Реферат: Сверхпроводимость проводников

План реферата

Стр.

1.Свойствосверхпроводимого состояния……………………………3

2.Сверхпроводникв магнитном поле………………………………...4

3.Изотермическиесвойства…………………………………………...5

4.Изотопическийэффект………………………………………………6

5.Квантоваяоснова…………………………………………………….7

6.Условиясверхпроводимости………………………………………..9

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

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

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

7.Некоторыеприменения сверхпроводимости……………………..10

Литература…………………………………………………………...15

В 1911 г. Камерлинг-Оннес открыл явлениесверхпроводимости, изучение которого интенсивно продолжается до наших дней исоставляет одно из важнейших направлений физики твердого тела.Оказалось, чтопри температуре, близкой к 40К, электрическоесопротивление ртути скачком обращается в нуль .

Многие металлы и металлические сплавы притемпературах, близких к абсолютному нулю, переходят в особоесверхпроводящее состояние, наиболеепоразительным 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 всверхпроводящем кольце ток сохраняется неизменным практически бесконечно долго– в течение нескольких лет не удается обнаружить сколько-нибудь заметногозатухания этого тока.Этот эксперимент провел в1959 г. американский ученый физикКоллинз.

Эффект сверхпроводимости состоит висчезновении электрического сопротивления при конечной, отличной от О0К, температуре ( критическая температура- Тк).

Открытие Камерлинга-Оннеса повлеклоисследования разных веществ –сверхпроводников и их свойств. Были отмеченырезкая аномалия магнитных, тепловых и ряда других свойств, так что правильнееговорить не только о сверпроводимости, а об особом, наблюдаемом при низкихтемпературах состоянии вещества .

Сейчас выявлена целая группа веществ –сверхпровод –ников ( В 1975 их было >500).Самойвысокой критической температурой среди чистых веществ обладает ниобий ( Тк=9,220 К), а наиболее низкой – иридий ( Т к = 0,1400К).

Сложноесоединение, синтизированное в 1967 г., сохраняет сверхпроводимость до 20,10 К, в 1973 г. рекорд равнялся 22,30К.

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

Бериллий–сверхпроводникв виде тонкой пленки. Некоторые веществастановятся сверхпроводниками при высокомдавлении ( Ва с Т к=50К поддавлением ~150 кбар).

Из всего следует вывод, чтосверхпроводимость представляет собой коллективный эффект, связанный соструктурой всего образца.

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

Учитывая обратимость перехода иразличие свойств металла в сверхпроводящем и нормальном состояниях, этотпереход можно рассматривать как фазовый переход между двумя различнымисостояниями одного и того же вещества : n-фазой( нормальноесостояние) и s-фазой (сверхпроводящее состояние).

Рис.1

Зависимость критического магнитного поля Нк от температуры Т.

Сверхпроводник в магнитном поле.

1. В1933 г. Мейсснером было открыто одно из свойств сверхпроводников(эффектМейсснера).Оказалось, что магнитное поле не проникает в толщу сверхпроводящего образца.Еслиэтот образец при температурах более высоких, чем Тк, то в нем, как и во всяком нормальномметалле, помещенном во внешнем поле.напряженность будет отличной от нуля. Невыключая внешнего магнитного поля, начнем постепенно понижать температуру.Тогдаокажется, что в момент перехода в сверхпроводящее

состояниемагнитное поле вытолкнется из образца и станет справедливым равенство В = 0 ( В- магнитная индукция, равная, поопределению, средней напряженности магнитного поля в веществе).При включениивнешнего поля Н в веществе появляется отличная от нуля индукция В, равная В=μН. Коэффициент и называется магнитной проницаемостью вещества.При μ<1наблюдается ослабление приложенного поля и В<Н.В сверхпроводниках В=0, что соответствуетнулевой магнитной проницаемости.Это эффект идеального диамагнетизма. Если сверхпроводящий образецпоместить во внешнее поле, то в поверхностном слое металла возникаетстационарный

электрический ток, собственное магнитное полекоторого противоположно приложенному полю.что в результате и приводит кнулевому значению индукции в толще образца.

