняетсся в нем при достаточно сильных магнитных полях.Критические поля свинца или тантала,образующих клапан,являются весьма малыми ,и сверхпров.в них поэтому разрушается при пропускании в ниобиевой катушке достаточно слабого тока.

Сопротивление в клапане меняется при этом скачком от нуля до некоторого конечного значенитя.Уменьшением тока в управляемом проводе снова восстанавливается сверхпроводящие состояния свинца или тантала.

Скорость переключения в клиотронах достигает двух наносекунд

(2*10-9сек).Высокая скорость в сочетании с простотой устройства и лежит в основе использования сверхпроводящих криотронов в вычислительной технике.ЭВМ,использующая сверхпроводящие устройства,выделяется

своей необычной компактностью.

Вполне возможным является создание миниатюрного сверхпроводящего триода.Его можно представить себе состоящим всего из трех наклеенных друг на друга металлических пленок , причем роль сетки обычной радиолампы играет средняя полоска , в которой регулируется ток и создаваемое им магнитное поле.

Сверхпроводник ,в толщу которого не проникает магнитное поле, всегда окружен магнитной “ подушкой”.

при этом уравновешивается магнитной “ подушкой”,создаваемой сверхпров . током.Оказывается,что могут “парить” довольно тяжелые предметы.Так,в одном из опытов был подвешен свинцовый цилиндр весом 5 кг.

стаканчика.Два магнитика ,вращающиеся по окружности статора,отталкивают от себя магнитной “подушкой” сверхпроводящий ротор.Последний при этом приходит во вращение, скорость которого доходит до 20 000 об/мин

и в принципе может быть увеличена до большого значения.

50 км/час.Длина пути составляла 400м.Далее путь увеличили до 7 км.Транспорт

на “магнитной подушке “ сможет двигаться со скоростью 500 км/ час!Эти разработки ведутся во всех странах Европы.

У нас разработан проект такой дороги между Петербургом и Москвой.

Это явление в лабораторных условиях рассмотрел в замечательном эксперименте В.К.Аркадьев,назвавший его “ гроб Магомета”.Над металличе-

ским кольцом, в котором циркулирует такой ток, поместить в сверхпроводящую сферу, то на ее поверхности индуцируется сверхпроводящий ток.Его возникновение вследствие диамагнитного эффекта приведет к появлению сил отталкивания между кольцом и сферой.В результате сфера оказывается висящей над кольцом на высоте ,определяемой равенством силы

отталкивания и веса сферы .Подобный эффект механического отталкивания

наблюдается и в том случае , когда над сверхпроводящим кольцом помещается постоянный магнит,без видимой поддержки висящий над кольцом,в котором циркулируют индуцированные магнитом незатухающие сверхпроводящие токи.

Сверхпроводящие трансформаторы.Отсутствие в них тепловых потерь; сверхпроводящие трансформаторы при большой мощности (до 1 000 000 квт) оказываются значительно более компактыми по сравнению с обычными.

В них можно не использовать сталь в качестве магнитного материала. Создаваемые сверхпроводниками магнитные поля намного превосходят значения напряженности,реализуемые в стальных материалах.

В последнее время в радиотехнике начинают использовать сверхпроводящие объемные резонаторы.Добротность резонатора обратно пропорциональна

электрическому сопротивлению его стенок.Ясно,что применение сверхпроводников, не обладающих электрическим сопротивлением, является с этой точки зрения весьма перспективным. Так, обычный прямоугольный свинцовый резонатор при Т = 3000К и частоте 1010 гц имеет добротность Q= 2*103. Тот же резонатор, находящийся в сверхпроводящем состоянии (Т=4,20К),характеризуется добротностью, достигающей Q= 4*108.

Компактность мсожет использоваться в космическом корабле для

создания магнитной противорадиационной защиты.Космонавт должен взять в космос “ низкие температуры” и сверхпроводящий соленоид.

Квантование магнитного потока в сверхпроводниках используется для создания магнитомеров для измерения слабых магнитных полей.Приборы такого вида называются квидами.Они фиксируют изменения потока

Например, если площадь сечения сквида равна 0,1 см 2,то можно измерять поля ~10-10 э!

