Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела (2-е издание, 2008) (1135799), страница 49
Текст из файла (страница 49)
Он обнаружил полное исчезновение электрического сопротивления ртути при температуре ниже 4,12 К. Это явление и получило название сверхпроводимость, т.е. способность некоторых веществ обращать в нуль сопротивление постоянному току при охлаждении нх ниже определенной критической температуры Т„р перехода в сверхпроводяи1ее состояние.
Выше этой температуры вещество находится в нормальном состоянии, когда электрическое сопротивление постоянному току не равно нулю. Вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние, называют сверхпроводниками. Сверхпроводимость была обнаружена у многих металлов и химических соединений при низкой температуре, например среди металлов наивысшую критическую температуру перехода в сверх- проводящее состояние имеет ниобий (9 К), а среди химических соединений — до недавнего времени — ХЬЗОе (23,3 К).
В 1986 г. Й. Беднорц и К. Мюллер открыли новый класс высокотемпературных сверхпроводников на основе керамических соединений меди, значения Т„которых превысили 90 К, а спустя несколько лет их удалось увеличить до 130...134 К. Помимо полного исчезновения электрического сопротивления сверхпроводники обладают и рядом других свойств. Наиболее интересное из них — эффект Мейснера — связано с «выталкиванием» магнитного поля из сверхпроводника. Сверхпроводимость теоретически обосновали в 1957 г. американские физики Дж.
Бардин, Л. Купер, Дж. Шриффер и советский физик-теоретик Н.Н. Боголюбов. Согласно современной теории сверхпроводимость — макроскопическое проявление микроскопического квантового явления, основанного на связывании двух электронов с противоположно направленными импульсами и спинами в пары (так называемые куперовские пары), это происходит за счет их взаимодействия друг с другом и кристаллической решеткой. 302 6.1. Свойства веществ в сверхпроводящем состоянии Н8 ........................„, Ч ..........„„,.„„...„„, РЬ ......................... „, ХЬ .......,...................
ХЬ,Ы Т!зСа.Ва~СизОю "". 4,15 5,38 7,19 9,20 18,00 125,00 0,125 0,100 0,075 Эффект Мейснера. Внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводник н, более того, вытесняется из сверхпроводника при его переходе из нормального в сверхпроводящее состояние (рис. 6.2). Невозможность проникновения внешнего магнитного поля в сверхпроводник (точнее, неизменность вектора магнитной индукции В внутри сверхпроводника) можно объяснить отсутствием электрического сопротивления сверхпроводника. Дейст- 0,050 0,025 0 4,1 4,2 4,3 4,4 Т,К Рис.
6.1. Зависимость электрического сопротивления И образца ртути от температуры Т, приближающейся к Т„,; область А 11 < 1О'Ом 303 Сверхпроводники в сверхпроводящем состоянии обладают набором уникальных свойств, широко используемых в технике: полное отсутствие электрического сопротивления, полное или частичное вытеснение магнитного поля из сверхпроводника, особенности спектров поглощения электромагнитных волн.
Эти свойства сверхпроводников и рассмотрены в данном разделе. Отсутствие электрического сопротивления в сверхпроводящем состоянии. При температуре ниже критической электрическое сопротивление сверхпроводника равно нулю в пределах точности современных методов измерений. Так, сверхпроводящий ток в кольцевом проводнике циркулирует без заметного ослабления в ~ечение многих лет (= 10' и более). При охлаждении сверхпроводника переход из нормального состояния в сверхпроводяшее осуществляется в узком диапазоне температур, который составляет тысячные доли градуса для чистых кристаллов с малой концентрацией дефектов и десятые доли градуса — для поликристаллических твердых тел с высокой концентрацией дефектов (рис.
6.1). Значения температуры Т„, К, для различных сверхпроводников приведены ниже: Я,Ом Рис. 6.2. К пояснению эффекта Майснера: с — 7> г„р, 'б — 'Г< T„р вительно, при изменении В внешнего магнитного поля в сверх- проводнике появится ЭДС индукции, которая, согласно закону Ома, должна привести к появлению тока с бесконечной плотностью тока. Эти токи смогут полностью скомпенсировать в соответствии с правилом Ленца изменение внешнего магнитного поля, так что магнитное поле в сверхпроводнике не изменится.
При таком подходе нельзя объяснить отсутствие магнитного поля, а также выталкивание магнитного поля из сверхпроводника при его переходе из нормального состояния в сверхпроводящее. Таким образом, эффект Мейснера следует рассматривать как новое явление, которое нельзя объяснить с помощью закона электромагнитной индукции Фарадея. Сверхпроводники 1-го и 2-го рода. Рассмотренные выше сверхпроводники, в которых магнитное поле не проникает внутрь сверхпроводника, называют сверхпроводниками 1-го рода; к ним, в основном, относятся чистые металлы.
