Сверхпроводящие металлы и сплавы. Составьте таблицу веществ обладающих сверхпроводимостью

Сверхпроводимость

Содержание

1. Явление сверхпроводимости

2. Свойства сверхпроводников

3. Применение сверхпроводников

Список литературы

1. Явление сверхпроводимости

Особую группу материалов высокой электрической проводимости представляют сверхпроводники. При низких температурах (в настоящее время по крайней мере ниже 18° К) определенные металлы и сплавы приобретают способность проводить ток без сколько-нибудь заметного сопротивления; такие твердые тела называются сверхпроводниками.

Это явление известно уже век, его открыл в 1911 г. Камерлинг-Оннес,который наблюдал такое состояние в ртути при температуре жидкого гелия. В таблице 1 приведен список некоторых известных в настоящее время сверхпроводников и температуры перехода их в сверхпроводящее состояние Тк . Переход обычно происходит очень резко: сопротивление падает от своего нормального значения до нуля в интервале порядка 0,05° К.

Рисунок 1 - Изменение электрического сопротивления в металлах (М) и сверхпроводниках (Мсв ) в области низких температур [3]

С понижением температуры электрическое сопротивление всех металлов монотонно падает (рисунок 1). Однако есть металлы и сплавы, у которых электрическое сопротивление при критической температуре резко падает до нуля - материал становится сверхпроводником.

Сверхпроводимостьобнаружена у 30 элементов и около 1000 сплавов. Сверхпроводящие свойства обнаруживают многие сплавы со структурой упорядоченных твердых растворов и промежуточных фаз (о-фаза, фаза Лавеса и др.). При обычных температурах эти вещества не обладают высокой проводимостью.

Таблица 1 – Сверхпроводники и их температуры перехода в сверхпроводящее состояние (ºK)[2]

2. Свойства сверхпроводников

Наиболее общим свойством сверхпроводников является существование критической температуры сверхпроводимости Тк , ниже которой электросопротивление вещества становится исчезающе малым. Согласно последним оценкам, верхний предел электросопротивления вещества в сверхпроводящем состоянии (т.е. при температуре ниже Тк )составляет 10-26 Ом·м.

Некоторые элементы могут претерпевать аллотропические превращения под действием высоких давлений (порядка десятков тысяч атмосфер). Образующиеся при этом кристаллографические модификации (так называемые фазы высокого давления) при охлаждении переходят в сверхпроводящее состояние, хотя при обычных давлениях эти элементы не являются сверхпроводниками. Например, сверхпроводником является модификация TeII, образующаяся при давлении 56 000 атмосфер, BiII (25 тысяч атмосфер, Тк = 3,9 К), BiIII (27 тысяч атмосфер, Тк =7,2 К). Фазы высокого давления GaII и SbII остаются сверхпроводниками и после снятия высокого давления, и при атмосферном давлении критические температуры сверхпроводящего перехода этих фаз равны соответственно 7,2 и 2,6 К. В обычном состоянии Be и Ga не являются сверхпроводниками, однако становятся таковыми при осаждении на подложках в виде тонких пленок. Появление сверхпроводимости при осаждении пленок из паровой фазы наблюдали также у Се, Pr, Nd, Eu, Yb.

Характерно, что металлы подгрупп IA, IB и IIА, при комнатной температуре являющиеся хорошими проводниками электричества, не являются сверхпроводниками (за исключением бериллия в тонкопленочном состоянии). Ферро- и антиферромагнитные элементы также не являются сверхпроводниками.

Сверхпроводящие характеристики многих элементов, особенно Mo, Ir и W, весьма чувствительны к чистоте металла, что дает основания предполагать, что с развитием методов рафинирования металлов сверхпроводящие свойства будут обнаружены у некоторых других элементов.

Переход из нормального состояния (с ненулевым электросопротивлением) в сверхпроводящее наблюдается не только в чистых элементах, но также в сплавах и интерметаллических соединениях. В настоящее время известно более тысячи сверхпроводников. Б. Маттиас сформулировал правила, связывающие существование сверхпроводимости с валентностью Z.

1. Сверхпроводимость существует только при 2 < Z < 8.

2. У переходных металлов, их сплавов и соединений при Z = 3, 5 или 7 наблюдаются максимальные температуры перехода в сверхпроводящее состояние (см. рисунок 2).

3. Для каждого данного значения Z предпочтительны определенные кристаллические решетки (для получения максималь ной T к )причем Тк быстро растет с атомным объемом сверхпроводника и падает с увеличением массы атома.

Рисунок 2 - Наличие сверхпроводимости и Тк переходных и простых металлов [1]

Наиболее перспективными с точки зрения технического применения являются сверхпроводники с высокой критической температурой. Наиболее высокой Тк обладают сплавы и соединения переходных металлов ниобия и ванадия. Эти сверхпроводящие материалы делятся на три группы: 1) сплавы (твердые растворы) с объемноцентрированной кубической решеткой - Nb-Ti, Nb- Zr. TK ~ 10 К и выше; 2) соединения с решеткой каменной соли, например NbN и Nb (С, N), Тк ~ 18К; 3) соединения ниобия и ванадия с элементами подгрупп алюминия и кремния, имеющие кристаллическую решетку типа β-W и стехиометрическую формулу А3 В, где А -Nb или V, В - элемент подгруппы ШВ или IVB, например V3 Si, Nb3 Sn, Nb3 (Al, Ge), TK ~ 21 К и выше.

Критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние и другие сверхпроводящие характеристики, о которых будет сказано ниже, соединений А3 В весьма чувствительны к малым отклонениям от стехиометрии, к структурному состоянию образца (наличие дисперсных частиц других фаз), дефектов кристаллического строения, степени дальнего порядка. По-видимому, этим объясняется повышение Тк соединений Nb8 Al, Nb3 Ga, Nb8 (Al, Ge) на несколько градусов после закалки от высоких температур и последующего отжига. В частности, Tк соединения Nb3 Ge в результате резкой закалки была повышена от 11 до 17К. На тонкопленочных образцах Nb3 Ge, полученных распылением, достигнуты значения Тк = 22 К и 23 К. Сверхпроводящие материалы на основе твердых растворов имеют определенные преимущества по сравнению с соединениями типа A3 Вв связи с их большей пластичностью.

Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают специфическими магнитными свойствами. В первую очередь это проявляется в зависимости критической температуры сверхпроводимости от напряженности внешнего магнитного поля. Критическая температура максимальна в отсутствие внешнего магнитного поля и снижается при увеличении его напряженности. При некоторой напряженности внешнего поля Нкм , называемой критической Тк = 0. Другими словами, в полях, равных или больших Нкм , сверхпроводящее состояние в веществе не возникает ни при каких температурах. Такое поведение сверхпроводников иллюстрируется кривой Нк (Т) (рисунок 3). Каждая точка этой кривой дает величину критического внешнего поля Нк при данной температуре Т < Тк , вызывающего потерю сверхпроводимости. Эта кривая является кривой фазового перехода: сверхпроводящая фаза →нормальная фаза. В отсутствие магнитного поля этот переход является фазовым переходом второго рода. В присутствии внешнего магнитного поля - это переход первого рода.

Рисунок 3 - Зависимость критического поля сверхпроводника от температуры [1]

Другим важным магнитным свойством сверхпроводников является их диамагнетизм. Внутри сверхпроводника, помещенного в магнитное поле, индукция равна нулю. Если же сверхпроводник помещен в магнитное поле при температуре выше критической, то при охлаждении ниже Тк магнитное поле «выталкивается» из сверхпроводника и его индукция в этом случае также равна нулю.

