Образовательный портал

Автор:  Кудряшов Александр Сергеевич

 Скачать в формате Word

      Явление сверхпроводимости было открыто в 1911г. голландским ученым Камерлинг- Оннесом.  В эти годы уже было известно о свойствах металлов уменьшать сопротивление при понижении температуры. Но дляизучения этого свойства необходимо было охлаждать образец постоянно для чего его помещали в охлаждённую жидкость, а, так как большенство жидкостей при низких температурах превращаются в твердые вещества, то приходилось сжиживать вещества  при НУ являющиеся газом. На рисунке 1 указаны некотрые такие вещества.

Рис.1  Температуры кипения Tb, К, и плавления Tm, К

    В источнике [2] говорится о том, что  Камерлинг- Оннесу первому удалось получить жидкий гелий, что позволило создать криостаты (приборы в которых возможно поддерживать очень низкие температуры).  Камерлинг- Оннес решил проверить  правильность теории  о поведении электрического сопротивления при низких температурах..  Во время одного из опытов по охлаждению ртути, при достижении Т  4,2^оК (точка кипения гелия при атмосферном давлении)скачкомпроизошло резкое  падение сопротивления ртути до 0.  Это и явилось отправной точкой в изучении явления сверхпроводимости. Позднее было установлено, что сверхпроводимостью обладают и другие металлы.

 

Но чтобы понять, что такое сверхпроводимость, надо сначала понять, что такое электрический ток и проводники.

 

Для начала, как говорится в источнике [1], электрический ток - это движение заряженных частиц. В твёрдых телах это электроны. Валентные электроны металлов (электроны, находящиеся дальше всех от ядра атома) имеют свойство отсоединяться от атомов, при объединении тех в твёрдое тело, и образовывать газ почти свободных электронов. Это простая и, в большинстве случаев правильная картина. Вещество это сосуд, содержащий электронный газ.

 

Если мы приложим к веществу напряжение, в электронном газе возникнет «ветер» как от разности в давлении этот ветер и есть электрический ток.

Теперь надо понять что такое сопротивление. Все мы знаем формулу  R = ρ × l / S

Где R – сопротивление; l – длинна проводника; S – площадь сечения. Таким образом мы продолжаем сравнивать проводник с газом (чем шире и короче трубка, тем легче через неё проходит газ.

 

Но не надо забывать про ρ – удельное сопротивление, характеризующее свойство металла из которого выполнен образец.

 

Стоит заметить, что при понижении температуры уменьшается именно ρ, но не у всех веществ, хорошо проводящих ток, ρ может упасть до 0. Например медь: при НУ ρ меди =1,75·10^–6 Ом·см но при олаждении до нескольких градусов по К оно уменьшается лишь до10^–9 Ом·см, тогда как у ртути, обладающей при НУ ρ = 95,8·10^–6 Ом·см при охлаждении падает до

10^–23 Ом·см и ниже.

 

Это связано с тем, что у каждого вещества есть ρ₀ —остаточное сопротивление оно зависит от количества примесей в веществе и от самой структуры вещества. Поэтому не у всех веществ оно равно 0 и медь яркий тому пример. Нагляднее всего это можно увидеть на рисунке 2

Рис. 2.Зависимость удельного сопротивления, металла (меди) от температуры

 

А теперь вернёмся к сверхпроводимости. Из источника [1] следует чтоСверхпроводимость возникает скачком при понижении температуры. Температура T_c, при достижении которой происходит скачок, называется критической. Внимательное исследование показывает, что такой переход наблюдается в некотором интервале температур. Ширина перехода зависит от количества примесей в образце, что видно на рис 3

Рис. 3Вид «сверхпроводящего перехода». Зависимость сопротивления от температуры для образца 1 (более «чистого») и 2 (более «грязного»). Критическая температура Tc обозначает середину перехода, когда сопротивление падает наполовину по сравнению с нормальным состоянием. Начало падения — Tc0, конец — Tce

 

Но что происходит с электронами, при переходе вещества в сверхпроводящее состояние?

