Реферат: Сверхпроводимость

Планреферата

Стр.

1.Свойство сверхпроводимогосостояния……………………………3

2.Сверхпроводник в магнитномполе………………………………...4

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

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

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

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

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

б.Разрушениетоком………………………………………………..10

в.Новыевещества…………………………………………………..10

7.Некоторые применениясверхпроводимости……………………..10

Литература…………………………………………………………...15

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

Многие металлы иметаллические сплавы при температурах, близких к абсолютному нулю, переходят вособое сверхпроводящее состояние, наиболее поразительным свойством которогоявляется с в е р х п р о в о д и м о с т ь- полное отсутствие сопротивленияпостоянному электрическому току.Наведенный в сверхпроводящем кольце токсохраняется неизменным практически бесконечно долго – в течение нескольких летне удается обнаружить сколько-нибудь заметного затухания этого тока.Этотэксперимент провел в1959 г. американский ученый физик Коллинз.

Эффект сверхпроводимостисостоит в исчезновении электрического сопротивления при конечной, отличной от О0К, температуре (критическая температура- Тк ).

ОткрытиеКамерлинга-Оннеса повлекло исследования разных веществ –сверхпроводников и ихсвойств. Были отмечены резкая аномалия магнитных, тепловых и ряда другихсвойств, так что правильнее говорить не только о сверпроводимости, а об особом,наблюдаемом при низких температурах состоянии вещества .

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

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

Критическаятемпература зависит не только от химического состава вещества, но и отструктуры самого кристала.Например, серое олово является полупроводником, абелое олово- металлом, способным к тому же при температуре, равной 3,720К, переходить в сверхпроводящее состояние.

Бериллий–сверхпроводник ввиде тонкой пленки. Некоторые вещества становятся сверхпроводниками привысоком давлении ( Ва с Т к=50К под давлением ~ 150кбар).

Из всего следуетвывод, что сверхпроводимость представляет собой коллективный эффект, связанный соструктурой всего образца.

Переход металла всверхпроводящее состояние и обратно происходит при тех значениях температуры инапряженности магнитного поля, которые соответствуют точкам на кривойзависимости Н к от температуры (рис 1.)

Учитываяобратимость перехода и различие свойств металла в сверхпроводящем и нормальномсостояниях, этот переход можно рассматривать как фазовый переход между двумяразличными состояниями одного и того же вещества: n-фазой(нормальное состояние) и s-фазой (сверхпроводящее состояние).

Сверхпроводник в магнитном поле.

1. В 1933 г. Мейсснеромбыло открыто одно из свойств сверхпроводников(эффект Мейсснера).Оказалось, чтомагнитное поле не проникает в толщу сверхпроводящего образца.Если этот образецпри температурах более высоких, чем Тк, то в нем, как и во всяком нормальномметалле, помещенном во внешнем поле.напряженность будет отличной от нуля. Невыключая внешнего магнитного поля, начнем постепенно понижать температуру.Тогдаокажется, что в момент перехода в сверхпроводящее

состояние магнитное полевытолкнется из образца и станет справедливым равенство В = 0 ( В- магнитнаяиндукция, равная, по определению, средней напряженности магнитного поля ввеществе).При включении внешнего поля Н в веществе появляется отличная от нуляиндукция В, равная В= μН. Коэффициент и называется магнитнойпроницаемостью вещества.При μ<1 наблюдается ослабление приложенного поля и В< Н.В сверхпроводниках В=0, что соответствует нулевоймагнитной проницаемости.Это эффект идеального диамагнетизма. Еслисверхпроводящий образец поместить во внешнее поле, то в поверхностном слоеметалла возникает стационарный

электрическийток, собственное магнитное поле которого противоположно приложенному полю.что врезультате и приводит к нулевому значению индукции в толще образца.

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

Рис.2

Наличие сопротивленияпривело бы к тепловым потерям и в отсутствие электрического поля-к быстромузатуханию тока.Эффект Мейснера и явление сверхпроводимости, т.е.полноеотсутствие сопротивления, тесно связаны между собой и явлются следствием общейзакономерности, которую и установила теория сверхпроводимости.