Разрушение сверхпроводимости внешним магнитным полем и идеальный диамагнетизм сверхпроводников связаны с тем, что для сохранения сверхпроводящего состояния суммарный импульс (кинетическая энергия) электронов должен быть меньше определенного значения. В силу этого существует определенная предельная (критическая) плотность тока jc выше которой сверхпроводимость нарушается и появляется конечное электросопротивление. Идеальный диамагнетизм сверхпроводника объясняется тем, что приложенное магнитное поле индуцирует на поверхности сверхпроводника токи, не испытывающие сопротивления. Эти токи циркулируют таким образом, что магнитный поток внутри сверхпроводника уничтожается. Таким образом, внешнее магнитное поле проникает в сверхпроводник только на очень небольшую глубину (так называемая глубина проникновения) порядка 10-8 -10-9 м. При увеличении внешнего магнитного поля экранирующие токи должны возрастать, для того чтобы сохранить диамагнетизм сверхпроводника. Если внешнее поле достаточно сильно, токи достигнут критического значения и вещество перейдет в нормальное состояние. Экранирующие токи исчезают, и магнитное поле проникает в вещество. Глубина проникновения магнитного поля (при постоянном поле) возрастает с температурой и стремится к бесконечности при Т → Tк , что соответствует переходу в нормальное состояние.

Сверхпроводники с малой глубиной проникновения (резкое затухание магнитного поля у поверхности) называются мягкими сверхпроводниками, или сверхпроводниками I рода. Имеются также жесткие сверхпроводники, или сверхпроводники II рода. Сверхпроводники II рода характеризуются более высокими значениями критических полей и большей шириной температурной области перехода в сверхпроводящее состояние. Для мягких сверхпроводников (олово, ртуть, цинк, свинец) температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние составляет около 0,05 К, тогда как для жестких сверхпроводников (ниобий, рений, соединения со структурой β-W) температурный интервал сверхпроводящего перехода составляет около 0,5 К.

mirznanii.com

Сверхпроводящие металлы и сплавы

Сверхпроводимость это состояние вещества, характеризуемое отсутствием электрического сопротивления. Сверхпроводимость наблюдается у ряда металлов и сплавов при температурах, близких к абсолютному нулю. Температура перехода в сверхпроводящее состояние называется критической температурой сверхпроводимости Тсв.

При  температуре ниже  Тсв   электрический ток,  наведенный в

сверхпроводящем контуре, будет циркулировать бесконечно долго,

не убывая, при условии поддержания низкой температуры. Удельное сопротивление материала в сверхпроводящем состоянии составляет порядка 10-25 Ом·м, что в 1017 раз меньше, чем у меди.

Физическая природа сверхпроводимости. Впервые явление сверхпроводимости было обнаружено у ртути (Тсв  = 4,2 К) голландским физиком Камерлинком-Онессом в 1911 г. Современная теория сверхпроводимости, основанная на квантовых представлениях, была предложена в 1957 г. американскими учеными Бардиным, Купером и Шриффером. Значительный вклад в развитие теории сверхпроводимости внесли работы советского академика Н.Н.Боголюбова.

В металле свободные электроны, движущиеся в среде положительно заряженных ионов, взаимодействуют с тепловыми колебаниями решетки, обмениваясь с ней квантами тепловой энергии фононами, при этом электроны могут поглощать или отдавать энергию, т.е. изменять свой импульс. Обмен фононами между электронами при участии решетки происходит непрерывно. В результате обменного фононного взаимодействия пара электронов с разными импульсами и антипараллельными спинами испытывают взаимное притяжение и образуют так называемую куперовскую пару.

Рассмотрим упрощенную схему (рис. 9). Электрон 1, движущийся между ионами, притягивает ближайшие ионы, создавая по траектории движения локальную зону повышенной плотности положительного заряда. Электрон 2, движущийся вслед за первым, притягивается этой зоной. В результате, косвенным образом, через решетку, между электронами возникают силы притяжения. Силы притяжения невелики, парные образования слабо локализованы в пространстве, они постоянно распадаются и создаются, образуя электронный конденсат.

При низких температурах (<Тсв) энергия тепловых колебаний решетки чрезвычайно мала и спаренные электроны не рассеиваются на дефектах структуры. Особенность куперовских пар их импульсная упорядоченность. Электронные волны, описывающие движение пар, имеют одинаковую длину и фазу. Фактически движение всех электронных пар можно рассматривать как распространение одной электронной волны, которая не рассеивается решеткой,

«обтекает» дефекты структуры.

Рис. 9. Схема образования электронных пар в сверхпроводнике

При температуре абсолютного нуля все электроны, расположенные вблизи уровня Ферми, связаны в пары. При повышении температуры часть электронных пар распадается. Неспаренные электроны переходят с основных уровней на возбужденные, и их движение затрудняется рассеянием на дефектах структуры. При температуре Тсв происходит полный разрыв всех куперовских пар, и состояние сверхпроводимости исчезает.

Сверхпроводники обладают специфическими магнитными свойствами. Поскольку электроны с противоположно направленными спинами связаны в пары, результирующий спиновый момент пары равен нулю, и сверхпроводник становится идеальным диамагнетиком. Как всякие диамагнетики, сверхпроводники выталкиваются из магнитного поля. Внешнее магнитное поле совершенно не проникает в толщину образца, затухая в тончайшем поверхностном слое (10-7…10-8  м). Эффект выталкивания выражен столь сильно, что с помощью магнитного поля можно удерживать постоянный магнит над кольцом из сверхпроводящего материала. Однако состояние сверхпроводимости может  быть  разрушено,  если  напряженность

магнитного поля превысит некоторое критическое значение Нсв.

В настоящее время известно более 30 металлов, обладающих сверхпроводимостью при криогенных температурах, и более 1000 сверхпроводниковых сплавов и химических соединений различных элементов. Параметры некоторых сверхпроводниковых материалов представлены в табл. 5.

Свойства сверхпроводниковых материалов

Таблица 5

Сверхпроводники	Критическая температура Тсв, К	Сверхпроводники	Критическая температура Тсв, К
Элементарные:	Сплавы:
Ir	0,14	35БТ	8,7
Al	1,2	65БТ	9,7
In	3,4	Химические соединения:
Sn	3,7
Hg	4,2	V3Ga	14,8
Ta	4,5	V3Si	17
V	5,3	Nb3Sn	18,3
Pb	7,2	Nb3Ga	20,3
Nb	9,4	Nb3Ge	24,3

По характеру перехода материала из сверхпроводящего состояния в состояние обычной электропроводимости под действием магнитного поля различают сверхпроводники I и II рода. У сверхпроводников I рода этот переход происходит скачкообразно, как только напряженность поля достигнет критического значения. Сверхпроводники II рода переходят из одного состояния в другое постепенно. Большинство чистых металлов являются сверхпроводниками I рода с критическими температурами перехода ниже 4,2 К.

К сверхпроводникам II рода из чистых металлов можно отнести ниобий и ванадий. Из всех элементов, способных переходить в сверхпроводящее состояние, самую высокую критическую температуру перехода имеет ниобий 9,4 К. К сверхпроводникам II рода относятся все интерметаллидные соединения и сплавы. Наиболее высокими критическими параметрами (значениями температуры перехода, критической напряженности магнитного поля и допустимых токов) обладают сплавы и соединения ниобия. Например, по проволоке из станнида ниобия Nb3Sn в полях с индукцией примерно 10 Тл

можно пропускать ток с плотностью выше 109 А/м2 (103 А/мм2). Практическое использование нашли сверхпроводящие сплавы с высоким содержанием         ниобия:           65БТ    (63…68%Nb   +          22…26%Ti            +

8,5…11,5%Zr) и 35БТ (60…64%Ti + 33,5…36,5%Nb + 1,7…4,3%Zr).

Например, сплав 65БТ имеет критическое значение плотности тока

2,8.106 А/м2.

В 1986 г. было обнаружено явление высокотемпературной сверхпроводимости, которой обладают некоторые виды керамики на основе редкоземельных металлов с характерным расположением атомов. Например, соединения лантана La2-xМхСuО4  (где М = Ва, Sr) переходят в сверхпроводящее состояние при температуре, близкой к температуре жидкого азота. В сплавах иттрия YВа2Сu3О7 переход в сверхпроводящее состояние происходит при температуре 173°С и выше.

