151372 (Надпровідники першого та друго роду)

Зміст

1. Вступ.

2. Надпровідники: історія розвитку, сучасний стан і перспективи.

3. Відкриття явища надпровідності.

4. Ідеальний провідник і надпровідник. Ефект Мейснера.

5. Надпровідники першого та другого роду.

6. Ефект Джозефсона.

7. Високотемпературна надпровідність.

8. Критичні стани:

8.1. Критичні магнітні поля.

8.2. Критичний струм.

8.3. Критична температура.

1. Застосування надпровідності.

2. Висновки.

3. Список використаних джерел.

1. Вспуп.

Надпровідність – фізичне явище, що спостерігається в деяких речовинах (надпровідниках). При охолодженні їх нижче певної критичної температури T_с зникає електричний опір і виштовхується магнітне поле із об’єму надпровідника.

Явище було відкрито в 1911 році Каммерлінг-Оннесом. Вивчаючи залежність опору ртуті від температури, він помітив, що при температурі нижче 4,2 К ртуть практично втрачає опір.

Вивчаючи це явище, вчені відкрили ефекти, які притаманні надпровідникам: ефект Мейсера і ефект Джозефсона. Надпровідники за своїми магнітними властивостями були розділені на два класи: надпровідники першого та другого роду. Також вченими було встановлено, що надпровідність можна отримати при температурах набагато вищих за абсолютний нуль (високотемтературна надпровіднідність), що полегшило впровадження цього явища до практичного застосування.

2. Надпровідники: історія розвитку, сучасний стан і перспективи.

Явище, що полягає в повному зникненні електричного опору провідника при його охолоджуванні нижче критичної температури, було відкрите нідерландським фізиком Х.Камерлінг-Оннесом в 1911 році, а задовільне пояснення, відмічене іменами американських фізиків Л.Купера, Дж.Бардина, Дж. Шриффера, радянського математика і фізика Н.Н.Боголюбова, отримало практичне використання цього явища в середині шестидесятих років, після того, як були розроблені надпровідні матеріали, придатні для технічних застосувань.

Істотним етапом в дослідженні надпровідності виявився 1933 рік, коли В. Мейснером В. і Р. Оксенфельдом було вперше встановлено, що при температурі нижче критичної магнітне поле повністю виштовхується з надпровідника. Це явище тепер називають ефектом Мейснера. Як показано на малюнку, якщо, наприклад, охолодити до температури, нижче за температуру надпровідного переходу, силові лінії магнітного поля повністю виштовхуються з кулі. Надпровідне тіло володіє властивостями, як би зворотними феромагнітному: залізний магніт концентрує силові лінії магнітного поля, а надпровідник виштовхує їх.

Рис. 1

На наступному малюнку демонструється ефект Мейсснера - фундаментальна властивість надпровідного стану. Магнітна пігулка плаває над увігнутою чашею з надпровідника. Магнітне поле пігулки викликає електричні струми в тонкому шарі на поверхні надпровідної чаші. Ці струми у свою чергу створюють магнітне поле, протилежне полю магніта і компенсуюче поле магніта усередині матеріалу чаші. Таким чином магнітне поле повністю виштовхується з надпровідника, а сам магніт покоїться на «подушці» зі свого власного поля. Це явище отримала назва «Труна Магомета», бо за переказами труна Магомета висіла в просторі без всякої підтримки. Цей ефект часто використовується для демонстрацій явища надпровідності.

Рис. 2

Якщо проаналізувати розвиток досліджень по надпровідності, то виразно видно наступна тенденція: спочатку вивчалася надпровідність простих металів (Hg, Pb, Nb), потім подвійних (Nb3Sn, Nb3Ge) і потрійних (Nb3(Al,Ge)) интерметалідів. В рамках такого підходу вибирані композиції були в якійсь мірі логічним продовженням простих металів. У рекордсмена - з'єднання Nb3Ge - величина критичної температури складала 23,2 К. Температурний інтервал існування надпровідності лише наблизився до температур кипіння рідкого водню і рідкого неону, і фактично для перекладу матеріалів в надпровідний стан використовувався дорогий і технічно важкий в експлуатації холодагент - рідкий гелій. Заповітною межею для критичної температури завжди була температура кипіння рідкого азоту (77 К) - дешевого і доступного холодагента, вироблюваного промисловістю у великих кількостях.

