Ч. Киттель - Введение в физику твёрдого тела (1127397), страница 78
Текст из файла (страница 78)
Примесь железа в концентраини несколько миллионных долей разрушает сверхпроводимость Мо, который в чистом виде имеет Т, = 0,92'К, а 1 ат.% Пс) понижает критическую температуру Т, для 1.а (см. [!0]) с 5,6'К до 0,6'К (рис, 12.3). Нсметаллические примеси не оказывают такого сильного влияния на температуру перехода, хотя они могут изменить поведение сверхпроводпиков в сильных магнитных полях.
х о $ 4 й 4 Ф а а Л х х о Ф а Ф х Ю, Я а х' о з а х а х о о о 2 а о х х 'х х х х х а. х :х а о х х о х о о х о а а о х о х х 2 х х й а х .Э х х а а х о а а т х тдвлипл ззз Сверхпроводимость нехоторнх соединений с' и г,, м. Соединение Соединение 'и'зСза Узз ! !!Со Т!зСо ! Еаз1п ( !пзЬ *) 16,5 17. ! 1,70 3,44 10,4 9 18,05 20,9 17,5 11,5 16,0 12,0 МЬззп ХЬз (А!о,зс>еаз! ЫЬаА! МЬзАи ыьм Мом *) Метзааиеееиаи Оазн под данаеииеи.
Известные сверхпроводящие элементы и их температуры перехода представлены в табл. 12.!. Установлено, что ни одновалентные металлы (за исключением Сз под давлением), ни ферромагнитные металлы, ни редкоземельные элементы (за исключением лантана !.а, который имеет незаполненную электронную оболочку 4)) не являются сверхпроводниками. В табл. 12.2 представлены температуры перехода ряда представляющих интерес сверхпроводящих соединений. Разрушение сверхпроводимости магнитным полем. Сверхпроводимость может быть разрушена достаточно сильным магнзпным полем. Пороговое или критическое магнитное поле, необходимое для разрушения сверхпроводимости, ооычно обозна. чают через Н,(Т); величина критического поля зависит от температуры.
При критической температуре критическое поле равно нулю; Н,(Т,) = О. На рис. 12.4 показана зависимость критического поля от температуры для некоторых сверхпроводящих элементов. Эти кривые одновременно являются границами, отделяющими свсрхпроводяшее состояние (область, лежащая налево и вниз от данной кривой) от нормального (область, ле>кащая направо и вверх относительно данной кривой).
Зависимость Н,(0) от Т, для ряда сверхпроводников показана на рнс. !2.5, Залзечание; Мы будем обозначать критическое мапзитное поле через В„, что не является общепринятым обозначением среди ученых, работающих в области сверхпроводимости. В системс СГС Н, = — В„, а в системе СИ Н вЂ” = В с7ро. Через В„ обозначено внешнее магнитное поле. Эффект Мейснера.
В 1933 г. Мейснер и Оксенфельд [111 обнаружили, что если сверхпроводник охлаждать в магнитном поле до температуры ниже температуры перехода, то в точке перехода линии магнитной индукции В будут вытолкнуты из 424 „000 ь 500 'Рис. )27Ь Кривые критического поля Н;(Т) для некоторых сверхпроводникоз Оолзсть под кривоп (слева) соотпетствует сверхпровадящему состояниуо образца, область над кривой (справа) — ноомальному. з 0 0, 8 Т, 'т' 7000 50? 000 О47 зжр 700 'ь 700 00 00 З0 50 20 Рис. )2.5. Зависимость критического поля Н, прп ? = О от температуры перехода у, для сеерхпроводников в виде массивных образцов (по обеим осям — логарифмический масштаб).
70 47 47 4здб 70 Я зо 0,70 ?ш л' ') О диамагнетизме, намагниченности М и магнитной восприимчивости см. гл. !5. Диамагнитная восприимчивость массивных сверхпроводников много больше, чем для типичньух диамагнетиков. В соотношении (!23) величина М есть намагниченность, эквивалентная сверхпроводящим токам в образце. сиерхпроводника (рис. 12.2). Эффект Мейснера показывает, что сверхпроводник ведет себя во внешнем поле В, так, как если бы внутри образца было В = О.
Для тонких длинных образцов, расположенных вдоль поля В„размагничиваюший фактор (см. (13.15) и (!7.43)] пренебрежимо мал и можно записать'): (СГС) В=В,+4нМ=О, или — = — —; (12.1) М ! а М ! (СИ) В= В, + )хеМ=О, или — = — —. Ва р Этот очень важный результат не может быть получен просто нз того факта, что сверхпроводник является веществом с равным нулю сопротивлением; из закона Ома Е = р/ видно, что при конечном 1 и р- О поте Е должно быть равно нулю. Из уравнения Максвелла следует, что с(Вггаг! го(Е, так что при нулевом сопротивлении агВ/Ж = О, т. с, магнитный поток в металле не может измениться, когда металл переходит в сверхпроводягцее состояние. Эффект Мейснера противоречит этому результату и дает основания считать, что идеальный днамагнетнзм н отсутствие сопротивления являются двумя существенно независимыми свойствами сверхпроводящего состояния ').
1(а рнс. 12.6а показана кривая намагничивания, которую можно ожидать для сверхпроводника, находящегося в условиях эксперимента Мейснера — Оксенфельда, Эта количественная кривая относится к образцу в форме длинного твердого цилиндра '), помещенного в продольное магнитное поле. Многие образцы, изготовленные из чистых материалов, ведут себя таким образом; они называются сверхпроаодникани ! рода, или мягкими сверхпроводнпками. Для сверхпроводнпков 1 рода вели гпна Н, слишком низка, чтобы применять их для создания катушек сверхпроводящих магнитов. Другие материалы описываются кривой, показанной на рпс.