Разрабатываются новые материалы, обладающие большей плотностью тока и более высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние. Перспективными в этом отношении являются так называемые висмутовые системы с химической формулой Bi2Sr2Са2Сu2Ох, температура перехода которых достигает — 158°С.

Сверхпроводящие элементы и устройства находят все более

широкое применение в самых различных областях науки и техники. Для достижения сверхпроводящего состояния в этих устройствах используется среда жидкого гелия или более дешевый хладоагент жидкий водород.

Одно из главных применений сверхпроводников связано с получением сверхсильных магнитных полей напряженностью свыше

107  А/м. Это позволяет изготовлять обмотки мощных генераторов, электрических машин и трансформаторов с малой массой, размерами и очень высоким КПД. В сверхпроводящих системах не требуется внешний источник питания. Они применяются также для кабелей мощных линий электропередач, волноводов с малым затуханием, устройств памяти и управления. Сверхпроводники используют для изготовления мощных магнитов (например, поезда на магнитной подушке), криогенных гироскопов, якорь которых «плавает» в магнитном поле (опоры без трения).

Материал взят из книги Электротехнические материалы (Л.Г. Петрова)

studik.net

Проводники, полупроводники и диэлектрики | Сверхпроводящие металлы и сплавы

Явление сверхпроводимости. У многих металлов и сплавов при температурах, близких к абсолютному нулю, наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления. Это явление получило название сверхпроводимости, а температуру Тсв, при которой происходит переход в сверхпроводящее состояние, называют критической температурой перехода. Впервые сверхпроводимость была обнаружена у ртути (Tсв = 4,2 К) голландским физиком X. Каммерлинг-Оннесом.

Если в кольце из сверхпроводника индуцировать электрический ток (например, с помощью магнитного поля), то он не будет затухать в течение длительного времени. По скорости уменьшения магнитного поля наведенного тока в кольце была произведена оценка удельного сопротивления материалов в сверхпроводящем состоянии. Его значение составило около 10–26 Ом · м, что в 1017 раз меньше сопротивления меди при комнатной температуре.

Физическая природа сверхпроводимости. Явление сверхпроводимости можно понять и обосновать только с помощью квантовых представлений. Почти полвека с момента открытия сущность этого явления оставалась неразгаданной из-за того, что методы квантовой механики еще не в полной мере использовались в физике твердого тела. Микроскопическая теория сверхпроводимости, объясняющая все опытные данные, была предложена в 1957г. американскими учеными Бардиным, Купером и Шриффером (теория БКШ). Значительный вклад в развитие теории сверхпроводимости внесли работы советского академика Н. Н. Боголюбова.

Согласно установившимся представлениям, явление сверхпроводимости возникает в том случае, когда электроны в металле притягиваются друг к другу. Притяжение электронов возможно только в среде, содержащей положительно заряженные ионы, поле которых ослабляет силы кулоновского отталкивания между электронами. Притягиваться могут лишь те электроны, которые принимают участие в электропроводности, т.е. расположенные вблизи уровня Ферми. Если такое притяжение имеет место, то электроны с противоположным направлением импульса и спина связываются в пары, называемые куперовскими.В образовании куперовских пар решающую роль играют взаимодействие электронов с тепловыми колебаниями решетки – фононами. В твердом теле электроны могут как поглощать, так и порождать фононы. Мысленно представим себе следующий процесс: один из электронов, взаимодействуя с решеткой, переводит ее в возбужденное соcтояние и изменяет свой импульс; другой электрон, также взаимодействуя с решеткой, переводит ее в нормальное состояние и тоже изменяет свой импульс. В результате состояние решетки не изменяется, а электроны обмениваются квантами тепловой энергии – фононами.

Обменное фононное взаимодействиеи вызывает силы притяжения между электронами, которые превосходят силы кулоновского отталкивания. Обмен фононами при участии решетки происходит непрерывно.

В упрощенном виде обменное фононное взаимодействие проиллюстрировано схемой на рис. 4. Электрон, движущийся среди положительно заряженных ионов, поляризует решетку, т.е. электростатическими силами притягивает к себе ближайшие ионы. Благодаря такому смещению ионов в окрестности траектории электрона локально возрастает плотность положительного заряда. Второй электрон, движущийся вслед за первым, естественно, может притягиваться областью с избыточным положительным зарядом. В результате косвенным образом, за счет взаимодействия с решеткой между электронами 1 и 2, возникают силы притяжения. Второй электрон становится партнером первого – образуется куперовская пара. Поскольку силы притяжения невелики, спаренные электроны слабо локализованы в пространстве. Эффективный диаметр куперовской пары имеет порядок 10–7 м, т.е. охватывает тысячи элементарных ячеек. Эти парные образования перекрывают друг друга, постоянно распадаются и вновь создаются, но в целом все пары образуют электронный конденсат, энергия которого за счет внутреннего взаимодействия меньше, чем у совокупности разобщенных нормальных электронов. Вследствие этого в энергетическом спектре сверхпроводника появляется энергетическая щель 2D – область запрещенных энергетических состояний (рис. 5). Спаренные электроны располагаются на дне энергетической щели. Грубая оценка показывает, что количество таких электронов составляет около 10–4 от общего их числа. Размер энергетической щели зависит от температуры, достигая максимального значения при абсолютном нуле и полностью исчезая при Т = Тсв. Теория БКШ дает следующую связь ширины щели с критической температурой перехода:

Рис. 4. Схема образования электронных пар в сверхпроводящем металле

Рис. 5. Распределение электронов по энергиям в металле в состоянии сверхпроводимости

Формула (1.1) достаточно хорошо подтверждается экспериментально. Для большинства сверхпроводников энергетическая щель составляет 10–4 – 10–3 эВ.

Как было показано, электрическое сопротивление металла обусловлено рассеянием электронов на тепловых колебаниях решетки и на примесях. Однако при наличии энергетической щели для перехода электронов из основного состояния в возбужденное требуется достаточная порция тепловой энергии, которую при низких температурах электроны не могут получить от решетки, поскольку энергия тепловых колебаний меньше ширины щели. Именно поэтому спаренные электроны не рассеиваются на дефектах структуры. Особенностью куперовских пар является их импульсная упорядоченность, состоящая в том, что все пары имеют одинаковый импульс и не могут изменять свои состояния независимо друг от друга. Электронные волны, описывающие движение пар, имеют одинаковые длину и фазу. Фактически движение всех электронных пар можно рассматривать как распространение одной электронной волны, которая не рассеивается решеткой, «обтекает» дефекты структуры. Такая согласованность в поведении пар обусловлена высокой мобильностью электронного конденсата: непрерывно меняются наборы пар, происходит постоянная смена партнеров.

При абсолютном нуле все электроны, расположенные вблизи уровня Ферми, связаны в пары. С повышением температуры за счет тепловой энергии происходит разрыв некоторой части электронных пар, вследствие чего уменьшается ширина щели. Движение неспаренных электронов, переходящих с основных уровней на возбужденные, затрудняется рассеянием на дефектах решетки. При температуре Т= Тсвпроисходит полный разрыв всех пар, ширина щели обращается в нуль, сверхпроводимость исчезает.

Переход вещества в сверхпроводящее состояние при его охлаждении происходит в очень узком интервале температур (сотые доли градуса). Неоднородности структуры, создаваемые примесями, искажениями решетки, границами зерен, пластической деформацией и т.п., не приводят к уничтожению сверхпроводимости, а вызывают лишь расширение температурного интервала перехода из одного состояния в другое. Электроны, ответственные за создание сверхпроводимости, не обмениваются энергией с решеткой. Поэтому при температуре ниже критической наблюдается существенное уменьшение теплопроводности металлов.

