yavor2 (553175), страница 68
Текст из файла (страница 68)
Это и приводит к хорошо подт. верждающейся на опыте зависимости электропроводностн у„„„, от температуры (у„,„, 1/Т). При очень низких температурах средняя длина свободного пробега обратно пропорциональна пятой степени температуры,) (г) 1/Т». Поэтому, в согласии с опытами, удельное сопротивление чистых металлов при сверхнизких температурах прямо пропорционально пятой степени температуры (р = = 1/у; у 1/Ть и р Т«) й 75.10.
Явление сверхпроводимости 1. Установлено, что при температуре Тла ж 4,2 К электрическое сопротивление очищенной ртути резко падает до нуля (рис. 75.11). Электрический ток, индуцированный в ртутном проводнике, сохраняется при Т( 4,2 К неизменным сколь угодно дли- тельное время. Это явление было Ъ т названо сверхпроводимостью. 4 Нд Температура Т„„, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, называется критической температурой перехода. Для различ- И 7 ных металлов и сплавов значение Таа варьируется от менее 1 К до примерно 20 К.
В табл. 75.1 приведены критино д в в н ческие температуры перехода неко- торых сверхпроводящих химических Ряс. 75.11. элементов и сверхпроводящих соеди- нений. Химические элементы, обладающие свойством сверхпроводимости, расположены в средней части периодической системы Менделеева. При обычных температурах они, как правило, имеют более низкую электропроводность, чем несверхпроводящие металлы. 2. Критическая температура перехода элементов зависит от их изотопного состава Ц 80.1). Как правило, температура Т„, убывает с ростом среднего атомного веса элемента, состоящего из нескольких изотопов. Введение в чистый сверхпроводящий металл примесей, различные искажения решетки металла оказывают лишь влияние на резкость перехода в состояние сверхпроводимости, но не уничтожают сам переход.
Это указывает на то, что при переходе в сверхпроводящее состояние электроны перестают взаимодействовать с кристаллической решеткой металла. 3. Ниже температуры Т„, когда существует сверхпроводящее состояние проводника, его можно разрушить при Т=сопз! наложением достаточно сильного магнитного поля.
Поле может быть Таблица 75.1 310 либо внешним, либо может быть создано током, текущим по самому проводнику. При любой температуре Т < Т р существует некоторое минимальное значение Нна напряженности магнитного поля, достаточное для разрушения сверхпроводящего состояния. Величина Н, называется критической напряженностью. С понижением темйературы проводника Ннп увеличивается. На рис.
75.12 изображены кривые зависимости сопротивления образца, изготовленного из белого олова, от напряженности Н при различных температурах. 4. При Т =Т„р сверхпроводящнй проводник, помещенный в магнитное поле, выталкивает из себя магнитный поток. Зто явление называется яффгктол Майснера. ?!а рис. 75.13, а изобрагкен поток магнитной индукции, пронизывающий проводник в обычном состоянии.
На рнс. 75.13, б магнитный поток выталкивается из проводника, находящегося в сверхпроводящем состоянии. Магнитная нндукция В внутри сверхпровадника равна нулю. Зта справедливо только для полей более слабых, чем критическое поле. При этом проводник ведет себя как идеальный диамагнетик с магнитной восприимчивостью и =- — 1 !442.4).
действительно, при этом значении хм магнитная проницаемость р=! +к = О и В=- рз!лН=-О. В В лги,ллг аз д! Рис. 75.!3. Рнс. 75.!2. В реальных сверхпроводниках существует некоторая глубина, на которую магнитное поле все же проникает. Она зависит от температуры и геометрической формы образна. При температурах, которые на 1 — 2 К ниже Т„„, поле проникает в сверхпроводиикн на глубину порядка 10-з см. Поэтому очень тонкие сверхпроводящие пленки — толщиной 1О-' см н меньше — не являются идеальными диамагнетиками: магнитное пеле в них нигде не равно нулю. 5.
При переходе в сверхпровадящее состояяие изменяются тепловые свойства вещества. Например, в отсршствпг магнитного поля при температуре Т„р скачкообразно изменяется теплоемкость. Если поле существует, то изотермический переход из сверхпроводящего состояния в нормальное сопровождается резким изменением теплоемкости и поглощением тепла, а обратный переход — выделением тепла. Кроме того, при этом скачкообразно нзь|еняется тсплопроводпость вещества. Перечисленные экспериментальные факты легли в основу тгдмодинамичггкой теории гагрхлрогодпмогюи, в создание которой решающий вклад внесли академики Л. Д. Ландау и В.