Катушка с полем

переменного тока

Тонкая пленка

(~10-6 cм толщиной)

Рис.6

Изображенный сквид представляет собой два тонких сверхпроводящих полуцилиндра, полученных напылением на катушку.Эти полуцилиндры соединены тонким мостиком, образующим слабую связь.Квантование этого магнитного потока приводит к ступенчатому характеру зависимости потока от внешнего магнитного поля.Это изменение потока генерирует сигнал в резонансном колебательном контуре.С помощью этих сигналов и регистрируются слабые изменения магнитного поля.

Сквиды используются для снятия магнитокардиограмм, т.е. для исследования сигналов от магнитного поля , создаваемого при работе сердца пациента.Сквид

располагается в криостате,на расстоянии нескольких сантиметров от сердца

пациента.Регистрируются резкие сигналы ,идущие от сердца.Ясно,что этот метод важен для медицинских исследований.

Квантование магнитного потока может быть использовано для создания пространства,в котором вообще отсутствует магнитное поле.Если охладить цилиндр,внутри которого имеется слабое магнитное поле, до температуры ниже критической, то внутри цилиндра “заморозится” некоторый магнитный поток.Если после этого мы начнем постепенно увеличивать радиус цилиндра,то число квантов потока не изменится, но увеличение площади сечения повлечет за собой соответствующее уменьшение напряженности поля.Если использовать несколько вложенных друг в друга цилиндров.то описанным путем можно в конце концов добиться того, что во внутреннем цилиндре не будет содержаться ни одного кванта потока.

Таким образом, возникает область,не содержащая магнитного поля, т.е. создается идеальный магнитный экран.

Интересным прибором является также сверхпроводящий болометр.Он предназначается для измерения радиации в инфракрасной области спектра.

Основной частью такого болометра является тонкая проволока из сверхпроводника,находящаяся при температуре,близкой к критической. Под

действием падающей радиации, которая поглащается металлом,температура повышается и становится больше Тк.При этом сверхпроводимость разрушается,и в проволоке скачком восстанавливается нормальное сопротивление.

Это приводит к легко регистрируемому падению напряжения.Резкость перехода в нормальное состояние делает сверхпроводящий болометр весьма чувствительным прибором.Порог чувствительности его составляет

10-1010-12 вт.

Техническая сверхпроводимость находится в развитии и составляет часть технической физики.

Использованная литература

1.Иваноа Б.Н.Законы физики.М.: Высшая школа .1986.

2.Кресин В.З.Сверхпроводимость и сверхтекучесть.М.:Наука,1978.

3.Парселл Э.Электричество и магнетизм.М.:Наука,1985.

(Берклиевский курс физики).

4.Суорц Кл.Э.Необыкновенная физика обыкновенных явлений.

В сборнике “Успехи физических наук”.М.:Наука,1986.

5.Тилли Д.,Тилли Дж.Сверхтекучесть и сверхпроводимость,пер.с англ.

М.: Наука,1977.

6.Физика микромира,Малая энциклопедия.М.:Советская энциклопедия,

1980, с.335-352.

7.Шубин А.С.Курс общей физики.М.:Высшая школа,1976.

8.Яворский Б.М.,ДетлафА.А..Справочник по физике.М.:Наука,1985,с.417.

Московский государственный университет

путей сообщения (МИИТ)

Кафедра физики-2

Реферат по теме

Сверхпроводимость

Выполнил студент группы АЭЛ-221

Юфит Семен

Руководитель:Государева Н.А.

МОСКВА-1999

samzan.ru

Реферат - Сверхпроводимость - Рефераты на репетирем.ру

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 4 0 К,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 О 0 К, температуре ( критическая температура- Т к ).

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 ( Т к =9,22 0 К), а наиболее низкой – иридий ( Т к = 0,140 0 К).

Сложное соединение ,синтезированное в 1967 г., сохраняет сверхпроводимость до 20,1 0 К, в 1973 г. рекорд равнялся 22,3 0 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 3,72 0 К, переходить в сверхпроводящее состояние.

Бериллий–сверхпроводник в виде тонкой пленки. Некоторые вещества становятся сверхпроводниками при высоком давлении ( Ва с Т к=5 0 К под давлением ~ 150 кбар).