Магнитные свойства сверхпроводников. Важнейшая особенность сверхпроводников состоит в том, что внешнее магнитное поле совершенно не проникает в толщу образца, затухая в тончайшем слое. Силовые линии магнитного поля огибают сверхпроводник. Это явление, получившее название эффекта Мейснера, обусловлено тем, что в поверхностном слое сверхпроводника при его внесении в магнитное поле возникает круговой незатухающий ток, который полностью компенсирует внешнее поле в толще образца. Глубина, на которую проникает магнитное поле, обычно составляет 10–7 – 10–8 м. Таким образом, сверхпроводники по магнитным свойствам являются идеальными диамагнетиками с магнитной проницаемостью μ = 0. Как всякие диамагнетики, сверхпроводники выталкиваются из магнитного поля. При этом эффект выталкивания выражен настолько сильно, что открываются возможности удерживать груз в пространстве с помощью магнитного поля. Аналогичным образом можно заставить висеть постоянный магнит над кольцом из сверхпроводящего материала, в котором циркулируют индуцированные магнитом незатухающие токи (опыт В. К. Аркадьева).

Состояние сверхпроводимости может быть разрушено, если напряженность магнитного поля превысит некоторое критическое значение Hсв. По характеру перехода материала из сверхпроводящего состояния в состояние обычной электропроводности под действием магнитного поля различают сверхпроводники I и II рода. У сверхпроводников I рода этот переход происходит скачкообразно, как только напряженность поля достигнет критического значения. Сверхпроводники II рода переходят из одного состояния в другое постепенно; для них различают нижнюю Hсв1 и верхнюю Hсв2 критические напряженности поля. В интервале между ними материал находится в промежуточном гетерогенном состоянии, в котором сосуществуют нормальная и сверхпроводящая фазы. Соотношение между их объемами зависит от Н. Таким образом, магнитное поле постепенно проникает в сверхпроводник II рода. Однако материал сохраняет нулевое сопротивление вплоть до верхней критической напряженности поля.

Сверхпроводимость может быть разрушена не только внешним магнитным полем, но и током, проходящим по сверхпроводнику, если он превышает некоторое критическое значение Iсв.

Сверхпроводящие материалы. Явление сверхпроводимости при криогенных температурах достаточно широко распространено в природе. Сверхпроводимостью обладают 26 металлов. Большинство из них являются сверхпроводниками I рода с критическими температурами перехода ниже 4,2 К. В этом заключается одна из причин того, что большинство сверхпроводящих металлов для электротехнических целей применить не удается. Еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях. Среди них такие полупроводники, как кремний, германий, селен, теллур, сурьма и др. Следует заметить, что сверхпроводимостью не обладают металлы, являющиеся наилучшими проводниками в нормальных условиях. К ним относятся золото, медь, серебро. Малое сопротивление этих материалов указывает на слабое взаимодействие электронов с решеткой. Такое слабое взаимодействие не создает вблизи абсолютного нуля достаточного межэлектронного притяжения, способного преодолеть кулоновское отталкивание. Поэтому и не происходит их переход в сверхпроводящее состояние. Кроме чистых металлов сверхпроводимостью обладают многие интерметаллические соединения и сплавы. Общее количество наименований известных в настоящее время сверхпроводников составляет около 2000. Среди них самыми высокими критическими параметрами обладают сплавы и соединения ниобия. Некоторые из них позволяют использовать для достижения сверхпроводящего состояния вместо жидкого гелия более дешевый хладагент – жидкий водород.

Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода. Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Любой сверхпроводник I-го рода можно превратить в сверхпроводник II-го рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например, у чистого олова Тсв = 3,7 К, но если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастет до 9 К, а критическая напряженность магнитного поля увеличится в 70 раз.

Сверхпроводимость никогда не наблюдается в системах, в которых существует ферро- или антиферромагнетизм. Образованию сверхпроводящего состояния в полупроводниках и диэлектриках препятствует малая концентрация свободных электронов. Однако в материалах с большой диэлектрической проницаемостью силы кулоновского отталкивания между электронами в значительной мере ослаблены. Поэтому некоторые из них также проявляют свойства сверхпроводников при низких температурах. Примером может служить титанат стронция (SrTiO3), относящийся к группе сегнетоэлектриков. Ряд полупроводников удается перевести в сверхпроводящее состояние добавкой большой концентрации легирующих примесей (GeTe, SnTe, CuS и др.).

В настоящее время промышленность выпускает широкий ассортимент сверхпроводящих проволок и лент для самых различных целей. Изготовление таких проводников связано с большими технологическими трудностями. Они обусловлены плохими механическими свойствами многих сверхпроводников, их низкой теплопроводностью и сложной структурой проводов. Особенно большой хрупкостью отличаются интерметаллические соединения с высокими критическими параметрами. Поэтому вместо простых проволок и лент приходится создавать композиции из двух (обычно сверхпроводник с медью) и даже нескольких металлов. Для получения многожильных проводов из хрупких интерметаллидов особенно перспективен бронзовый метод (или метод твердофазной диффузии), освоенный промышленностью. По этому методу прессованием и волочением создается композиция из тонких нитей ниобия в матрице из оловянной бронзы. При нагреве олово из бронзы диффундирует в ниобий, образуя на его поверхности тонкую сверхпроводящую пленку станнида ниобия Nb3Sn. Такой жгут может изгибаться, но пленки остаются целыми.

Применение сверхпроводников. Сверхпроводящие элементы и устройства находят все более широкое применение в самых различных областях науки и техники. Разработаны крупномасштабные долгосрочные программы промышленного использования сильноточной сверхпроводимости.

Одно из главных применений сверхпроводников связано с получением сверхсильных магнитных полей. Сверхпроводящие соленоиды позволяют получать однородные магнитные поля напряженностью свыше 107 А/м в достаточно большой области пространства, в то время как пределом обычных электромагнитов с железными сердечниками являются напряженности порядка 106 А/м. К тому же в сверхпроводящих магнитных системах циркулирует незатухающий ток, поэтому не нужен внешний источник питания. Сильные магнитные поля необходимы при проведении научных исследований. Сверхпроводящие соленоиды позволяют в значительной мере уменьшить габариты и потребление энергии в синхрофазотронах и других ускорителях элементарных частиц. Перспективно использование сверхпроводящих магнитных систем для удержания плазмы в реакторах управляемого термоядерного синтеза, в магнитогидро–динамических (МГД) преобразователях тепловой энергии в электрическую, в качестве индуктивных накопителей энергии для покрытия пиковых мощностей в масштабах крупных энергосистем. Широкое развитие получают разработки электрических машин со сверхпроводящими обмотками возбуждения. Применение сверхпроводников позволяет исключить из машин сердечники из электротехнической стали, благодаря чему уменьшаются в 5–7 раз их масса и габаритные размеры при сохранении мощности. Экономически обосновано создание сверхпроводящих трансформаторов, рассчитанных на высокий уровень мощности (десятки-сотни мегаватт). Большое внимание в разных странах уделяется разработке сверхпроводящих линий электропередач на постоянном и переменном токах. Разработаны опытные образцы импульсных сверхпроводящих катушек для питания плазменных пушек и систем накачки твердотельных лазеров. В радиотехнике начинают использовать сверхпроводящие объемные резонаторы, обладающие, благодаря ничтожно малому электрическому сопротивлению, очень высокой добротностью. Принцип механического выталкивания сверхпроводников из магнитного поля положен в основу создания сверхскоростного железнодорожного транспорта на «магнитной подушке».

Широкие перспективы применения сверхпроводников открывает измерительная техника. Дополняя возможности имеющихся измерительных средств, сверхпроводящие элементы позволяют регистрировать очень тонкие физические эффекты, измерять с высокой точностью и обрабатывать большое количество информации.

Уже сейчас на основе сверхпроводимости созданы высокочувствительные болометры для регистрации ИК-излучения, магнитометры для измерения слабых магнитных потоков, индикаторы сверхмалых напряжений и токов. Количество этих приборов непрерывно растет.