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

<div v:shape="_x0000_s1031"> Рис.2

Наличиесопротивления привело бы к тепловым потерям и в отсутствие электрическогополя-к быстрому затуханию тока.Эффект Мейснера и явление сверхпроводимости,т.е.полное отсутствие сопротивления, тесно связаны между собой и явлютсяследствием общей закономерности, которую и установила теория сверхпроводимости.

2. Достаточно сильное магнитное поле при данной температуре разрушаетсверхпроводящее состояние вещества. При действии на сверхпроводник магнитногополя температура Тс снижается.Магнитное поле с напряженностью Нс, которое приданной температуре вызывает переход в-ва из сверхпроводящего состояния внормальное, называется критическим полем.

Т.о., металлможно перевести из сверхпроводящего состояния, воздействуя на сверхпроводникмагнитным полем.Тем не менее, был обнаружен класс веществ,

сохраняющихсвойство сверхпроводимости в мощных магнитных полях

ипри сильных токах.

Изотермические свойства.

Переход вещества в сверхпроводящее состояниесопровождается изменением его тепловых свойств.

<img src="/cache/referats/7355/image004.gif" v:shapes="_x0000_s1033">
Электронная теплоемкость нормальных металловс понижением температуры убывает полинейному закону сe~Т. В сверхпроводниках – по экспоненциальному закону.

где а иb–постоянные, не зависящие от температуры величины.

Рис.3

Скачек теплоемкости

Изотермический переход из сверхпроводящегосостояния в нормальное связан со скачкообразным изменением теплопроводности итеплоемкости.

Этоуниверсальное свойство сверхпроводников.Различают теплопроводность,

связаннуюс движением электронов, и тепловой поток в решетке кристалла.

Коэффициенттеплопроводности х можно представить в виде суммы

<img src="/cache/referats/7355/image006.gif" v:shapes="_x0000_s1041">
х=хэл+хреш.Электронырассеиваются различными причинами(колебания решетки, примеси, другиеэлектроны).Результирующая электронная теплопроводность Хэлвычисляется по правилу

Изотопический эффект.

В1950 г. Максвелл, Рейндолс при исследовании ртути открыли, чтосверхпроводимость возникает при взаимодействии электронов с решеткой кристалла.Электроныпроводимости движутся в сверхпроводнике беспрепятственно-без “трения” об узлы кристаллической решетки.

Всверхпроводниках возникает взаимное притяжение электронов с образованиемэлектронных пар.

Рис.4

Электронпроводимости е притягивает к себе ион Iкристаллическойрешетки, смещая его из положения равновесия.При этом изменяется электрическоеполе в кристалле- ион I создает электрическое поле,

действующеена электроны проводимости, в том числе и на электрон e1

Взаимодействиее1 и е2 осуществляется с помощью кристаллической решетки.

Смещениеиона под действием электрона приводит к тому, что электрон оказывается окруженным “облаком” положительногозаряда, превышающего собственный отрицательный заряд электрона.Электрон вместес этим “облаком”имеетсуммарный положительный заряд и притягивается к другому электрону.

Интересно, что именно взаимодействиеэлектронов с решеткой кристалла ответственно за появление сопротивления. Приопределенных условиях оно приводит к егоотсутствию, т.е эффекту сверхпроводимости.Так было

расскрытообъяснение сверхпроводимости.

В 1957 г. Бардином, Купером, Шрифферомбыла построена теория сверхпроводящегосостояния.

Квантовая основа.

1.В квантовой теории металлов притяжениемежду электронами ( обмен фононами)связывается с возникновением элементарныхвозбуждений решетки.

Электрон, движущийсяв кристалле и взаимодействующий сдругим электроном посредством решетки, переводит ее в возбужденное состояние.Припереходе решетки в основное состояние излучается квант энергии звуковойчастоты- фонон, который поглащается другим электроном.Притяжение междуэлектронами можно представить как обмен электронов фононами, причем притяжениенаиболее эффективно, если импульсы взаимодействующих электронов антипараллельны.

2.Возникновениесверхпроводящего состояния веществасвязано с возможностью образования в металле связанных парэлектронов.Проявление сил притяжения можно представить.В результате деформациирешетки электрон оказываеся окруженным “облаком“положительного заряда, притягивающегося к электрону. Тогда такой электрон вместе сокружающим его облаком представляетсобой положительно заряженную систему,

котораябудет притягиваться к другому электрону.