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

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 с e ~Т. В сверхпроводниках – по экспоненциальному закону,

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

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=х эл +х реш .Электроны рассеиваются различными причинами(колебания решетки, примеси, другие электроны).Результирующая электронная теплопроводность Х эл 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 e 1

Взаимодействие е 1 и е 2 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.

В 1957 г. Бардином, Купером, Шриффером была построена теория сверхпроводящего состояния.

Квантовая основа.

Электрон, движущийся в кристалле и взаимодействующий с другим электроном посредством решетки, переводит ее в возбужденное состояние. При переходе решетки в основное состояние излучается квант энергии звуковой частоты- фонон, который поглощается другим электроном. Притяжение между электронами можно представить как обмен электронов фононами, причем притяжение наиболее эффективно, если импульсы взаимодействующих электронов антипараллельны.

2.Возникновение сверхпроводящего состояния вещества связано с возможностью образования в металле связанных пар электронов. Проявление сил притяжения можно представить. В результате деформации решетки электрон оказывается окруженным “облаком “положительного заряда, притягивающегося к электрону. Тогда такой электрон вместе с окружающим его облаком представляет собой положительно заряженную систему, которая будет притягиваться к другому электрону.

При высоких температурах достаточно сильное интенсивное тепловое движение отбрасывает частицы друг от друга, размывает ионную “шубу“, что фактически уменьшает силы притяжения. При низких же температурах силы притяжения играют очень важную роль.

Возникновение межэлектронного притяжения не противоречит законам физики. Два электрона, несомненно, отталкиваются друг от друга ,если находятся в пустоте.

В среде же сила их взаимодействия равна

(ε-δθ электрическая проницаемость среды).Если среда такова ,что ε <0, то одноименные заряды (в данном случае электроны) будут притягиваться.

3.Расстояние между электронами пары равно:

где h-постоянная Планка,u F -скорость электрона на уровне Ферми ,

k – постоянная Больцмана, Т c –температура перехода в сверхпроводящее состояние. Оценка показывает, что δ=10 см, т.е.электроны, образующие пару , находятся на расстоянии порядка 10 4 периодов кристаллической решетки. Вся электронная система сверхпроводника представляет собой связанный коллектив ,простирающийся на громадные , по атомным масштабам, расстояния.

Если при сколь угодно низких температурах кулоновское отталкивание между электронами преобладает над притяжением, образующим пары ,то вещество (металл или сплав) остается по своим электрическим свойствам нормальным. Если же при температуре Т происходит преобладание сил притяжения над силами отталкивания, то вещество переходит в cверхпроводящее состояние.

4.Важнейшей особенностью связанного в пары коллектива электронов в сверхпроводнике является невозможность обмена энергией между электронами и решеткой малыми порциями, меньшими ,чем энергия связи пары электронов.

Квантомеханическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решетки или примесях. А это и означает отсутствие электрического сопротивления.

Условия сверхпроводимости.

1.Сверхпроводники I и II рода.

Искажения плотности сверхпроводящих электронов не могут проявлятся на расстояниях, меньших длины когерентности ξ ~ΔS.

В поверхностную энергию дают вклад эффекты, зависящие как от глубины проникновения λ ,ςΰκ и от длины когерентности ξ. Как было показано ,вклад в поверхностную энергию отрицателен( т.к. при этом объем чистой s-фазы уменьшается на величину порядка λS, где S-площадь поверхности s-фазы) и , следовательно, добавка к внутренней энергии сверхпроводника уменьшается на величину порядка λSH 2 /8π.Ερλ и выполняется условия ξ >λ(αξλ ее точный расчет дает условие ξ >λ 1/2 ),то образование слоистой структуры энергетически невыгодно и сверхпроводник существует в виде сплошной s-фазы.

Такие сверхпроводники называются сверхпроводимостью I рода. К ним принадлежат почти все чистые сверхпроводники .Если же выполняется условие ξ <λ 1/2 ,то энергетически выгодно образование слоистой структуры и сверхпроводники находятся в смешанном состоянии.Такие сверхпроводники называются свехпроводимостью II рода. К ним относятся многие сверхпроводящие сплавы и сверхпроводники, загрязненные примесями.