3ys.ru

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ, состояние, в которое при низкой температуре переходят некоторые твердые электропроводящие вещества. Сверхпроводимость была обнаружена во многих металлах и сплавах и в некоторых полупроводниковых и керамических материалах, число которых все возрастает. Два из наиболее удивительных явлений, которые наблюдаются в сверхпроводящем состоянии вещества, – исчезновение электрического сопротивления в сверхпроводнике и выталкивание магнитного потока (см. ниже) из его объема. Первый эффект интерпретировался ранними исследователями как свидетельство бесконечно большой электрической проводимости, откуда и произошло название сверхпроводимость.

Исчезновение электрического сопротивления может быть продемонстрировано возбуждением электрического тока в кольце из сверхпроводящего материала. Если кольцо охладить до нужной температуры, то ток в кольце будет существовать неограниченно долго даже после удаления вызвавшего его источника тока. Магнитный поток – это совокупность магнитных силовых линий, образующих магнитное поле. Пока напряженность поля ниже некоторого критического значения, поток выталкивается из сверхпроводника, что схематически показано на рис. 1.

Твердое тело, проводящее электрический ток, представляет собой кристаллическую решетку, в которой могут двигаться электроны. Решетку образуют атомы, расположенные в геометрически правильном порядке, а движущиеся электроны – это электроны с внешних оболочек атомов. Поскольку поток электронов и есть электрический ток, эти электроны называются электронами проводимости. 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. 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. Абсолютный нуль (0 К, –273,16° С) – это нижняя граница температуры, при которой вещество теряет все свое тепло. Другие металлы и сплавы имеют температуры перехода в диапазоне от 0,000325 до 23,2 К (см. таблицу). В 1986 были созданы сверхпроводники из керамических материалов с необычайно высокой температурой перехода. Так, для образцов керамики YBa2Cu3O7 температура перехода превышает 90 К (см. также ТЕПЛОТА).

Сверхпроводящее состояние физики называют макроскопическим квантово-механическим состоянием. Квантовая механика, которой обычно пользуются для описания поведения вещества в микроскопическом масштабе, здесь применяется в макроскопическом масштабе. Именно то обстоятельство, что квантовая механика здесь позволяет объяснить макроскопические свойства вещества, и делает сверхпроводимость столь интересным явлением.

Открытие.

Очень много сведений о металле дает соотношение между внешним напряжением и вызванным им током. Вообще говоря, это соотношение имеет вид равенства V/I = R, где V – напряжение, I – ток, а R – электрическое сопротивление. Согласно этому закону (закону Ома), электрический ток пропорционален напряжению при любом значении величины R, которая является коэффициентом пропорциональности. См. также ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ.

Сопротивление обычно не зависит от тока, но зависит от температуры. Получив в 1908 жидкий гелий, Г.Камерлинг-Оннес из Лейденского университета (Нидерланды) стал измерять сопротивление чистой ртути, погруженной в жидкий гелий, и обнаружил (1911), что при температурах жидкого гелия сопротивление ртути падает до нуля. Позднее было установлено, что многие другие металлы и сплавы тоже становятся сверхпроводящими при низких температурах.

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.

СВОЙСТВА СВЕРХПРОВОДНИКОВ

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.

ТЕОРИИ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ

До 1957 большинство попыток объяснить экспериментальные данные носило феноменологический характер: они базировались на искусственных предположениях или нестрогих модификациях существующих теорий и имели целью достижение согласия с экспериментом. Примером попыток первого типа может служить двухжидкостная модель, в которой постулируется, что при температуре перехода некоторая часть электронов проводимости приобретает способность двигаться, не испытывая сопротивления. Эта модель объясняет температурную зависимость критического поля, критический ток и глубину проникновения, но ничего не дает для физического понимания самого явления, т.к. не объясняет такой частичной сверхпроводимости.

Прогресс был достигнут в 1935, когда 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 10–4 см, т.е. в 10 000 раз превышающие атомный радиус.

Хотя эти попытки и были важны, они не затрагивали сути основного взаимодействия, которым обусловлена сверхпроводимость. Некоторые указания на природу этого взаимодействия появились в начале 1950-х годов, когда было открыто, что температура сверхпроводящего перехода металлов, построенных из разных изотопов одного и того же элемента, неодинакова. Оказалось, что чем больше атомная масса, тем ниже температура перехода. (Изотопы одного и того же элемента имеют одно и то же число электронов, но разные массы ядер.) Изотопический эффект указывал на то, что температура перехода зависит от массы атомов кристаллической решетки и, следовательно, сверхпроводимость не является чисто электронным эффектом.

Электроны в металлах.

Открытие изотопического эффекта означало, что сверхпроводимость, вероятно, вызывается взаимодействием между электронами проводимости и атомами кристаллической решетки. Чтобы выяснить, как это приводит к сверхпроводимости, нужно рассмотреть структуру металла. Как и все кристаллические твердые тела, металлы состоят из положительно заряженных атомов, расположенных в пространстве в строгом порядке. Порядок, в котором размещены атомы, можно сравнить с повторяющимся рисунком на обоях, но только рисунок должен повторяться в трех измерениях. Электроны проводимости движутся среди атомов кристалла со скоростями от 0,01 до 0,001 скорости света; их движение и есть электрический ток.

Теория Бардина – Купера – Шриффера (БКШ).

В 1956 Л.Купер из университета шт. Иллинойс показал, что если электроны притягиваются друг к другу, то, сколь бы слабым ни было это притяжение, они должны «конденсироваться» в связанное состояние. Можно предположить, что это связанное состояние и есть искомое сверхпроводящее состояние. Как представлял себе Купер, такое притяжение возможно между двумя электронами и должно приводить к образованию связанных пар (получивших название куперовских), перемещающихся в кристаллической решетке.

Но еще в 1950 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 (рис. 3).

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 (на расстояние порядка 5Ч10–7–10–4 см). На таких расстояниях 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 см3 вещества находится примерно 1020 куперовских пар. Легко представить себе, что искажение решетки, создаваемое одной куперовской парой, могло бы нарушить притяжение в других парах. В 1957 Дж.Бардин, Л.Купер и Дж.Шриффер предложили так называемую теорию БКШ (Бардина – Купера – Шриффера), за которую они были удостоены в 1972 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.

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.

Изотопический эффект объясняется тем, что в более легких изотопах решетка «возмущается» с меньшими затратами энергии. Решетку из более тяжелых изотопов труднее деформировать, и поэтому переход к сверхпроводимости происходит при более низких температурах. 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 1-го и 2-го рода.

По своему поведению в магнитных полях сверхпроводники разделяются на сверхпроводники 1-го и 2-го рода. Сверхпроводники 1-го рода обнаруживают те идеальные свойства, о которых уже говорилось. В присутствии магнитного поля в поверхностном слое сверхпроводника возникают токи, которые полностью компенсируют внешнее поле в толще образца. Если сверхпроводник имеет форму длинного цилиндра и находится в поле, параллельном его оси, то глубина проникновения может быть порядка 3Ч10–6 см. При достижении критического поля сверхпроводимость исчезает и поле полностью проникает внутрь материала. Критические поля для сверхпроводников 1-го рода лежат обычно в пределах от 100 до 800 Гс. Хотя у сверхпроводников 1-го рода малая глубина проникновения, они имеют большую длину когерентности – порядка 10–4 см.

Сверхпроводники 2-го рода характеризуются большой глубиной проникновения (около 2Ч10–5 см) и малой длиной когерентности (5Ч10–7 см). В присутствии слабого магнитного поля (меньше 500 Гс) весь магнитный поток выталкивается из сверхпроводника 2-го рода. Но выше Нс1 – первого критического поля – магнитный поток проникает в образец, хотя и в меньшей степени, чем в нормальном состоянии. Это частичное проникновение сохраняется до второго критического поля – Нс2, которое может превышать 100 кГс. При полях, больших Нс2, поток проникает полностью, и вещество становится нормальным. Характеристики различных сверхпроводников представлены в таблице.