2. Достаточносильное магнитное поле при данной температуре разрушает сверхпроводящеесостояние вещества. При действии на сверхпроводник магнитного поля температураТс снижается.Магнитное поле с напряженностью Нс, которое при данной температуревызывает переход в-ва из сверхпроводящего состояния в нормальное, называетсякритическим полем.

Т.о., металл можно перевестииз сверхпроводящего состояния, воздействуя на сверхпроводник магнитным полем.Темне менее, был обнаружен класс веществ,

сохраняющих свойствосверхпроводимости в мощных магнитных полях

и при сильных токах.

Изотермические свойства.

Переход вещества всверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств.

/> <td/> />
Электронная теплоемкость нормальных металлов спонижением температуры убывает по линейному закону сe~Т. Всверхпроводниках – по экспоненциальному закону.

где а и b – постоянные, не зависящие от температуры величины.

Рис.3

Скачек теплоемкости

Изотермический переход изсверхпроводящего состояния в нормальное связан со скачкообразным изменениемтеплопроводности и теплоемкости.

Это универсальное свойствосверхпроводников.Различают теплопроводность,

связанную с движениемэлектронов, и тепловой поток в решетке кристалла.

Коэффициенттеплопроводности х можно представить в виде суммы

/> <td/> />
х=хэл+хреш.Электронырассеиваются различными причинами(колебания решетки, примеси, другиеэлектроны).Результирующая электронная теплопроводность Хэлвычисляется по правилу

Изотопический эффект.

В 1950 г. Максвелл, Рейндолс при исследовании ртути открыли, что сверхпроводимость возникает привзаимодействии электронов с решеткой кристалла.Электроны проводимости движутсяв сверхпроводнике беспрепятственно-без “трения” обузлы кристаллической решетки.

В сверхпроводникахвозникает взаимное притяжение электронов с образованием электронных пар.

Рис.4

Электрон проводимости е притягивает к себе ион I кристаллической решетки, смещая его из положенияравновесия.При этом изменяется электрическое поле в кристалле- ион I создаетэлектрическое поле,

действующее на электроныпроводимости, в том числе и на электрон e1

Взаимодействие е1и е2 осуществляется с помощью кристаллической решетки.

Смещение иона под действиемэлектрона приводит к тому, что электрон оказывается окруженным “облаком” положительногозаряда, превышающего собственный отрицательный заряд электрона.Электрон вместес этим “облаком”имеет суммарный положительный заряд и притягивается кдругому электрону.

Интересно, чтоименно взаимодействие электронов с решеткой кристалла ответственно за появлениесопротивления. При определенных условиях оно приводит к его отсутствию, т.еэффекту сверхпроводимости.Так было

расскрыто объяснениесверхпроводимости.

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

Квантовая основа.

1.В квантовой теорииметаллов притяжение между электронами ( обмен фононами)связывается свозникновением элементарных возбуждений решетки.

Электрон, движущийся вкристалле и взаимодействующий с другим электроном посредствомрешетки, переводит ее в возбужденное состояние.При переходе решетки в основноесостояние излучается квант энергии звуковой частоты- фонон, который поглащаетсядругим электроном.Притяжение между электронами можно представить как обменэлектронов фононами, причем притяжение наиболее эффективно, если импульсывзаимодействующих электронов антипараллельны.

2.Возникновениесверхпроводящего состояния вещества связано с возможностью образования вметалле связанных пар электронов.Проявление сил притяжения можно представить.Врезультате деформации решетки электрон оказываеся окруженным “облаком“положительного заряда, притягивающегося к электрону. Тогда такой электронвместе с окружающим его облаком представляет собой положительно заряженнуюсистему,

которая будет притягиватьсяк другому электрону.

При высоких температурахдостаточно сильное интенсивное тепловое движение отбрасывает частицы друг отдруга, размывает ионную “шубу“, что фактически уменьшает силы притяжения.При низкихже температурах силы притяжения играют очень важную роль.

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

В среде же сила ихвзаимодействия равна

(ε-диэлектрическаяпроницаемость среды).Если среда такова, что ε <0, тоодноименные заряды (в данном случае электроны) будут притягиваться.