12.6б, п называются саерхароводниками (! рог)гг. Обычно это сплавы (см. рис. 12.6в) или металлы переходной группы с большими величинами электрического сопротивления, т. е. имеющие малую длину свободного пробега электронов в нормальном состоянии. Мы увидим ниже, почему длина свободного пробега существенна для процессов «намагничиванияз сверхпроаодника.
Сверхпроводникн !1 рода обладают сверхпроводящими электрическихии свойствами вплоть до поля Н,з. Между нижним кри. тическим поз!ем I(,г и верхним критическим полем Ис, плотность потока В ча 0 и эффект Мейснера является неполным. Значение Н,з может более чем в 100 раз превышать значение критического поля Нс, к которому мы приходим при термодинамическом подходе к рассмотрению перехода в сверхпроводящсе состояние в нулевом магнитном поле. В области напряженностей полей между П,г и Н,я линии потока пронизывают сверх- проводник и он находится в вихревом состоянии (см.
ниже рис. !2.36). Для сплава )х)Ь, Л! и Ое при температуре кипения жидкого гелия (см. рис. 12.7) было достигнуто ') поле Н„= ') Мы предползгзем нзлнчне еще одного различия между сверхпроводником н ндезльпым проводннком (ндезльпый проводннк представляет собой пронодннк, в котором нет ннкзкого рассеяния злектронов). Различие состоит в том, что, в отличие от сверхпроводннкз, в ндезльном проводннке, помещенном в магннтное яоле, не возникает постоянного зкрзнз вихревых токов: магнитное поле проникает в идеальный проводник со скоростью около ! см н чвс (см.
канту Пнппзрдз !12!). е) Прн другой геометрнн поле вблизи образггз может быть неоднородным я сверхпроводимость может начинать разрушаться прн полях, меньших Н„ пзпрнмер для шара — прн ЧзНо что является следствнем того, что размзгннчнвзющнй фактор для шара не равен нулю.
з) Подробно о материалах с высоким зннченяем Н з см. работы !!3 — 15!. 426 Рнс. 12.6а. Зависимость намагничецностн ог внешнего магнитного поля в случае масснвного сверхпроводннка, для которого осуществляется полное выталкнвание машщтного поля (аффект Мейснера), т, е, имеет место идеальный днамагнетнзм. Сверхпроводник с такнм поведеннем называется сверхйроводннком ! рода. Прн поле выше критического образец находится в нормальном состояннн н намагняченность мала (в данном мас1итабе — пулевая). Заметим, что по аертнкали'отложена нелнчппа минус 4чМ. отрицательная намагннченность М соответствует дпамагнетпзму. Велнчина 4пй! равна мапппному полю, создаваемому сверхпроводящнчи токанц, пядуцнровап.
нымп внешним ыагнпгныьг полем. Нс Уг днегенге ггсгнспгнсе лспе,уе— Нс, йс Нег ьнесгиес:гсгнепнзе гаже с» — г- Рнс. !2.66. Кривая намагничивания для сверхпроводннка 11 рода. Магнитный поток начнпает пронпкать в образец прн поле Н,ь которое ниже гермодпна.
мпческого крнтнческого поля Н,. Между Н,; п Нг, образец находятся н гпхреаол состознпп. Выше Н., образец является во всех отношепнях н ~рмпльныч проводником, за ясключеппем возь~ожных поверхностных аффектов. Длг! данного Н, площадь под крнной намагничивания одинакова для сперхпроводников 1 и 11 рода. Слггинее нггиелмсг па е Сс, с Рис. !2.6в. Крнвыс намагничивания отожженного поликристаллического свппца РЬ н сплавов РЫп прн 4,2'К.
А — чистый РЬ;  — сплав с 2,08 вес. % !п; С вЂ” сплав с 8,23 вес. с(о !п;  — сплав с 20,4 вес. а(а !п. (По Ливингстону.) ~~ ряр ~2 у. Зависимости верхнего кри. тического поля температуры ти разливных сверх ароводинков щ гг т г Рис !28 Сверхпроводяшин магнит смонтированный для погружения в .,г;,"г;, .криостат с жидким гелием. г,б ъ: нту ьч. бд 'Ф' ндал „$ 42 дс дд да уд;,г т,'д Рпс, !29. Энтропия 5 алюмнцня в нормальном н сверхпронодяшем состояннях в зависимости от температуры.
В сверхпроводяцсеы состоянии энтропня меньше, так как электроны более упорядочены, чем в нормальном состояннн. 1!ря любой температуре ннясе т, образец но>кот быть переведен в нормальное состояние матпптпым полем с напряженностью болыпс критической. (М. Рь РЫ!Вр .) = 410 кГс (41 тесла). Используя соленоиды с обмотками пз так называемых жестких сверхпроводников, некоторые фирмы изготовляют саерхпроводящие магниты (см.
рис. 12.8), дающие весьма стабильные поля более 100 кГс. Жесткими сверхпроводипками называют сверхпроводиики 1! рода с сильным магнитным гистерезисом, искусственно созданным механической обработкой. Теплоемкость. Во всех сверхпроводниках энтропия прп охлаждении ниже Т, уменьшается. результаты экспериментов с А! представлены на рнс. 12.9.
Уменьшение энтропии при пе. реходе из нормального состояния в сверхпроводящее показы. вает, ~то свсрхпроводящее состояние является более упорядоченным, чем нормальное, так как энтропия является мерой «разупооядочения» системы. Большинство электронов, термически возбужденных в нормальном состоянии, упорядочивается при переходе в сверхпроводящее состояние. Изменение энтропии прн этом невелико. Для алюминия эта величина составляет 1О 'йв на атом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