Таблица: Критические температуры и поля

КРИТИЧЕСКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ПОЛЯ
Материалы	Критическая температура, К	Критические поля (при 0 К), Гс
Сверхпроводники 1-го рода
Родий	0,000325	0,049
Титан	0,39	60
Кадмий	0,52	28
Цинк	0,85	55
Галлий	1,08	59
Таллий	2,37	180
Индий	3,41	280
Олово	3,72	305
Ртуть	4,15	411
Свинец	7,19	803
Сверхпроводники2-го рода		Hc1	Hc2
Ниобий	9,25	1735	4040
Nb3Sn	18,1	–	220 000
Nb3Ge	23,2	–	400 000
Pb1Mo5,1S6	14,4	–	600 000
Yba2Cu3O7	90–100	1000*	1 000 000*
* Экстраполировано к абсолютному нулю.

Эффект Джозефсона.

В 1962 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.

ПРИМЕНЕНИЯ

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.

Лабораторные применения.

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 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 10–15 Вт. Магнитометры, способные обнаруживать магнитные поля порядка 10–9 Гс, 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.

www.krugosvet.ru

Явление сверхпроводимости

Явление сверхпроводимости заключается в том, что при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, некоторые материалы полностью теряют электросопротивление.

Явление сверхпроводимости в материалах

Явление сверхпроводимости впервые открыл в 1911 году голландский ученый Г. Камерлинг-Онкес. С тех пор ведутся интенсивные поиски новых сверхпроводящих материалов, которые бы позволили использовать это явление в конкретных устройствах с  максимальной  энергетической  и  экономической  выгодой.

Голландский ученый Г. Камерлинг-Онкес — открыл явление сверхпроводимости

Сверхпроводимость открывает фантастические перспективы перед электротехникой, энергетикой, транспортом. Ведь если сопротивление проводника равно нулю, то по нему можно пропускать сколь угодно большой ток, и при этом совершенно не будет потерь на нагревание. Это мечта электротехников! Из-за нагрева обычных проводов безвозвратно теряется до 20 % всей вырабатываемой электроэнергии, а в линиях электропередач из сверхпроводников потери будут мизерными.

Американский профессор Ричард Мак-Фи подсчитал, что сверхпроводящий кабель толщиной в руку может справиться со всей пиковой мощностью, вырабатываемой электростанциями США. Открывается возможность получения сверхмощных магнитных полей, которые так необходимы при создании термоядерных реакторов, уникальных конструкций генераторов тока, новых физических приборов, поездов на магнитной подушке и многих других полезных вещей.

Явление сверхпроводимости в композитах

Создавая композиты, можно формировать необходимые физические свойства и тем самым решать разнообразные физические задачи.

Одна из них — создание сверхпроводящих устройств. Это очень большая проблема, в работе над ней участвуют люди разных профессий. Задача для физиков и химиков — получение веществ, обладающих сверхпроводимостью. А использование уже известных сверхпроводящих материалов для создания определенного изделия — сверхпроводящего провода — типичная задача для материаловедов.

Сверхпроводящий провод — композит

Многолетние теоретические и экспериментальные исследования привели физиков к такому заключению относительно конструкции сверхпроводящих проводов: обеспечить надежную работу сверхпроводящего провода можно в том случае, если он будет представлять собой композит, состоящий из теплопроводной (например, медной) матрицы, в которой равномерно распределены непрерывные сверхпроводящие, волокна, ориентированные   вдоль   оси   провода.

Сверхпроводящий медный провод

Желательно,   чтобы диаметр этих волокон не превышал нескольких микрометров, а их количество измерялось тысячами или десятками тысяч. При этом объемная концентрация волокон в матрице должна составлять 5—7 % , а диаметр всего провода — быть порядка 1 мм.

Сверхпроводящие волокна

Задача материаловедов — научиться получать такой провод, задача непростая. Дело в том, что традиционные методы создания композитов для ее решения не годятся:

1. Нет сверхпроводящих волокон микрометрового диаметра, имеющих к тому же длину сотни метров или километров.
2. Если бы даже таковые существовали, вряд ли удалось бы гарантировать, что они где-то не порвутся в процессе переработки, а это значит, что не было бы уверенности в качестве композита и в его надежности.

Здесь нужно искать какие-то новые, нетрадиционные пути.

Необходимо установить, каким материалам присуще явление сверхпроводимости и на сколько  целесообразно использовать их в качестве сверхпроводящих волокон. Наиболее подходящими для этого являются сплав ниобий-титан или интерметаллические соединения, такие как Nb3Sn; Nb3Ge, Nb3Ga, и др. Первый сплав имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние Тк=8—10 К, тогда как у интерметаллидов эта температура составляет 17—20 К.

А чем выше температура перехода, тем экономически и технически проще выполнить сверхпроводящую установку в целом. Но у сплавов есть очень существенное преимущество — они пластичны, их можно обрабатывать давлением, не опасаясь, что они разрушатся. А интерметаллиды — хрупкие, они обработке давлением не поддаются.

Чему отдать предпочтение?

Материаловеды решают, как получить композит из меди, армированной тончайшими проволочками из сплава ниобий-титан, а так же разрабатывают использования более перспективных волокон. При этом они осмысливают результаты, анализируют информацию, которая, возможно, подскажет какие-то новые пути.

В процессе обдумывания появилась мысль, что нужно использовать хорошие пластические свойства ниобийтитанового сплава и меди и попробовать их совместно деформировать. Можно взять медный слиток, просверлить в нем несколько отверстий, вставить в них прутки из ниобиевого сплава и такую композитную заготовку подвергнуть волочению до нужного диаметра.

Но количество волокон в таком композите будет равно количеству просверленных отверстий. Сколько их можно просверлить? Десяток, сто. А нужны десятки тысяч волокон.

Если предположить, что взяли лист бумаги и согнули вдвое, потом еще вдвое, потом еще — и так пятьдесят раз — какую толщину будет иметь полученная стопка бумаги?  Пусть этот лист имеет толщину 0,1 мм. Согнув его вдвое, получим 0,1 • 2=0,2 мм, еще вдвое 0,1 • 22=0,4 мм, еще вдвое — 0,1 • 23=0,8 мм.

Каждый перегиб увеличивает толщину в два раза, следовательно, согнув лист пятьдесят раз, мы получим толщину стопки 0,1 • 250 мм. Но 250 ≈ 1015, следовательно, искомая толщина составит 1014 мм = 108 км=100 000 000 км. Сто миллионов километров! Совершенно неожиданный результат. Это же больше, чем половина расстояния от Земли до Солнца.

Вдруг стало ясно, как решить задачу. Ведь волокна можно заставить размножаться! Все очень просто, нужно использовать свойства геометрической прогрессии. Можно взять заготовку из меди (предположим, диаметром 100 мм), просверлить в ней отверстие диаметром 25 мм, вставить туда пруток из ниобийтитанового сплава и такую заготовку подвергнуть волочению до диаметра, скажем, 10 мм.

Потом длинный биметаллический пруток нужно разрезать на несколько коротких (пусть на 7) прутков одинаковой длины, уложить их вместе в медный стакан и снова подвергнуть совместному волочению или экструзии. Получится длинный медный пруток, в нем уже будет запрессовано 17 ниобийтитановых стерженьков, диаметр которых намного меньше исходного. Его снова можно разрезать на 7 частей, снова уложить в медный стакан и снова продавить через фильеру.

После  этого  получим  медный  прут будет уже 72=49 ниобийтитановых проволочек, диаметр которых еще уменьшится. Если повторить те же операции 5 раз, получим в медной матрице 75=16 807, если 6 раз — 76= 117 649 волокон из сверхпроводящего сплава.

Не обязательно, конечно, разрезать прутки на 7 частей, можно на любое другое число, например,  10,  15,  19 и т. д.

Принципиальное решение найдено. Конечно, будет еще немало препятствий при его реализации, еще многое не будет получаться, но когда есть уверенность, что ты на правильном пути, все препятствия преодолимы.

В качестве сверхпроводящего материала использовался пластичный сплав.