/> <td/> />
Кристаллическая решетка и является тойсредой, которая делает отрицательной диэлектрическую проницаемость всверхпроводнике.

3.Расстояниемежду электронами пары равно:

где h-постоянная Планка,uF-скоростьэлектрона на уровне Ферми ,

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

находятся на расстоянии порядка 104 периодов кристаллической

решетки.Вся электроннаясистема сверхпроводника представляет собой связанный коллектив, простирающийсяна громадные, по атомным масштабам,

расстояния.

Если при скольугодно низких температурах кулоновское отталкивание между электронамипреобладает над притяжением, образующим пары, то вещество (металл или сплав)остается по своим электрическим свойствам нормальным.Если же при температуре Т происходитпреобладание сил притяжения над силами отталкивания, то вещество переходит в cверхпроводящеесостояние

4.Важнейшей особенностью связанного в пары коллективаэлектронов в сверхпроводнике является невозможность обмена энергией междуэлектронами и решеткой малыми порциями, меньшими, чем энергия связи парыэлектронов.

Это означает, что присоударении электронов с узлами кристаллической решетки не изменяется энергияэлектронов и вещество ведет себя как сверхпроводник с нулевым удельнымсопротивлением.

Квантомеханическоерассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волнна тепловых колебаниях решетки или примесях.А это и означает отсутствиеэлектрического сопротивления.

Условия сверхпроводимости.

1.СверхпроводникиI и II рода.

Когда магнитный поток проходит через проводник безпотерь и когда энергия связана с поверхностями раздела между участками n-фазыи s-фазы ( граница между двумя фазами всегда обладаетповерхностной энергией.)

Рис. 5

На рис. 5а-сверхпроводник с идеальным диамагнетизмом; б-сверхпроводникв смешанном состоянии.Заштрихованные области соответствуют сверхпроводящемусостоянию (s-фазе), незаштрихованные- нормальному (n-фазе).Притолщине слоев s- фазы, меньшей глубины проникновения , магнитный потокпронизывает и сверхпроводящие слои(Н- напряженность внешнего магнитного поля).

Искажения плотностисверхпроводящих электронов не могут проявлятся на расстояниях, меньших длиныкогерентности ξ~ΔS.

В поверхностную энергию дают вклад эффекты, зависящиекак от глубины проникновения λ, так и от длины когерентности ξ.Какбыло показано, вклад в поверхностную энергию отрицателен( т.к. при этом объемчистой s-фазы

уменьшается на величинупорядка λS, где S-площадь поверхности s-фазы) и,следовательно, добавка к внутренней энергии сверхпроводника уменьшается навеличину порядка λSH2/8π.Если выполняется условия ξ>λ(более точный расчетдает условие ξ>λ1/2), то образование слоистой структуры энеогетически невыгоднои сверхпроводник существует в виде сплошной s-фазы.

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

2.Сверхпроводимость может разрушаться током..

Если сверхпроводник II рода поместить в сильное внешнее магнитное поле, то критический ток в нем окажетсяравным 0, т.е. протекание сквозь угодно малого тока будет сопровождатьсятепловыми потерями.Возникает система вихревых нитей и при пропуске токапроисходит их взаимодействие.Опытным путем доказано, что жесткиесверхпроводники выдерживают сильные магнитные поля, а благодаря неоднородностямструктуры через них можно пропускать большие токи.

3.Созданы новые сверхпроводящие вещества, дающиевозможность получать поля около 200 кгс. Перспектива открытий в этой областинеограничена.

Применение сверхпроводимости.

Продолжается поискматериалов, позволяющих получать все более мощные магнитные поля. Соленоидысоздают не просто сильные магнитные поля.Возможно получение однородных полей вдостаточно большой области пространства, что весьма важно при проведениинаучных исследований,

посвященных изучениюсвойств вещества в магнитном поле.

Наиболеезаманчиво применение сверхпроводников в обмотках соленоидов для получениясверхсильных магнитных полей- порядка 100 000э и выше. Сильные магнитные полянеобходимы, например, при управлении плазменными пучками в установках дляисследования и возможного получения управляемых термоядерных реакций и всовременных ускорителях заряженных частиц высоких энергий.

