Учебное пособие по материалке от Дистанционщиков (540408), страница 50
Текст из файла (страница 50)
Нитьпредставляет собой тонкую область нормальной фазы, ориентированной вдоль векторамагнитной индукции. Каждый вихрь содержит элементарный квант потока (флюксон)Φ0=πh/e=2.07·10-15 Вб. Отсюда следует, что величина фундаментального заряданосителей тока сверхпроводимости составляет 2е. Это хорошо согласуется спредставлением о парах Купера, лежащим в основе теории БКШ и состоящим в том, чтопара электронов с противоположно направленными спинами и волновыми векторамиобразуют единый элемент сверхпроводящей системы. Радиус вихря равен λ. В центревихря концентрация сверхпроводящих электронов равна нулю. Вихри образуютрегулярную решетку с распределением квантов потока по углам равностороннеготреугольника (абрикосовские вихри).При увеличении внешнего поля расстояние между вихрями уменьшается и приHC2 вихри перекрываются и сверхпроводник переходит в нормальное состояние (рис.9.7).Несмотря на высокие критические магнитные поля HC2 в сверхпроводникахвторого рода критические токи в смешанном состоянии чрезвычайно малы.
Это связанос тем, что под действием протекающего постоянного электрического тока вихрь, а затеми вся решетка вихрей начинают перемещаться по сверхпроводнику с определеннойскоростью. Движущийся магнитный поток приводит к появлению в нормальных областяхсверхпроводника электрического поля, т.е. превращению электрической энергии втеплоту, в результате чего температура образца может превысить критическую и онперейдет в нормальное состояние.Рис. 9.7.
Зависимость индукции от напряженностивнешнего магнитного поля:1 — сверхпроводник,2 — смешанное состояние,2 —нормальное состояниеЕсли в отсутствие какого-либо внешнего поля пропускать ток через провод изсверхпроводника круглого сечения, то этот ток генерирует магнитное поле наповерхности проводника, называемый током СилсбиΙкр=2πΗкр·r ,206где r- радиус провода, м; Ιк -критический ток, А; Ηкр− критическое поле; А/м.В нулевом или слабом приложенном магнитном поле критические токи могутбыть весьма значительными.
Например, в свинцовой проволоке диаметром 1 мм,охлажденной в жидком гелии до 4,2 К при Ηкр≈4,4·104 А/м в отсутствие внешнего поляпо проволоке может протекать без сопротивления ток до 140 А. Через сверхпроводникможно было бы пропускать очень большие токи, если бы не эффект экранирования, прикотором ток выталкивается в тонкий приповерхностный слой.Если перпендикулярно оси проволоки приложить магнитное поле, то критическийток проволоки можно вычислить складывая векторно внешнее магнитное поле с полемтранспортного тока на поверхности. В этом случае критический ток равенΙкр=2πr(Hс−2Ha),где Ha-напряженность приложенного внешнего магнитного поля.Обращаем внимание на то, что под критическим током понимается ток, прикотором сопротивление образца перестает быть равным нулю, а не как ток, при которомсопротивление восстанавливается полностью.Расчет критических токов в сверхпроводниках второго рода- сложная задачафизики сверхпроводников, которая содержит много различных аспектов, и поэтомуявляется предметом специального рассмотрения.
Читателей, желающих подробноознакомиться с этой проблемой, отсылаем к книге В.В. Шмидта «Введение в физикусверхпроводников», М.:2000. Мы же ознакомимся с постановкой задачи и некоторымиэлементами такого расчета.Выше мы уже говорили о том, что в сверхпроводниках второго рода магнитноеполе обычно сразу заполняет весь объем образца, т.е. образец может находиться всмешанномсостоянии.Есливтакомсверхпроводникевнаправленииперпендикулярном вихрям, идет транспортный ток, т.е.
ток созданный каким-товнешним источником, то на вихри действует сила Лоренца. Если бы сверхпроводникбыл идеальным, т.е. был бы совершенно однороден и бездефектен, то при любой скольугодно малой силе Лоренца, вихри бы начали двигаться под действием этой силы.Такое движение связано с диссипацией энергии. Следовательно, у абсолютнооднородного образца критический ток равен нулю.В реальных сверхпроводниках второго рода существуют разного вида дефекты —границы зерен, дислокации, поры и др., на которых вихри могут закрепиться (центрыпиннинга).