Для многих сверхпроводящих устройств свойства полученного композитного провода недостаточны. Необходимо решить, как ввести в композит хрупкие интерметаллические волокна, например  из Nb3Sn.

О прежней технологии нечего и говорить — пластической деформации Nb3Sn не поддается. Волочить его бесполезно даже совместно с медной матрицей — все равно разрушится.

Хотя то же самое межфазное взаимодействие, с которым столько неприятностей при создании жаропрочных композитов, в данном случае можно заставить выполнять полезную работу. Сделать недруга союзником и помощником.

Можно же поступить так: подвергать волочению совместно с матрицей не соединение Nb3Sn, а чистый ниобий, а потом, получив нужную структуру материала, превратить каким-нибудь образом ниобий в Nb3Sn. Это, наверное, не так и сложно сделать. Нужно решить, как доставить к ниобиевым волокнам олово, а дальше при нагреве ниобий будет взаимодействовать с ним, образуя нужное нам соединение.

Обращаемся к прежней технологии, только вместо сплава ниобий-титан используем чистый ниобий, а вместо чистой меди — ее сплав с оловом (бронзу). И ниобий, и бронзу можно подвергать пластической деформации. После того как композит бронза — ниобий будет доведен до нужной структуры, то есть ниобиевые волокна будут иметь диаметр несколько микронов, нагреем полученный провод. При нагревании резко ускоряется диффузия, атомы олова из бронзы начнут проникать в ниобий и образовывать с ним соединение.

Бронза как материал для создания сверхпроводимого волокна

Недостаток бронзовой матрицы — пониженная тепло- и электропроводность по сравнению с медью. Уменьшить этот недостаток можно за счет использования смешанной матрицы, включающей наряду с бронзой чистую медь. Но при нагреве медь может реагировать с оловом, что опять ухудшит ее электро- и теплофизические показатели. Чтобы этого не произошло, нужно между медью и бронзой поставить барьеры, которые заодно будут снижать вихревые токи. Удобен для этой цели тантал.

Как выглядит провод, содержащий волокна Nb3Sn. Схематически его структура состоит из 19 многоугольников, форма которых близка к шестиугольной,— это проволоки из композита бронза — Nb3Sn. Все они расположены в медной матрице. Сечение одной такой проволоки состоит из 187 групп, содержащих волокна из Nb3Sn, причем в каждой группе по 19 таких волокон, а между ними — бронзовая матрица. Всего в композитном проводе содержится 67 507 волокон диаметром ~ 5 мкм (вернее, каждое волокно состоит из ниобиевого сердечника, покрытого слоем Nb3Sn толщиной ~ 1 мкм).

В завершение процесса изготовления всему композиту придается прямоугольное сочетание, чтобы его можно было плотно намотать на сердечник. Такой прямоугольный композитный проводник, имеющий поперечное сечение 1,75×5,46 мм, способен пропускать ток 5000 А в поле 6 Т и 1250 А в поле 12 Т.

Но требования техники с каждым годом повышаются, и для их удовлетворения необходимы материалы с еще более высокими свойствами. А значит, нужно идти дальше, выдвигать новые идеи, разрабатывать новые технологии, создавать новые материалы.

Такие вопросы, как явление сверхпроводимости,  и как с помощью композитов удается решать задачи, которые обычным материалам не под силу, решает не один человек и не одна организация. И решает в течение не одного года. Работа очень большая и трудоемкая. Для ее выполнения объединяют усилия специалисты разных профессий — физики, химики, математики, конструкторы, материаловеды.

 

libtime.ru

M. Сверхпроводимость — PhysBook

Сверхпроводимость

Поведение вещества вблизи абсолютного нуля зачастую не имеет ничего общего с его поведением при обычных температурах. При низких температурах обнаруживаются многочисленные эффекты, которые при обычных условиях, как правило, оказываются замаскированными тепловым движением частиц. При температурах, близких к абсолютному нулю, наблюдается сверхпроводимость — способность вещества пропускать ток, не оказывая ему ни малейшего сопротивления.

Опыты Камерлинг-Оннеса

Открытие этого замечательного явления принадлежит выдающемуся голландскому ученому Гейке Камерлинг-Оннесу. Камерлинг-Оннес первым получил жидкий гелий (1908). Именно возможность работать при «гелиевых» температурах и позволила Камерлинг-Оннесу обнаружить сверхпроводимость.

В начале прошлого века существовали теории, которые давали совершенно противоположные предсказания относительно влияния низких температур на электропроводность.

С одной стороны, при понижении температуры колебания атомов в металлах становятся более слабыми и электроны сталкиваются с атомами реже. В результате проводимость возрастает и при Т = 0 сопротивление должно стремиться к нулю.

С другой стороны, электроны проводимости при низких температурах теснее связываются с атомами, что приводит к бесконечно большому сопротивлению при Т = 0.

Этот спор мог разрешить только опыт, который блестяще выполнил Камерлинг-Оннес. Сначала он измерял сопротивление платины при низких температурах. Полученные им результаты не укладывались в рамки существовавших теорий — при понижении температуры сопротивление платины приближалось к постоянному значению. Однако Камерлинг-Оннес обратил внимание на то, что сопротивление различных образцов при прочих равных условиях было тем меньше, чем чище оказывался металл. Отсюда он заключил, что существование сопротивления при Т → 0 К связано с наличием примесей в металле, и чистый металл при нулевой температуре должен обладать бесконечной проводимостью. Задача, таким образом, заключалась в исследовании возможно более чистого образца. Далее были проведены опыты с золотом, которое легче очистить от примесей, чем платину. При Т → 0 К удельное сопротивление золота оказалось меньше, чем у платины. Потом Камерлинг-Оннес обратился к исследованию ртути. Поскольку при обычной температуре ртуть находится в жидкой фазе, ее путем последовательной перегонки (дистилляции) удается очень хорошо освободить от примесей.

Результаты экспериментов с ртутью оказались неожиданными. С понижением температуры удельное сопротивление ртути сначала плавно убывало, а при температуре 4,1 К (что несколько ниже температуры кипения жидкого гелия) резко падало и становилось неизмеримо малым. Примерная зависимость удельного сопротивления от температуры для ртути представлена на рисунке 2.17.

28 апреля 1911 г. Камерлинг-Оннес сообщил о результатах своих экспериментов Нидерландской Королевской академии. Открытое явление он назвал сверхпроводимостью.

После открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннес поставил перед собой задачу: выяснить, насколько малым становится сопротивление сверхпроводника. Для этой цели ему необходимо было научиться измерять очень малые удельные сопротивления. С этой задачей он блестяще справился. По результатам проведенных экспериментов Камерлинг-Оннес пришел к выводу, что сопротивление сверхпроводника равно нулю.

Самое длительное зафиксированное до сих пор существование незатухающего тока в сверхпроводнике — около двух лет. (Этот ток циркулировал бы гораздо дольше, если бы не перерыв в снабжении жидким гелием, вызванный забастовкой транспортных рабочих.) Даже спустя два года никакого уменьшения силы циркулирующего тока не было замечено, что позволяет с полным основанием считать сопротивление сверхпроводника равным нулю.

Но этот вывод относится только к постоянному току. Для переменных токов сопротивление сверхпроводников отлично от нуля.

Практическое применение сверхпроводимости обещало быть очень перспективным. Ведь сверхпроводящий электромагнит совсем не потребляет электроэнергию, и с его помощью можно было бы легко получить сильные магнитные поля. Получение сильного магнитного поля требует больших токов, что приводит к выделению огромного количества теплоты в обмотках электромагнита. Это обстоятельство и ограничивает возможность получения сильных магнитных полей. Применение сверхпроводников в трансформаторах, генераторах, электродвигателях, ускорителях и т. д. сулило огромные преимущества, с лихвой окупающие необходимость работать при «гелиевых» температурах.

Камерлинг-Оннес первым приступил к созданию сверхпроводящего магнита. Однако здесь его поджидало разочарование. В 1913 г. он обнаружил, что в магнитном поле, индукция которого превышает некоторое пороговое значение, сверхпроводимость исчезает. Пропускание сильного электрического тока также разрушало сверхпроводимость.