При высоких температурах достаточно сильноеинтенсивное тепловое движение отбрасывает частицы друг от друга, размываетионную “шубу“, что фактически уменьшает силы притяжения.Принизких же температурах силы притяжения играют очень важную роль.

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

Всреде же сила их взаимодействия равна

(ε-диэлектрическая проницаемостьсреды).Если среда такова, что ε <0, то одноименные заряды (вданном случае электроны) будут притягиваться.

<img src="/cache/referats/7355/image010.gif" v:shapes="_x0000_s1043">
Кристаллическая решетка и является тойсредой, которая делает отрицательной диэлектрическую проницаемость всверхпроводнике.

3.Расстояние между электронами пары равно:

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

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

находятсяна расстоянии порядка 104 периодов кристаллической

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

расстояния.

Если при сколь угодно низкихтемпературах кулоновское отталкиваниемежду электронами преобладает над притяжением, образующим пары, то вещество(металл или сплав) остается по своим электрическим свойствам нормальным.Если жепри температуре Т происходит преобладание сил притяжения надсилами отталкивания, то вещество переходит в cверхпроводящее состояние

4.Важнейшей особенностьюсвязанного в пары коллектива электронов в сверхпроводнике являетсяневозможность обмена энергией между электронами и решеткой малымипорциями, меньшими, чем энергия связи пары электронов.

Этоозначает, что при соударении электронов с узлами кристаллической решетки неизменяется энергия электронов и вещество ведет себя как сверхпроводник снулевым удельным сопротивлением.

Квантомеханическое рассмотрениепоказывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловыхколебаниях решетки или примесях.А это и означает отсутствие электрическогосопротивления.

Условия сверхпроводимости.

1.СверхпроводникиI и II рода.

Когда магнитный потокпроходит через проводник без потерь и когда энергия связана с поверхностями раздела между участками n-фазы иs-фазы ( граница между двумя фазами всегда обладает поверхностнойэнергией.)

Рис. 5

Нарис. 5а-сверхпроводник с идеальным диамагнетизмом;б-сверхпроводник в смешанномсостоянии.Заштрихованные области соответствуют сверхпроводящему состоянию(s-фазе), незаштрихованные-нормальному (n-фазе).При толщине слоев s- фазы, меньшей глубиныпроникновения , магнитный поток пронизываети сверхпроводящие слои(Н- напряженность внешнего магнитного поля).

Искаженияплотности сверхпроводящих электронов не могут проявлятся на расстояниях, меньшихдлины когерентности ξ~ΔS.

В поверхностную энергиюдают вклад эффекты, зависящие как отглубины проникновения λ, так и от длиныкогерентностиξ.Как было показано, вклад в поверхностную энергиюотрицателен( т.к. при этом объем чистой s-фазы

уменьшаетсяна величину порядка λS, где S-площадьповерхности s-фазы) и, следовательно, добавка к внутреннейэнергии сверхпроводника уменьшается на величину порядка λSH2/8π.Если выполняется условия ξ>λ(болееточный расчет дает условиеξ>λ1/2), тообразование слоистойструктуры энеогетически невыгодно и сверхпроводник существует в виде сплошной s-фазы.

Такиесверхпроводники называются сверхпроводимостью Iрода.К ним принадлежат почти все чистые сверхпроводники.Если же выполняетсяусловие ξ<λ1/2, то энергетически выгодно образованиеслоистой структуры и сверхпроводники находятся в смешанном состоянии.Такиесверхпроводники называются свехпроводимостью II рода.К ним относятся многие сверхпроводящиесплавы и сверхпроводники, загрязненные примесями.

2.Сверхпроводимость можетразрушаться током..

Еслисверхпроводник II рода поместить в сильное внешнее магнитное поле,то критический ток в нем окажется равным 0, т.е. протекание сквозь угодно малоготока будет сопровождаться тепловыми потерями.Возникает система вихревых нитей ипри пропуске тока происходит ихвзаимодействие.Опытным путем доказано, что жесткие сверхпроводники выдерживаютсильные магнитные поля, а благодаря неоднородностям структуры через них можнопропускать большие токи.

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

Применение сверхпроводимости.