Для такого образца потребуется уже конечный транспортный ток для началадвижения вихрей. Этот ток создает такую силу Лоренца, действующую на вихри,которой достаточно для отрыва вихрей от центров пиннинга. Плотность тока, прикотором начинается этот процесс, называется критической плотностью тока jc.Величина критической плотности тока у некоторых сверхпроводников,предназначенных для исследования сверхпроводящих магнитов, может достигатьзначений 106 А/см2. Такого же порядка величины, до 5·106 А/см2 достигают критическиетоки при низких температурах в ряде ВТСП и в очень чистых кристаллах иттриевойкерамики Y−Ba−Cu−Ο.Высокие критические токи у сверхпроводников второго рода достигаются прижестком закреплении вихрей в объеме сверхпроводника на каких-либо центрахзакрепления (центры пиннинга).
Такими центрами могут быть дефекты решетки ипримеси. Такие жесткие сверхпроводники второго рода имеют очень большоезначение поля HC2 и часто называются сверхпроводниками третьего рода.Существенным недостатком жестких сверхпроводников является их хрупкость, сильнозатрудняющая изготовление из них проволок и лент.207Отметим, что критическая плотность тока может очень сильно (на несколькопорядков) меняться в результате термомеханической обработки. При этом критическаятемпература Тс и второе критическое поле Hc2 могут практически не измениться.
Спомощью металлургической обработки можно добиться существенного увеличениякритического тока. Например, проволоку из сплава Nb−Ti , используемую во многихсверхпроводящих устройствах, закаленную при 8000С подвергают кратковременному(порядка 30 минут) отжигу при температуре около 4000С. При этом сверхпроводящаяматрица распадается с выделением микроскопических включений несверхпроводящейα-фазы. В результате критический ток возрастает на несколько порядков.Для получения высоких значений критических токов у ВТСП часто используютметод облучения сверхпроводящих кристаллов тяжелыми ионами (например, свинца) сэнергией несколько ГэВ. Такие ионы, «прошивая» насквозь тонкие монокристаллы .создают так называемые колончатые дефекты — цилиндрические области диаметромпорядка 10 нм, в которых материал находится в нормальном состоянии.
В результатетакие дефекты увеличивают критический ток ВТСП -материаловСверхпроводники (классификация)Зависимость критического тока Jкр от напряженности магнитного поля Н припродольном приложении поля к проводнику, показана на рис. 9.8Рис. 9.8. Зависимость критического тока отнапряженности магнитного поля при продольномприложении поля к проводникуЭффект Мейсснера, обнаруженный в 1933г., состоит в вытеснении магнитногополя из объема сверхпроводящего тела или проводника.Поверхностный ток, занимая тонкий слой вблизи поверхности сверхпроводника,создает магнитное поле, уничтожающее внутри сверхпроводника внешнее магнитноеполе.
Поэтому формально сверхпроводник ведет себя как идеальный диамагнетик.Сверхпроводники первого, второго и третьего рода. Сверхпроводники первогорода — это чистые вещества, у которых наблюдается полный эффект Мейсснера (поляменьше 105 А/м). Сверхпроводники второго рода — это вещества, в которых эффектМейсснера проявляется частично (поля больше, чем 107 - 108 А/м). Магнитное поле вних распределено в виде отдельных нитей, а сопротивление равно нулю,К сверхпроводникам второго рода относятся в основном сплавы (из чистыхметаллов только ниобий, ванадий и технеций). Сверхпроводники третьего рода - это"жесткие" сверхпроводники в основном сплавы и химические соединениясверхпроводнков 2-го рода, содержащие дефекты структуры, служащие местамизакрепления вихрей (центров пининга).
Вихрь — это область сверхпроводника, в208которую проникает внешнее магнитное поле. Каждый вихрь - это элементарный квантмагнитного потока. Вихри образуют симметричную решетку, которая при жесткомзакреплении обеспечивает у сверхпроводников 3-го рода возможность получениябольших критических токов. Например, в проводнике из станнида ниобия Nb3Sn в поляхс В=10 Тл плотность тока может быть более 109 А/м2.Сверхпроводники 1-го рода могут существовать в сверхпроводящем илинормальном состоянии, а сверхпроводники 2-го рода в одном из трех состояний — всверхпроводящем, смешанном или нормальном. Сверхпроводящие вихри, как показанона рисунке, окружают сердцевины с нормальной проводимостью. Вертикальные линии— пронизывающие сердцевины магнитный поток.
Поверхностный ток обеспечиваетобщий диамагнетизм сверхпроводника.Рис. 9.9. Смешанное состояние в сверхпроводникеТемпературы перехода некоторых сплавов и химических соединенийСоединениеNb3GeNb3SnV3GaNbRu3Ткр, К23.218.516.8 – 14.215 - 16СоединениеNbNLiTiO4MoNNbSe2Ткр, К17.313.713 – 14.87.0На рисунке показаны фазовые диаграммы сверхпроводников 1-го и 2-го рода.Рис. 9.9.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