2.Сверхпроводимость может разрушаться током..

Если сверхпроводник II рода поместить в сильное внешнее магнитное поле, то критический ток в нем окажется равным 0,т.е. протекание сквозь угодно малого тока будет сопровождаться тепловыми потерями. Возникает система вихревых нитей и при пропуске тока происходит их взаимодействие. Опытным путем доказано, что жесткие сверхпроводники выдерживают сильные магнитные поля, а благодаря неоднородностям структуры через них можно пропускать большие токи.

Применение сверхпроводимости.

Продолжается поиск материалов, позволяющих получать все более мощные магнитные поля. Соленоиды создают не просто сильные магнитные поля. Возможно получение однородных полей в достаточно большой области пространства, что весьма важно при проведении научных исследований, посвященных изучению свойств вещества в магнитном поле.

Наиболее заманчиво применение сверхпроводников в обмотках соленоидов для получения сверхсильных магнитных полей- порядка 100 000э и выше. Сильные магнитные поля необходимы, например, при управлении плазменными пучками в установках для исследования и возможного получения управляемых термоядерных реакций и в современных ускорителях заряженных частиц высоких энергий.

В этом случае энергию надо затрачивать только на охлаждение обмоток до температур ниже критической.

Каждый элемент провода с током в такой обмотке находится в очень сильном магнитном поле соседних витков, поэтому целесообразно применять сверхпроводники II рода, выдерживающие большие магнитные поля. Для этих целей выявлены сверхпроводимость III рода( ниобий-цирконий или ниобий-олово).

Сверхпроводящие сплавы используются для получения сверхмощных постоянных магнитов. В отличие от обычного электромагнита сверхпров. не нуждается во внешнем источнике питания, поскольку протекающий в нем ток не испытывает электрического сопротивления.

Другим примером применения сверхпроводников является клистрон-управляющий элемент в электрических цепях. На проводник, по которому течет электрический ток, наматывается несколько витков также сверхпроводящей проволоки, но обладающей более высоким значением критического поля Н к.1Меняя ток в витках, можно создать критическое поле в управляемом сверхпроводнике, что приведет к его “запиранию” вследствие потери им С.

Много исследований посвящается вопросу об использовании сверхпров. при создании вычислительных машин. Сверхпроводящий ток является незатухающим. Это позволяет использовать его в качестве идеального запоминающего устройства, хранящего большие и легко считываемые запасы информации.

Скорость “ вспоминания” сверхпроводящих устройств значительно превышает возможности человеческого мозга. Они в состоянии всего лишь за 10 -6 сек выбрать нужную информацию из 10 11 ее единиц.

В вычислительной технике используется двоичная система. Двойственность сверхпроводников( они могут находиться или в нормальном, или в сверхпроводящем состоянии),быстрота их перехода под действием температуры или магнитного поля из одного состояния в другое позволяют использовать их в качестве элементов вычислительных машин. И в качестве переключающих устройств, работающих с очень высокой скоростью при малых затратах мощности, сверхпроводники идеальны.

Одно из таких устройств –так называемый проволочный криотрон.

Слово ”криотрон” греческого происхождения (cryo- холод).Изобретен этот прибор американским ученым Баком. Прибор состоит из проволоки, сделанной, например, из свинца или тантала, по которой протекает сверхпроводящий ток .Эта проволока называется клапаном. На нее намотана более тонкая –из ниобия. Катушка, образованная этим тонким проводом, называется управляющей. При протекании по ней достаточно большого тока сверхпроводимость в клапане разрушается.

Ниобий был выбран в качестве материала, из которого изготовляется управляющий провод, по той простой причине, что сверхпров. сохраняется в нем при достаточно сильных магнитных полях. Критические поля свинца или тантала, образующих клапан, являются весьма малыми ,и сверхпров. в них поэтому разрушается при пропускании в ниобиевой катушке достаточно слабого тока.

Сопротивление в клапане меняется при этом скачком от нуля до некоторого конечного значенитя. Уменьшением тока в управляемом проводе снова восстанавливается сверхпроводящие состояния свинца или тантала.