Продолжается поиск материалов, позволяющихполучать все более мощные магнитные поля. Соленоиды создают не просто сильные магнитные поля.Возможно получение однородных полей в достаточно большойобласти пространства, что весьма важнопри проведении научных исследований,

посвященныхизучению свойств вещества в магнитном поле.

Наиболеезаманчиво применение сверхпроводников в обмотках соленоидов для получениясверхсильных магнитных полей- порядка 100 000э и выше. Сильные магнитные полянеобходимы, например, при управлении плазменными пучками в установках для исследования и возможногополучения управляемых термоядерных реакций и в современных ускорителяхзаряженных частиц высоких энергий.

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

Каждыйэлемент провода с током в такой обмотке находится в очень сильном магнитномполе соседних витков, поэтому целесообразно применять сверхпроводники IIрода, выдерживающие большие магнитные поля. Для этих целей выявлены сверхпроводимостьIIIрода( ниобий-цирконийили ниобий-олово).

Сверхпроводящиесплавы используются для получения сверхмощных постоянных магнитов. В отличиеот обычного электромагнита сверхпров. ненуждается во внешнем источнике питания, поскольку протекающий в нем ток неиспытывает электрического сопротивления.

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

Много исследований посвящается вопросу об использовании сверхпров. при созданиивычислительных машин.Сверхпроводящий ток является незатухающим.Это позволяетиспользовать его в качестве идеального запоминающего устройства, хранящего большие и легкосчитываемые запасы информации.

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

В вычислительной технике используетсядвоичная система.Двойственность сверхпроводников( они могут находиться или внормальном, или в сверхпроводящем состоянии), быстрота их перехода под действиемтемпера-

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

Одно из таких устройств –так называемыйпроволочный криотрон.

Слово”криотрон” греческого происхождения (cryo — холод).Изобретен этотприбор американским ученым Баком.Прибор состоит из проволоки,

сделанной, например, изсвинца или тантала, по которой протекает сверхпроводящий ток.Эта проволоканазывается клапаном.На нее намотана более тонкая –из ниобия.Катушка, образованнаяэтим тонким проводом,

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

Ниобий был выбран в качестве материала, изкоторого изготовляется управляющий провод, по той простой причине, что сверхпров.сохраняетсся в нем при достаточно сильных магнитных полях.Критические полясвинца или тантала, образующих клапан, являются весьма малыми, и сверхпров.в нихпоэтому разрушается при пропускании в ниобиевой катушкедостаточно слабого тока.

Сопротивлениев клапане меняется при этом скачком от нуля до некоторого конечногозначенитя.Уменьшением тока в управляемом проводе снова восстанавливается сверхпроводящиесостояния свинца или тантала.

Скорость переключения в клиотронах достигает двух наносекунд

(2*10-9сек).Высокая скорость всочетании с простотой устройства и лежит в основе использования сверхпроводящихкриотронов в вычислительной технике.ЭВМ, использующая сверхпроводящиеустройства, выделяется

своей необычной компактностью.

Вполне возможным является создание миниатюрного сверхпроводящего триода.Его можно представить себе состоящимвсего из трех наклеенных друг на друга металлических пленок, причем роль сеткиобычной 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 отталкиванияиспользуется для создания опор без трения.Сверхпроводящая сфера благодарядиамагнитному эффекту висит над кольцом, в котором циркулирует незатухающийток.Сила тяжести

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

Устройство, в котором используется описанное явление, называетсясверхпроводящим подвесом.Такие подвесы могут использоваться вгироскопах, моторах и в ряде других устройств.Принцип механического отталкиванияположен в основу создагния электрических машин, к.п.д. которых благодаря замечательным свойствам сверхпроводников равена 100%. В этих машинах ротор выполнен ввиде шестиугольного сверхпроводящего

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

ив принципе может быть увеличена до большого значения.

Самаязаманчивая перспектива использования эффектамеханического отталкивания связана с работами по созданию “сверхпроводящей “ железнойдороги.Японцы первыми создали модель железной дороги на магнитной подушке с вагонами, в которыхнаходятся сверхпроводящие магниты.Вагон весом 2 т и размером 4х1,5 х 0,8 мдвигался над путепроводом со скоростью

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

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

У нас разработан проект такой дороги между Петербургом и Москвой.