 

На этот вопрос отвечает квантово-механическая теория сверхпроводимости или теория БКШ(Бардина, Купера, Шриффера). Из источника [3] можно кратко изложить суть этой теории. Она заключается в том, что при достижении определенной температуры происходит возникновение силы притяжения между электронами, превосходящей силу кулоновского отталкивания. Происходит образование связанных пар электронов, так называемых куперовских пар, благодаря чему вещество приобретает свойства сверхпроводимости.  Но здесь надо обратить внимание на то, что образование пар происходит  не из двух изолированных электронов, а в присутствии всей совокупности других электронов. Причем важной особенностью этого коллектива является невозможность обмена энергией между электронами и решёткой. Это означает, что при движении электронов в кристаллической решётке не изменяется энергия электронов и вещество ведёт себя как сверхпроводник с нулевым удельным сопротивлением. Для простоты понимания можно сравнить движение электронов с движением танцоров на спектакле, как, например в источнике [1].Представим, что мы сидим в концертном зале. По сцене расхаживают танцоры, однако сам танец еще не начался и никакого порядка в их движении нет. Но вот зазвучала музыка, танцоры образовали пары, начался танец, появился порядок, танцоры не мешают друг другу.

 

Казалось бы что, раз сверхпроводники проводят ток бес сопротивления, они являются идеальными проводниками, но это не так.

 

Всё дело в эффекте Мейснера, открытом в 1933 году немецким физиком Вальтером Фриц Мейснером.

Из источников[1-2-3] следует, что суть этого эффекта заключается в следующем. Если поместить металл, обладающий свойством сверхпроводимости, в не очень сильное магнитное поле и понижать температуру, то при переходе металла в сверхпроводящее состояние силовые линии поля вытолкнутся из него. Последующее изучение показало, что на самом деле при таком переходе у поверхности сверхпроводника возникает небольшой слой, толщиной 10^-5 – 10^-6см, в котором циркулируют токи, полностью экранирующие внутренние области образца от внешнего поля. Толщина этого слоя называется глубиной проникновения. Именно благодаря этому эффекту мы можем видеть так называемую левитацию сверхпроводника (рис 4).

 

Рис. 4

 

Но вы можете спросить, как бы в таких условиях вёл себя идеальный проводник, и чем его повидение отличается от сверхпроводника?

 

Всё очень просто. Если бы идеальный проводник сначала приобрёл свойство проводить ток бес сопротивления, а затем его поместили бы в магнитное поле, то он бы вёл себя так же как и сверхпроводник (те. вытеснял бы магнитное поле). Но, если бы, вещество сначала поместили в магнитное поле, и оно в него проникло, а только затем вещество приобрело свойство проводить ток бес сопротивления, тогда магнитное поле как бы «попало в ловушку» и оставалось бы вокруг идеального проводника после его извлечения из магнитного поля. Идеальный проводник как бы стал постоянным магнитом и сохранял бы это свойство до тех пор, пока проводит ток бес сопротивления. Нагляднее всего это видно на рис 5 (источник[1])

Рис. 5. Эффект Мейснера:

а — нормальный проводник, обладающий отличным от нуля сопротивлением при любой температуре (1), внесен в магнитное поле. В соответствии с законом электромагнитной индукции возникают токи, которые сопротивляются проникновению магнитного поля в металл (2). Однако если сопротивление отлично от нуля, они быстро затухают. Магнитное поле пронизывает образец нормального металла и практически однородно (3);

б — из нормального состояния при температуре выше T_c есть два пути: Первый: при понижении температуры образец переходит в сверхпроводящее состояние, затем можно наложить магнитное поле, которое выталкивается из образца. Второй: сначала наложить магнитное поле, которое проникнет в образец, а затем понизить температуру, тогда при переходе поле вытолкнется. Выключение магнитного поля дает ту же картинку;

в — если бы не было эффекта Мейснера, проводник без сопротивления вел бы себя по-другому. При переходе в состояние без сопротивления в магнитном поле он бы сохранял магнитное поле и удерживал бы его даже при снятии внешнего магнитного поля. Размагнитить такой магнит можно было бы, только повышая температуру. Такое поведение, однако, на опыте не наблюдается

 

Из всего вышеприведённого следует, что сверхпроводник является не идеальным проводником, а идеальным диамагнетиком

 

Но не всё так хорошо, как кажется на первый взгляд. На самом деле эффект Мейнснера работает только при не очень сильных магнитных полях.