У 1986 р. азотна межа була перевершена - І. Г. Беднорцем и К. А. Мюллером були відкриті високотемпературні надпровідники (скорочено ВТНП), критична температура у яких лежить, як правило, вище за температуру кипіння рідкого азоту. Основою цих з'єднань служать оксиди міді, і тому вони також часто називаються купратами або металооксидами. У дослідження метало оксидних надпровідників і пошук на цьому шляху нових надпровідних матеріалів включилася після відкриття Беднорца і Мюллера вся наукова громадськість миру. У 1987 р. на кераміку YBa2Cu3O7-x була досягнута температура надпровідного переходу 92 К, потім температура надпровідного переходу була піднята до 125 К в з'єднаннях талія. Найбільша критична температура, досягнута за більш ніж 15 років досліджень ВТНП, належить з'єднанням на основі ртуті і рівна 145 К.

Надпровідність керамік, можливо, пояснюється взаємодією електронів з іншими квазічастинками.У надпровідності три «вороги»: високі температури, сильні магнітні поля і великі струми. Якщо їх величини перевищать граничні значення, звані критичними, надпровідність зникає, надпровідник стає звичайним провідником. По взаємодії з магнітним полем надпровідники діляться на дві основні групи: надпровідники I-го і II-го роду.

Надпровідники першого роду при приміщенні їх в магнітне поле «виштовхують» останнє так, що індукція усередині надпровідника рівна нулю (ефект Мейсснера) .Напруженість магнітного поля, при якому руйнується надпровідність і поле проникає всередину провідника, називається критичним магнітним полем Н_к.У надпровідників другого роду існує проміжок напруженості магнітного поля Н_к2 > Н > Н_к1, де індукція усередині надпровідника менша індукції провідника у нормальному стані. Н_к1 - нижнє критичне поле, Н_к2 - верхнє критичне поле. Коли Н < Н_к1 - індукція в надпровіднику другого роду рівна нулю, а при Н > Н_к2 - надпровідність порушується.

Табл.1. T_k, Н_к1, Н_к2, деяких металів і з'єднань:

Американський фізик У.Літлл в 1964 році висунув сміливе припущення: можливі надпровідники не металевої, а органічної природи. Важливе місце в своїх міркуваннях Літлл відводив полімерним молекулам, в основному ланцюзі яких є одиничні і кратні зв'язки, що чергуються (хіміки називають такі зв'язки зв'язаними). Цю особливість зв'язаних зв'язків в основному ланцюзі полімерної молекули Літлл вважав важливою передумовою для переходу в надпровідний стан. Склавши проект свого полімеру, учений вважав: речовина з такими молекулами зобов'язана бути надпровідником; більш того - в цей стан вона повинна переходити при не дуже низькій температурі, можливо, близькою до кімнатної.

Провідники, вільні від всяких енергетичних втрат за абсолютно звичайних умов, звичайно ж, зробили б революцію в електротехніці. Ідея американського фізика була підхоплена в багатьох лабораторіях різних країн.

Проте досить швидко з'ясувалося, що придуманий приклад Літллом ніяким чином не давав можливості перейти в надпровідний стан. Але надпровідність була таки виявлена за межами світу металів. У 1980 році в Данії група дослідників під керівництвом До. Бекгарда, эксперементуючи з органічною речовиною з класу іон-радикальних солей, перевела його в надпровідний стан при тиску 10 кбар і температурі на 0,9 градуса вище за абсолютний нуль. У 1983 році колектив радянських фізиків, очолюваний доктором фізико-математичних наук І.Ф. Щегольовим, добився від речовини того ж класу переходу в надпровідний стан вже при 7 градусах абсолютної шкали температур і при нормальному тиску.