В этомслучае энергию надо затрачивать только на охлаждение обмоток до температурниже критической.

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

Сверхпроводящие сплавы используются для получения сверхмощных постоянныхмагнитов. В отличие от обычного электромагнита сверхпров. не нуждается вовнешнем источнике питания, поскольку протекающий в нем ток не испытываетэлектрического сопротивления.

Другимпримером применения сверхпроводников является клистрон-управляющий элемент вэлектрических цепях.На проводник, по которому течет электрический ток, наматываетсянесколько витков также сверхпроводящей проволоки, но обладающей более высокимзначением критического поля Н к.1Меняя ток в витках, можно создать критическоеполе в управляемом сверхпроводнике, что приведет к его “запиранию” вследствие потери им С.

Много исследованийпосвящается вопросу об использовании сверхпров. при создании вычислительныхмашин.Сверхпроводящий ток является незатухающим.Это позволяет использовать егов качестве идеального запоминающего устройства, хранящего большие и легкосчитываемые запасы информации.

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

В вычислительной техникеиспользуется двоичная система.Двойственность сверхпроводников( они могутнаходиться или в нормальном, или в сверхпроводящем состоянии), быстрота ихперехода под действием темпера-

туры или магнитного поля изодного состояния в другое позволяют использовать их в качестве элементоввычислительных машин. И в качестве переключающих устройств, работающих с оченьвысокой скоростью при малых затратах мощности, сверхпроводники идеальны.

Одно из таких устройств–так называемый проволочный криотрон.

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

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

называетсяуправляющей.При протекании по ней достаточно большого тока сверхпроводимость вклапане разрушается.

Ниобий былвыбран в качестве материала, из которого изготовляется управляющий провод, по тойпростой причине, что сверхпров. сохраняетсся в нем при достаточно сильныхмагнитных полях.Критические поля свинца или тантала, образующих клапан, являютсявесьма малыми, и сверхпров.в них поэтому разрушается при пропускании вниобиевой катушке достаточно слабого тока.

Сопротивление в клапане меняется при этом скачком от нуля до некоторогоконечного значенитя.Уменьшением тока в управляемом проводе сновавосстанавливается сверхпроводящие состояния свинца или тантала.

Скоростьпереключения в клиотронах достигает двух наносекунд

(2*10-9сек).Высокаяскорость в сочетании с простотой устройства и лежит в основе использованиясверхпроводящих криотронов в вычислительной технике.ЭВМ, использующаясверхпроводящие устройства, выделяется

своей необычнойкомпактностью.

Вполневозможным является создание миниатюрного сверхпроводящего триода.Его можнопредставить себе состоящим всего из трех наклеенных друг на друга металлическихпленок, причем роль сетки обычной радиолампы играет средняя полоска, в которой регулируется ток и создаваемое им магнитное поле.

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

Эффект механическогоотталкивания используется для создания опор без трения.Сверхпроводящая сфераблагодаря диамагнитному эффекту висит над кольцом, в котором циркулируетнезатухающий ток.Сила тяжести

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

Устройство,в котором используется описанное явление, называется сверхпроводящимподвесом.Такие подвесы могут использоваться в гироскопах, моторах и в рядедругих устройств.Принцип механического отталкивания положен в основу создагнияэлектрических машин, к.п.д. которых благодаря замечательным свойствамсверхпроводников равена 100%. В этих машинах ротор выполнен в виде шестиугольного сверхпроводящего

стаканчика.Двамагнитика, вращающиеся по окружности статора, отталкивают от себя магнитной “подушкой” сверхпроводящийротор.Последний при этом приходит во вращение, скорость которого доходит до 20000 об/мин

и в принципе может бытьувеличена до большого значения.

Самаязаманчивая перспектива использования эффекта механического отталкиваниясвязана с работами по созданию “сверхпроводящей“ железной дороги.Японцы первыми создали модель железнойдороги на магнитной подушке с вагонами, в которых находятся сверхпроводящиемагниты.Вагон весом 2 т и размером 4х1,5 х 0,8 м двигался над путепроводом соскоростью

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

на “магнитнойподушке “ сможет двигаться со скоростью 500 км/ час! Этиразработки ведутся во всех странах Европы.