И существует некое критическое поле (H_c) при достижении которого сверхпроводник переходит в нормальное состояние. Если быть более точным, то можно сказать, что сначала он переходит в промежуточное состояние.Как говорится в источнике[1].В промежуточном состоянии образец как бы впускает в себя магнитное поле, однако с точки зрения физики точнее сказать, что образец просто разбивается на «большие» соседствующие куски — нормальные и сверхпроводящие. Происходит цепная реакция и вещество теряет сверхпроводящие свойства. Но, оказывается, и из этого правила бывают исключения.

Оказывается, промежуточное состояние возникает не у всех сверхпроводящих материалов. Существует целый класс сверхпроводников, в которые магнитное поле проникает по-другому. Это в основном сплавы, а из чистых элементов — ниобий. Они получили название сверхпроводников II рода. Первоначально изучавшиеся сверхпроводники, такие, как ртуть, свинец, алюминий, назвали сверхпроводниками I рода.

 Так чем же отличаются сверхпроводники II рода? Из источников[1-2] следует что Сверхпроводники II родатакже вытесняют магнитное поле, но только очень слабое. При повышении напряженности магнитного поля сверхпроводник II рода «находит возможность» впустить поле внутрь, одновременно сохраняя сверхпроводимость. Это происходит при напряженности поля, намного меньшей Н_сПричём в сверхпроводнике зарождаются вихривые токи.

Но для чего служат эти токи? Говоря более простым языком, нежели в источнике [1], можно сказать, что каждый вихрь захватывает и вносит внутрь сверхпроводника «одну» силовую линию магнитного поля. Если повышать напряженность внешнего магнитного поля, то размеры каждого вихря и поток магнитного поля, который они проводят, не увеличиваются. Просто возрастает количество вихрей и уменьшается расстояние между ними. Но параллельные вихри отталкиваются. Они стараются держаться подальше друг от друга, но когда их много, то отталкивание идет со всех сторон. В итоге они образуют правильную решётку.

При увеличении магнитного поля количество вихрей увеличивается, а расстояние между ними уменьшается, и при достиженииН_с2 вихри сливаются и сверхпроводник теряет свои свойства.

При уменьшении же магнитного поля, количество вихрей уменьшается, и при достижении определенной величины поля, исчезают вовсе. Поле, при котором может существовать хотя бы 1 вихрь называется нижним критическим полем H_c1

При нахождении сверхпроводника в поле, значение которого находится в интервале от Н_с1 до Н_с2 , его состояние называется смешанным. Это хорошо видно на рисунке 6

рис.6

Конечно, вне вихрей магнитное поле равно нулю, а сердцевина вихря находится в нормальном состоянии. Но можно рассчитать некоторое среднее поле: внутри сверхпроводника I рода оно будет в точности равно нулю, а в сверхпроводнике II рода — нет. Это среднее поле больше Н_с1 но меньше Н_с2.

Из источника[2-3] мы знаем что вихревое состояние сверхпроводников II рода теоретически предсказал советский физик А. А. Абрикосов в работе, опубликованной в 1957 году.

Но как визуально отличить сверхпроводник II рода от сверхпроводника I рода?

По сути сверхпроводник IIрода отличается от сверхпроводника Iрода лишь наличием примесей, и тем, что может обладать неправильной формой.

Также на сверхпроводящее состояние вещества влияет отношение силы тока к сечению проводника (плотность тока).А если быть более точным, она влияет на Т_с. Чем выше плотность тока, тем ниже Т_с.