Этоявление в лабораторных условиях рассмотрел в замечательном экспериментеВ.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 возникновениевследствие диамагнитного эффекта приведет к появлению сил отталкивания междукольцом 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 надсверхпроводящим кольцом помещается постоянный магнит, без видимой поддержкивисящий над кольцом, в котором циркулируют индуцированные магнитом незатухающиесверхпроводящие токи.

Сверхпроводящие трансформаторы.Отсутствие вних тепловых потерь;сверхпроводящие трансформаторы при большоймощности (до 1 000 000 квт) оказываются значительно более компактыми посравнению с обычными.

В них можно не использовать сталь в качествемагнитного материала. Создаваемые сверхпроводниками магнитные поля намногопревосходят значения напряженности, реализуемые в стальных материалах.

Впоследнее время в радиотехнике начинают использовать сверхпроводящие объемныерезонаторы.Добротность резонатора обратно пропорциональна

электрическому сопротивлению егостенок.Ясно, что применение сверхпроводников, не обладающих электрическимсопротивлением, 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 жерезонатор, находящийся в сверхпроводящем состоянии (Т=4,20К), характеризуетсядобротностью,достигающей Q= 4*108.

Компактность мсожет использоваться вкосмическом корабле для

создания магнитной противорадиационной защиты.Космонавт долженвзять в космос “ низкие температуры” исверхпроводящий соленоид.

Квантование магнитного потока всверхпроводниках используется для создания магнитомеров для измерения слабыхмагнитных полей.Приборы такого вида называются квидами.Они фиксируют измененияпотока

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

Катушка с полем

переменного тока

Тонкая пленка

(~10-6 cм толщиной)

Рис.6

Изображенный сквид представляет собой дватонких сверхпроводящих полуцилиндра, полученных напылением на катушку.Эти полуцилиндрысоединены тонким мостиком, образующим слабую связь.Квантование этого магнитногопотока приводит к ступенчатому характерузависимости потока от внешнего магнитного поля.Это изменение потока генерируетсигнал в резонансном колебательном контуре.С помощью этих сигналов ирегистрируются слабые изменения магнитного поля.

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

располагается в криостате, на расстояниинескольких сантиметров от сердца

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

Квантование магнитного потока может быть использовано для созданияпространства, в котором вообще отсутствует магнитное поле.Если охладитьцилиндр, внутри которого имеется слабое магнитное поле, до температуры нижекритической, то внутри цилиндра “заморозится” некоторый магнитныйпоток.Если после этого мы начнем постепенно увеличивать радиус цилиндра, точисло квантов потока не изменится, но увеличение площади сечения повлечет засобой соответствующее уменьшение напряженности поля.Если использовать нескольковложенных друг в друга цилиндров.то описанным путем можно в конце концов добиться того, что во внутреннемцилиндре не будет содержаться ни одного кванта потока.

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

Интереснымприбором является также сверхпроводящий болометр.Он предназначается дляизмерения радиации в инфракрасной области спектра.

Основнойчастью такого болометра является тонкая проволока из сверхпроводника, находящаясяпри температуре, близкой к критической. Под

действиемпадающей радиации, которая поглащается металлом, температура повышается истановится больше Тк.При этом сверхпроводимость разрушается, и в проволокескачком восстанавливается нормальное сопротивление.

Это приводит к легко регистрируемомупадению напряжения.Резкость перехода в нормальное состояние делаетсверхпроводящий болометр весьма чувствительным прибором.Порог чувствительностиего составляет

10-10–10-12вт.

Техническая сверхпроводимость находится вразвитии и составляет часть технической физики.

Использованная литература

1.ИваноаБ.Н.Законы физики.М.:Высшая школа .1986.

2.КресинВ.З.Сверхпроводимость и сверхтекучесть.М.:Наука,1978.

3.ПарселлЭ.Электричество и магнетизм.М.:Наука,1985.

(Берклиевскийкурс физики).

4.СуорцКл.Э.Необыкновенная физика обыкновенных явлений.

Всборнике “Успехи физических наук”.М.:Наука,1986.

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

М.: Наука,1977.

6.Физикамикромира, Малая энциклопедия.М.:Советскаяэнциклопедия,