Лишь много времени спустя были открыты сверхпроводящие материалы, способные выдерживать сильные магнитные поля и пропускать большие токи без разрушения сверхпроводимости. Понадобилось более сорока лет для создания первых сверхпроводящих магнитов, имеющих практическое значение.

В таблице 5 приведены температуры перехода в сверхпроводящее состояние некоторых веществ.

Таблица 5.

Температура перехода в сверхпроводящее состояние Вещество T, К

Вещество	T, К
Титан	0,4
Уран	0,8
Цинк	0,9
Алюминий	1,2
Олово	3,8
Ртуть	4,1
Свинец	7,2
Нитрат ниобия	15,2

Объяснение сверхпроводимости было дано в 1967 г. учеными Дж. Бардиным, Л. Купером и Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым (Россия) на основе квантовой теории.

Применение сверхпроводящих магнитов

Сверхпроводящие магниты весьма широко и разнообразно используются. Они играют важную роль в физике высоких энергий, помогают исследовать твердые тела, применяются в электротехнике и даже на транспорте.

Сверхпроводящие магниты находят применение в поездах на магнитной подушке. В Японии, например, действует экспериментальная семикилометровая линия, на которой поезд на магнитной подушке мчится со скоростью около 500 км/ч.

В электротехнике использование сверхпроводящих магнитов становится целесообразным при создании электрических двигателей и генераторов гигантской мощности — в сотни и более мегаватт.

Мощные сверхпроводящие магниты используют в ускорителях заряженных частиц, установках управляемого термоядерного синтеза. В нашей стране действует первая в мире сверхпроводящая система для установки термоядерного синтеза «Токамак-7», и разработана установка «Токамак-15», в которой будет накапливаться магнитная энергия в 600 МДж. Создание подобных устройств следующих поколений, рассчитанных на более высокие энергии, без использования сверхпроводимости просто невозможно.

При исследовании твердых тел, молекул, атомов и ядер необходимо создавать сильные магнитные поля в малых объемах. Сверхпроводящие магниты здесь незаменимы и сейчас широко используются в физических лабораториях.

Для энергетики будущего очень важно разработать новые эффективные способы хранения и передачи электроэнергии. Сверхпроводники и здесь окажутся очень перспективными. Ученые Висконсинского университета (США) разработали проект системы хранения электроэнергии. Гигантская сверхпроводящая катушка диаметром более 100 м будет установлена в специальном тоннеле, пробитом в горах. В нем с помощью жидкого гелия будет поддерживаться температура, близкая к абсолютному нулю. Незатухающий сверхпроводящий ток в такой катушке запасет гигантскую энергию: 4⋅1011 Дж. А передача электроэнергии без потерь по сверхпроводящим кабелям? Пока что можно только мечтать о линиях электропередач, которые переносили бы электрическую энергию без потерь на огромные расстояния.

Высокотемпературная сверхпроводимость

В 1986 г. была открыта высокотемпературная сверхпроводимость. Получены сложные оксидные соединения лантана, бария и других элементов (керамики) с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около 100 К. Это выше температуры кипения жидкого азота при атмосферном давлении.

Созданные образцы из материалов, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью, имеют небольшие размеры. Они очень хрупки, и из них не удается получить длинно-размерных образцов, кабелей: при прокатке или волочении они рассыпаются в порошок. Задача состоит не только в поиске сверхпроводящих материалов, но и в том, чтобы сделать их технологичными.

Высокотемпературная сверхпроводимость в недалеком будущем приведет наверняка к новой технической революции во всей электротехнике, радиотехнике, конструировании ЭВМ. Сейчас прогресс в этой области тормозит необходимость охлаждения проводников до температур кипения дорогого газа — гелия.

Надо надеяться, что удастся создать сверхпроводники при комнатной температуре. Генераторы и электродвигатели станут исключительно компактными (уменьшатся в несколько раз) и экономичными. Электроэнергию можно будет передавать на любые расстояния без потерь и аккумулировать в простых устройствах.

Многие металлы и сплавы при температурах ниже 25 К полностью теряют сопротивление — становятся сверхпроводниками.

Недавно была открыта высокотемпературная сверхпроводимость.

Литература

1. Мякишев Г.Я. Физика: Электродинамика. 10-11 кл.: учеб. для углубленного изучения физики /Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков, Б.А. Слободсков. – М.: Дрофа, 2005. – С. 178-183.

www.physbook.ru

определение, история открытия, свойства и перспективы

 

Сопротивление проводника зависит от температуры. При нагревании металлов, сопротивление увеличивается, при охлаждении сопротивление уменьшается. При стремлении температуры проводника к нулю, может появиться явление, которое называется сверхпроводимость.

История открытия

Открытие сверхпроводимости принадлежит голландскому физику Х.Камерлингу-Оннесу. Он охлаждал ртуть в жидком гелии. Сначала сопротивление плавно уменьшалось, а потом, по достижении какой-то определенной температуры, сопротивление резко упало до нуля. Это явление было названо сверхпроводимостью.

Однако, объяснить суть явления сверхпроводимости смогли лишь в 1957 г. Оно дается на основе квантовой теории. С огромным упрощением, сверхпроводимость можно объяснить следующим образом: электроны объединяются в шеренги и двигаются, не сталкиваясь с кристаллической решеткой. Это движение совсем не похоже на обычное хаотичное тепловое движение.

 В 1986 г. помимо низкотемпературной сверхпроводимости, была открыта высокотемпературная сверхпроводимость. Создали сложные соединения, которые переходят в состояние сверхпроводимости при температуре 100 К.

Свойства сверхпроводников

• Критической температурой называют температуру, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние. Явление сверхпроводимости возникает в металлах и их сплавах при очень низких температурах (примерно 25 К и ниже). Существуют справочные таблицы, в которых указываются критические температуры некоторых веществ.
• Так как сопротивление в сверхпроводимости отсутствует, следовательно, не происходит выделения тепла при прохождении через проводник электрического тока. Это свойство сверхпроводников широко используется.
• Для каждого сверхпроводника существует критическое значение силы тока, которое можно достигнуть в проводнике, не нарушая его сверхпроводимости. Это происходит потому, что при прохождении силы тока, вокруг проводника создается магнитное поле. А магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Поэтому сверхпроводники невозможно использовать для получения сколь угодно сильного магнитного поля.
• При прохождении энергии через сверхпроводник не происходит её потерь. Одним из направлений исследований современных физиков, является создание сверхпроводящих материалов при комнатных температурах. Если эту задачу удастся решить, то будет решена одна из важнейших технических проблем - передача энергии по проводам без потерь.

Перспективы

Высокотемпературная сверхпроводимость - это очень перспективная область исследований, которая впоследствии может привести к новой технической революции в электронике, электротехнике и радиотехнике. Согласно последним данным в этой области, максимальная критическая температура сверхпроводимости, которую удалось достигнуть, равняется 166К.

Мы постепенно приближаемся к открытию материалов, которые будут являться сверхпроводящими при комнатных температурах. Это станет прорывом в мире техники. Электроэнергию можно будет передавать на любые расстояния без потерь.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Зависимость сопротивления проводника от температуры: почему увеличивается Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspЭлектрический ток в полупроводниках: электронная и дырочная проводимость

Все неприличные комментарии будут удаляться.

www.nado5.ru

---

• 
  Как поменять батареи отопления в квартире через жэк бесплатно
• 
  Антенны магнитные
• 
  Отличие 220 вольт от 380 вольт
• 
  Асинхронный двигатель схема подключения
• 
  Сверхпроводящий накопитель энергии
• 
  Маховичный накопитель энергии
• 
  Герконовое реле принцип действия
• 
  Знание основных мер предосторожности при работах в электроустановках
• 
  Как определить разность потенциалов
• 
  Ток какой
• 
  Перпендикулярно катушке с током расположен прямолинейный проводник с током