Скорость переключения в клиотронах достигает двух наносекунд (2*10 -9 сек).Высокая скорость в сочетании с простотой устройства и лежит в основе использования сверхпроводящих криотронов в вычислительной технике. ЭВМ, использующая сверхпроводящие устройства, выделяется своей необычной компактностью.

Вполне возможным является создание миниатюрного сверхпроводящего триода. Его можно представить себе состоящим всего из трех наклеенных друг на друга металлических пленок , причем роль сетки обычной радиолампы играет средняя полоска , в которой регулируется ток и создаваемое им магнитное поле.

Сверхпроводник, в толщу которого не проникает магнитное поле, всегда окружен магнитной “ подушкой”.

Эффект механического отталкивания используется для создания опор без трения. Сверхпроводящая сфера благодаря диамагнитному эффекту висит над кольцом, в котором циркулирует незатухающий ток. Сила тяжести при этом уравновешивается магнитной “ подушкой”,создаваемой сверхпров . током. Оказывается,что могут “парить” довольно тяжелые предметы. Так, в одном из опытов был подвешен свинцовый цилиндр весом 5 кг.

Устройство, в котором используется описанное явление, называется сверхпроводящим подвесом. Такие подвесы могут использоваться в гироскопах, моторах и в ряде других устройств. Принцип механического отталкивания положен в основу создания электрических машин, к.п.д. которых благодаря замечательным свойствам сверхпроводников равна 100%. В этих машинах ротор выполнен в виде шестиугольного сверхпроводящего стаканчика. Два магнитика ,вращающиеся по окружности статора, отталкивают от себя магнитной “подушкой” сверхпроводящий ротор. Последний при этом приходит во вращение, скорость которого доходит до 20 000 об/мин и в принципе может быть увеличена до большого значения.

Самая заманчивая перспектива использования эффекта механического отталкивания связана с работами по созданию “сверхпроводящей “ железной дороги. Японцы первыми создали модель железной дороги на магнитной подушке с вагонами ,в которых находятся сверхпроводящие магниты. Вагон весом 2 т и размером 4х1,5 х 0,8 м двигался над путепроводом со скоростью 50 км/час. Длина пути составляла 400м.Далее путь увеличили до 7 км. Транспорт на “магнитной подушке “ сможет двигаться со скоростью 500 км/ час! Эти разработки ведутся во всех странах Европы.

У нас разработан проект такой дороги между Петербургом и Москвой.

Это явление в лабораторных условиях рассмотрел в замечательном эксперименте В.К.Аркадьев, назвавший его “ гроб Магомета”.Над металлическим кольцом, в котором циркулирует такой ток, поместить в сверхпроводящую сферу, то на ее поверхности индуцируется сверхпроводящий ток. Его возникновение вследствие диамагнитного эффекта приведет к появлению сил отталкивания между кольцом и сферой. В результате сфера оказывается висящей над кольцом на высоте ,определяемой равенством силы отталкивания и веса сферы .Подобный эффект механического отталкивания наблюдается и в том случае , когда над сверхпроводящим кольцом помещается постоянный магнит, без видимой поддержки висящий над кольцом, в котором циркулируют индуцированные магнитом незатухающие сверхпроводящие токи.

Сверхпроводящие трансформаторы. Отсутствие в них тепловых потерь; сверхпроводящие трансформаторы при большой мощности (до 1 000 000 квт) оказываются значительно более компактыми по сравнению с обычными.

В них можно не использовать сталь в качестве магнитного материала. Создаваемые сверхпроводниками магнитные поля намного превосходят значения напряженности, реализуемые в стальных материалах.

В последнее время в радиотехнике начинают использовать сверхпроводящие объемные резонаторы. Добротность резонатора обратно пропорциональна электрическому сопротивлению его стенок. Ясно, что применение сверхпроводников, не обладающих электрическим сопротивлением, является с этой точки зрения весьма перспективным. Так, обычный прямоугольный свинцовый резонатор при Т = 300 0 К и частоте 10 10 гц имеет добротность Q= 2*10 3 . Тот же резонатор, находящийся в сверхпроводящем состоянии (Т=4,2 0 К),характеризуется добротностью, достигающей Q= 4*10 8 .