У нас разработанпроект такой дороги между Петербургом и Москвой.

Это явление в лабораторныхусловиях рассмотрел в замечательном эксперименте В.К.Аркадьев, назвавший его “ гробМагомета”.Над металличе-

ским кольцом, вкотором циркулирует такой ток, поместить в сверхпроводящую сферу, то на ееповерхности индуцируется сверхпроводящий ток.Его возникновение вследствиедиамагнитного эффекта приведет к появлению сил отталкивания между кольцом исферой.В результате сфера оказывается висящей над кольцом на высоте, определяемой равенством силы

отталкивания ивеса сферы.Подобный эффект механического отталкивания

наблюдается и втом случае, когда над сверхпроводящим кольцом помещается постоянный магнит, безвидимой поддержки висящий над кольцом, в котором циркулируют индуцированныемагнитом незатухающие сверхпроводящие токи.

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

В них можно неиспользовать сталь в качестве магнитного материала. Создаваемыесверхпроводниками магнитные поля намного превосходят значениянапряженности, реализуемые в стальных материалах.

В последнеевремя в радиотехнике начинают использовать сверхпроводящие объемныерезонаторы.Добротность резонатора обратно пропорциональна

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

Компактность мсожетиспользоваться в космическом корабле для

создания магнитной противорадиационной защиты.Космонавт должен взять в космос “ низкиетемпературы” и сверхпроводящийсоленоид.

Квантование магнитного потока в сверхпроводниках используется для созданиямагнитомеров для измерения слабых магнитных полей.Приборы такого виданазываются квидами.Они фиксируют изменения потока

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

Катушка с полем

переменного тока

Тонкая пленка

(~10-6 cм толщиной)

Рис.6

Изображенныйсквид представляет собой два тонких сверхпроводящих полуцилиндра, полученныхнапылением на катушку.Эти полуцилиндры соединены тонким мостиком, образующимслабую связь.Квантование этого магнитного потока приводит к ступенчатомухарактеру зависимости потока от внешнего магнитного поля.Это изменение потокагенерирует сигнал в резонансном колебательном контуре.С помощью этих сигналов ирегистрируются слабые изменения магнитного поля.

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

располагается вкриостате, на расстоянии нескольких сантиметров от сердца

пациента.Регистрируютсярезкие сигналы, идущие от сердца.Ясно, что этот метод важен для медицинскихисследований.

Квантованиемагнитного потока может быть использовано для создания пространства, в которомвообще отсутствует магнитное поле.Если охладить цилиндр, внутри которого имеетсяслабое магнитное поле, до температуры ниже критической, то внутри цилиндра “заморозится” некоторый магнитный поток.Еслипосле этого мы начнем постепенно увеличивать радиус цилиндра, то число квантовпотока не изменится, но увеличение площади сечения повлечет за собойсоответствующее уменьшение напряженности поля.Если использовать нескольковложенных друг в друга цилиндров.то описанным путем можно в конце концовдобиться того, что во внутреннем цилиндре не будет содержаться ни одного квантапотока.

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

Интересным приборомявляется также сверхпроводящий болометр.Он предназначается для измерениярадиации в инфракрасной области спектра.

Основной частью такогоболометра является тонкая проволока из сверхпроводника, находящаяся притемпературе, близкой к критической. Под

действием падающейрадиации, которая поглащается металлом, температура повышается и становитсябольше Тк.При этом сверхпроводимость разрушается, и в проволоке скачкомвосстанавливается нормальное сопротивление.

Это приводит к легкорегистрируемому падению напряжения.Резкость перехода в нормальное состояниеделает сверхпроводящий болометр весьма чувствительным прибором.Порогчувствительности его составляет

10-10–10-12вт.

Техническаясверхпроводимость находится в развитии и составляет часть технической физики.

Использованная литература

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

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

3.Парселл Э.Электричество имагнетизм.М.: Наука,1985.

(Берклиевский курс физики).

4.Суорц Кл.Э.Необыкновеннаяфизика обыкновенных явлений.

В сборнике “Успехифизических наук”.М.: Наука,1986.

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

М.: Наука,1977.

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