Существует большая группа сверхпроводников (сплавы, химические соединения и, в частности, высокотемпературные сверх- проводники), в которых внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводник, если напряженность магнитного поля меньше некоторого критического значения Н„ь Однако внешнее магнитное поле частично проникает в монолитный образец сверхпроводника, если его напряженность превышает Н„м. Такие сверхпроводники, называемые сверхлроводникачи 2-го рода, имеют два типа областей вытянутой формы: в область одного типа внешнее магнитное поле проникает, а в область другого типа — нет (рис. 6.3). 304 Причем магнитное поле проникает только в области трубчатой формы, сечения которых на рис. 6.3 заштрихованы.
Как при увеличении температуры, так и напряженности магнитного поля, относительный объем этих областей возрастает за счет уменьшения областей, находящихся в сверхпроводящем состоянии. Сверхпроводник 1-го рода принято называть идеальным диамагнетиком, Рис. 6.3.
Схема проникнопоскольку его отрицательная магнитная вения внешнего магнит- восприимчивость )( = — 1 и относитель- ного поля в сверхпроводная магнитная проницаемость р = О, ник 2-го рода Магнитный момент единицы объема такого сверхпроводника, называемый также намагниченностью, равен Бя 2= — Н о= Ио (6.1) Плотность свободной энергии взаимодействия сверхпроводника с внешним магнитным полем является положительной величиной: ХВО (ВО) ям г гр.о (6.2) В этом случае усиление внешнего магнитного поля приводит к увеличению общей энергии сверхпроводящего состояния по сравнению с нормальным, когда значения У и я„близки нулю. Таким образом, увеличение напряженности внешнего магнитного поля должно способствовать переходу сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное. Магнитный момент единицы объема сверхпроводника 2-го рода сложным образом зависит от напряженности внешнего магнитного поля (рис.
6.4). Из рисунка ясно, что участок (0-1) при 0< Н < Н, соответствует полному эффекту Мейснера и участок (1 — 2) при Н,р, < Н < Н, т — неполному эффекту Мейснера. В случае неполного эффекта Мейснера в сверхпроводнике существуют два типа областей. Один тип отвечает нормальному состоя- 305 о н„„н, н,н Рис. 6.4. Зависимость намагниченности сверхпроводников 1-го и 2-го рода от напряженности внешнего магнитного поля нию: в них магнитное поле проникает и магнитный момент близок нулю, как у обычных диамагнетиков. Другой тип областей находится в сверхпроводящем состоянии: в них магнитное поле ие проникает и магнитный момент компенсирует внешнее магнитное поле внутри них (см.
рис. 6.3). Эффект Мейснера можно наблюдать следующим образом. Пусть постоянный магнит парит над поверхностью сверхпроводника, находящегося в сверхпроводящем состоянии. Если сверх- проводник при нагреве перейдет в нормальное состояние, то магнит упадет на его поверхность. Если такой же магнит положить на поверхность сверхпроводника, находящегося в нормальном состоянии, то магнит останется на поверхности. При охлаждении сверхпроводника магнит поднимется и начнет парить над его поверхностью. Это явление объясняется тем, что магнитное поле магнита не может проникать в сверхпроводник, вследствие чего происходит взаимное отталкивание магнита и сверхпроводника с силой, достаточной для того, чтобы магнит мог парить над поверхностью сверхпроводника.
Глубина проникновения внешнего магнитного поля в сверхпроводннк. Более детальный анализ показывает, что магнитная индукция быстро уменьшается от значения вектора Во практически до нуля по экспоненциальному закону при проникновении внутрь сверхпроводника. Глубину )ь, на которой магнитная индукция убывает в е = 2,7 раз, называют глубиной проникновения внешнего магнитного поля в сверхпроводник. Эта величина мала и для разных сверхпроводников составляет приблизительно 2...60 нм.
Считают, что в слое этой толщины в сверхпроводнике и протекают 306 токи, обеспечивающие равенство нулю вектора В внутри сверхпроводника при изменении внешнего магнитного поля. гт ! / Отметим, что в приповерхностном слое намагниченность сверхпроводника меньше, чем во внутренних его обласи тях, в результате чего поверхностный У слой сверхпроводннка, согласно формуле (6.2), обладает меньшей свободной энергией взаимодействия с внешним Рнс.
6.5. Связь между векмагнитным полем, чем такой же объем торами плотности тока 7' сверхпроводника, в котором В = О. и напряженности Й внешВоздействии, разрушающие сверх- него магнитного поля проводимость. Сверхпроводник переходит из сверхпроводящего состояния в нормальное под влиянием нескольких факторов: 1 — повышения температуры; 2 — усиления внешнего магнитного поля; 3 — увеличения электрического тока, протекающего через сверхпроводник. Последний фактор в некоторой степени связан со вторым, поскольку увеличение тока, протекающего через сверхпроводник, согласно теореме о циркуляции вектора Й, ведет к усилению внешнего магнитного поля вокруг него, 2пгН =кг 7', где г — радиус проводника(рис. 6.5). г. Совместное воздействие перечисленных факторов облегчает разрушение сверхпроводящего состояния сверхпроводника.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