Теперь поговорим о возможности применения сверхпроводников. Огромный потенциал этой отрасли люди поняли ещё до открытия эффекта Мейнснера, но, из-за сверхнизких температур их применение было невозможным и активных разработок в этой сфере не велось. Но все изменилось в80х годах 20 века.

Из источника[4]. На рубеже 1985 - 1986 годов 2м учёным:А.Мюллеру и Г.Беднорцу из исследовательской лаборатории фирмы IBM в Швейцарии удалось синтезировать соединение лантана, бария, меди и кислорода, так называемую металлооксидную керамику La—Ва—Cu—О, которое проявляло признаки сверхпроводимости при рекордно высокой по тем временам температуре в 35 Кельвинов! Мюллер и Беднорц отослали статью в немецкий журнал «Zeitschrift fur Physik». Сначала их никто не принял всерьёз, и лишь одна японская группа на всякий случай перепроверила и подтвердила заявленный в этой статье результат.Затем феномен высокотемпературной сверхпроводимости был подтвержден американскими, китайскими и советскими физикамиВ начале 1987 года весь мир охватила лихорадка поиска новых и исследования свойств уже обнаруженных сверхпроводников. Критическая температура быстро повышалась: для соединения La—Sr—Cu—О она составила уже 45 К, для La—Ва—Cu—О (под давлением) поднялась до 52 К и в феврале 1987 года, американский физик Пол Чу сымитировал действие внешнего давления заменой атомов лантана соседними по столбцу таблицы Менделеева, но меньшими по размеру атомами иридия (Y), критическая температура синтезированного соединения YBa₂Cu₃O₇ превысила температуру кипения жидкого кислорода, достигнув 93 кельвинов. В 1988 году синтезируется соединение, состоящее уже из пяти элементов, типа Ва—Са—Sr—Cu—О, а несколько позже — ртутные и таллиевые его аналоги с температурой 125 К. В настоящее время самый высокотемпературный сверхпроводник это HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+dс критической температурой = 135 К, причем при внешнем давлении 350 тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164 К (источник[3]).

Из источника [5]следует. Сейчас сверхпроводимость применяется во многих отраслях, но их все, для удобства можно разделить на 2 направления: относительно маломощная электронику (быстродействующие вычислительные устройства, детекторы магнитного поля и излучений, оборудование для связи в микроволновом диапазоне) и силовые применения (кабели, токоограничители, магниты, моторы, генераторы, накопители энергии).

(источник [5])Так, замена медной обмотки в транформаторах на сверхпроводящие провода позволит уменьшить потери электроэнергии на 80-90% и снизить общую массу примерно в 2-3 раза. Так же сверхпроводники используют в некотрых соленоидах (например для большого адронного коллайдера), электромагнитах генераторах, электромоторах. Сверхпроводниковые технологии чрезвычайно привлекательны для применения на флоте – как гражданском, так и военном. Сверхпроводниковые приводы и генераторы отличаются высокой компактностью при массе в 2-3 раза меньшей, чем у традиционных аналогов и обладают высокой тягой даже на низких оборотах. Отказ от механических редукторов и переход к прямому приводу гребного винта электродвигателем существенно поднимает к.п.д. силовой установки. Уровень вибраций и шумов также значительно ниже. В Японии запланировано Строительство сверхпроводящей железной дороги. Предполагается, что линия длиной 290 км соединит Токио и район в центральной Японии. Тестовые испытания были успешно проведены еще в 2003 г., в ходе которых был поставлен мировой рекорд скорости передвижения поезда (581 км/час). Ожидается, что дорога будет введена в эксплуатацию к 2020 г.

Из всего вышеприведенного можно сделать вывод, что сверхпроводимость это крайне интересная и ещё не до конца изученная особенность различных веществ и я описал лишь малую часть этого явления. Но основным минусом, не позволяющем ввести сверхпроводники в повседневную жизнь, являются низкие температуры перехода веществ в сверхпроводящее состояние. И если мы сможем преодолеть этот недостаток, сверхпроводники изменят нашу повседневную жизнь и уровень земных технологий.