3. Відкриття надпровідності.

Камерлінг-Оннес. Біографія.

Нідерландський фізик. Камерлінг-Оннес вважав, що дослідження поведінки газів при низьких температурах може дати важливу інформацію для перевірки теорії відповідних станів. Для досягнення низьких температур необхідно зріджувати гази. Камерлінг-Оннес вибрав темою для роботи своєї лабораторії вузьку область кріогеники - дослідження низькотемпературних ефектів. Він побудував крупний завод по зріджуванню газів для отримання великих кількостей низькотемпературних рідин - кисню, азоту і повітря. Ці рідини були необхідні для проведення експериментів по вивченню властивостей матеріалів і досягнення ще нижчих температур. У 1908 році Камерлінгу-Оннесу вперше вдалося отримати рідкий гелій при температурі всього лише на 4 градуси вище за абсолютний нуль. Він вивчав спектри поглинання елементів, фосфоресценцію різних з'єднань, в'язкість зріджених газів і магнітні властивості речовин.

Своє найбільш вражаюче відкриття Камерлінг-Оннес зробив в 1911. Він виявив, що при низьких температурах електричний опір деяких металів повністю зникає. Це явище Камерлінг-Оннес назвав надпровідністю. Камерлінг-Оннес припустив, що пояснення надпровідності буде дано квантовою теорією. У 1957 Дж. Бардін, Л. Купер і Дж. Роберт Шріффер запропонували теоретичне пояснення явища надпровідності. Камерлінг-Оннес був удостоєний Нобелівської премії по фізиці 1913 «за дослідження властивостей речовини при низьких температурах, які привели до виробництва рідкого гелію».

Дослід Камерлінг-Оннеса: відкриття надпровідності.

Явище надпровідності є незвичайно яскравим проявом квантових закономірностей в макроскопічних масштабах. Надпровідність - це перебіг електричного струму по провідникові без опору. Пропадає опір у надпровідників при деякій температурі, званою критичною температурою, і залишається нульовим аж до температури абсолютного нуля.

Рис. 3. Залежність питомого опору ртуті від температури

В даний час встановлено, що в надпровідному стані питомий опір надпровідників принаймі менше 10 – 21 Ом∙м, тобто в 10 – 17 разів менше опору міді при кімнатній температурі. Як видно з рис. 3, перехід з нормального в надпровідний стан відбувається дуже різко при критичній температурі. Як це задоволено часто буває, до відкриття явища надпровідності привів випадок. У 1908 році Камерлінг-Оннес вперше отримав рідкий гелій, і потім почав дослідження залежності опору різних чистих металів від температури. Спочатку це була платинова і золота тяганина, і їх опори, як і очікувалося, зменшувалися у міру зменшення температури, потім він приступив до вимірювання опору ртуті. Вибрана вона була тому, що ртуть можна дуже добре очистити від домішок шляхом вакуумної дистиляції, тобто просто кип'яченням. Все йшло як завжди при температурах рідкого кисню, азоту, водню, але в рідкому гелії опір впав до нуля. Цілком природно було припустити, що відбувається коротке замикання вимірювального ланцюга десь в кріостаті (приладі типу термоса, в якому проводяться експерименти з охолоджувальними рідинами (їх називають холодагентами) - азотом, воднем, гелієм). Вимірювання повторювали кілька разів, але весь час при температурі рідкого гелію ланцюг закорочувався. Тоді було вирішено замість U-подібної трубки, заповнюваною ртуттю, використовувати W-подібну і розмістити в ній вже декілька контактів. На жаль, до засмучення експериментаторів, вже тепер всі чотири сегменти закорочувалися. І лише випадок допоміг дізнати дійсну причину невдач.