Компактность может использоваться в космическом корабле для создания магнитной противорадиационной защиты.Космонавт должен взять в космос “ низкие температуры” и сверхпроводящий соленоид.

Квантование магнитного потока в сверхпроводниках используется для создания магнитомеров для измерения слабых магнитных полей. Приборы такого вида называются квидами. Они фиксируют изменения потока

Например, если площадь сечения сквида равна 0,1 см 2,то можно измерять поля ~10 -10 э!

Изображенный сквид представляет собой два тонких сверхпроводящих полуцилиндра, полученных напылением на катушку. Эти полуцилиндры соединены тонким мостиком, образующим слабую связь. Квантование этого магнитного потока приводит к ступенчатому характеру зависимости потока от внешнего магнитного поля. Это изменение потока генерирует сигнал в резонансном колебательном контуре. С помощью этих сигналов и регистрируются слабые изменения магнитного поля.

Сквиды используются для снятия магнитокардиограмм, т.е. для исследования сигналов от магнитного поля , создаваемого при работе сердца пациента. Сквид располагается в криостате, на расстоянии нескольких сантиметров от сердца пациента. Регистрируются резкие сигналы ,идущие от сердца. Ясно, что этот метод важен для медицинских исследований.

Квантование магнитного потока может быть использовано для создания пространства, в котором вообще отсутствует магнитное поле. Если охладить цилиндр, внутри которого имеется слабое магнитное поле, до температуры ниже критической, то внутри цилиндра “заморозится” некоторый магнитный поток. Если после этого мы начнем постепенно увеличивать радиус цилиндра, то число квантов потока не изменится, но увеличение площади сечения повлечет за собой соответствующее уменьшение напряженности поля. Если использовать несколько вложенных друг в друга цилиндров, то описанным путем можно в конце концов добиться того, что во внутреннем цилиндре не будет содержаться ни одного кванта потока.

Таким образом, возникает область, не содержащая магнитного поля, т.е. создается идеальный магнитный экран.

Интересным прибором является также сверхпроводящий болометр. Он предназначается для измерения радиации в инфракрасной области спектра.

Основной частью такого болометра является тонкая проволока из сверхпроводника, находящаяся при температуре, близкой к критической. Под действием падающей радиации, которая поглощается металлом, температура повышается и становится больше Тк. При этом сверхпроводимость разрушается, и в проволоке скачком восстанавливается нормальное сопротивление.

Это приводит к легко регистрируемому падению напряжения. Резкость перехода в нормальное состояние делает сверхпроводящий болометр весьма чувствительным прибором. Порог чувствительности его составляет 10 -10 –10- 12 вт.

Техническая сверхпроводимость находится в развитии и составляет часть технической физики.

Использованная литература

1.Иванов Б.Н. Законы физики. М.: Высшая школа .1986.

2.Кресин В.З. Сверхпроводимость и сверхтекучесть.М.:Наука,1978.

3.Парселл Э. Электричество и магнетизм.М.:Наука,1985. (Берклиевский курс физики).

4.Суорц Кл.Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений. В сборнике “Успехи физических наук”.М.:Наука,1986.

5.Тилли Д., Тилли Дж. Сверхтекучесть и сверхпроводимость, пер.с англ. М.: Наука,1977.

6.Физика микромира, Малая энциклопедия. М.:Советская энциклопедия, 1980, с.335-352.

7.Шубин А.С. Курс общей физики. М.:Высшая школа,1976.

8.Яворский Б.М., ДетлафА.А. Справочник по физике.М.:Наука,1985,с.417.

ref.repetiruem.ru

Реферат: Сверхпроводимость и ее применение в физическом эксперименте. Реферат сверхпроводимость

Реферат - Сверхпроводимость - Сверхпроводимость.doc

Сверхпроводимость.doc

Реферат - Сверхпроводимость - Рефераты на репетирем.ру

Реферат - Сверхпроводимость и ее применение в физическом эксперименте

Доклад по физике. Сверхпроводимость: история развития, современное состояние и перспективы

Реферат Физика Сверхпроводники

Реферат- Сверхпроводимость

Кафедра физики-2

Сверхпроводимость

Реферат - Сверхпроводимость - Рефераты на репетирем.ру

Сверхпроводимость

Смотрите также