Л. Гинзбург. В этой теории сверхпроводящее и нормальное состояние рассматриваются как две различные фазы вещества. При определенных значениях параметроп состояния — температуры Т и напряженности магнитного поля Н вЂ” эти фазы переходят друг в друга. 6. Термодинамическая теория сверхпроводимости, позволившая формально объяснить основные экспериментальные факты, не могла, естественно, вскрыть природу явлеиня сверхпроводимости. Зто было сделано сравнительно недавно в квантовой теории электрических сиойста твердых тел.
Современная теория сверх- 311 проводимости разработана Бардиным, Купером и Шлиффером, а также академиком Н. Н. Боголюбовым. В 1950 г. былавысказана идея атом, что при некоторых условиях взаимодействие электронов с фононами 6 45.3) может явиться причиной перехода в сверхпроводнщее состояние. Лево н том, что рассеяние электронов иа фоионах приводит к возникновению обменного взаимодействия (4 74.3) между самимц электронами, которое имеет специфическую кваитовомеханнческую природу и состоит н нх взаимном притяжении. Математическое решение этой весьма сложной задачи было дано в 1957 г. Н.
Н. Боголюбовым. Оказалось, что обменное взаимодействие особенно велико для пар электронов, имеющих протнвоположныс спины и импульсы. Прн некоторых условиях взаимное притяжение между такими электронами может значительно превышать нх электростатическое отталкивание. Благодаря этому сильному взаимодействию электроны проводимости в металлах образуют связанный коллетпив, который нв можят отдавтпв энергию малыми лорцияни.
Прн этом соударения с узлами решетки ие изменяют энергию электронов проводимости, и металл ведет себя как идеальный сверхпроводник с нулевым удельным сопротивлением. Лля того чтобы нарушить снязь какого-либо электрона с другими электронами коллектива, необходимо затратить энергию, соответствуккцую средней энергии тепловых колебаний узлов решеткипри температуре перехода Твр. Поэтому при Т) Тврсверхпроводящее состояние существовать не может. Последовательное проведение этих идей позволило создать теорию сверхпроводимости, в которой нашли свое объяснение исе свойства снерхпроводииков, в частности, магнитные и тепловые.
Найденные теоретическим путем зависимость температуры от изотопного состава металлов и зависимость напряженности критического магнитного поля от температуры хорошо согласуются с экспериментальными данными. Теоретически получены критерии того, что в системе взаимодействующих электронов могут возникать связанные состояния и будет существовать сверхпроводимость.
7. Явление сверхпроводимости получило разнообразные применения в науке и технике. Возможность получить большие токи от источника с малым напряжением при отсутствии потерь на джоулево тепло используется в измерительной технике. Например, гальванометр с рамкой из сверхпроводника имеет огромную чувствительность порядка 1О " В. Возможность лри помощи магнитного поля переводить проводник в сверхпроводящее состояние и обратно„в нормальное, используется для усиления весьма малых постоянных токов и напряжений.
При этом слабый постоянный сигнал подается на сверхпроводник, находящийся в переменном магнитном поле. Напряженность магнитного поля подбирается такой, чтобы проводник попеременно переводился в сверхпроводящее состояние и обратно. В результате получается переменный ток, частота которого совладает с частотой магнитного поля. Дальнейшее усиление этого тока производится обычным способом. Для создания резонаторов высокой добротности (9 51.6) с малым затуханием колебаний стенки резонаторов могут быть изготовлены из сверхпроводящих материалов, обеспечивающих малое сопротивление и малое затухание.
Явление сверхпроводимости используется для получения весьма сильных магнитных полей. Для этого обмотки электромагнита должны быть изготовлены из сверхпроводящей проволоки, изготовленной из сверхпроводящих сплавов с большим значением критической напряженности Н„р.
В таких обмотках может быть создана огромная плотность токов, и, соответственно, электромагнит будет иметь 3!2 сильное магнитное поле. Современные обмотки соленоидов, изготовленные из сверхпроводящих сплавов, позволяют получать магнитные поля с индукцией более 10 Т. Такие соленоиды не рассеивают мощности, в то время как при обычных медных обмотках при магнитном поле 10 Т выделяется огромное количество тепла. На принципе разрушения сверхпроводящего состояния магнитным полем основано создание переключающих устройств, называемых криотронами.
Пленочные криотроны, имеющие весьма малые габариты, переключаются за 1О-' — 10 " с. На основе явления сверхпроводимости создаются элементы памяти счетно-решающих устройств. Идея таких элементов, изготавливаемых из сверхпроводящих пленок, состоит в том, что ток, наведенный в сверхпроводящем кольце, хранится без затухания очень долго.
Серьезные трудности практического использования сверхпроводимости связаны с тем, что необходимо работать в области сверхнизких температур. Создание сверхпроводящих материалов с высокой, например комнатной, температурой перехода в сверхпроводящее состояние создаст новые огромные возможности применения явления сверхпроводимости в различных областях науки и техники. ГЛАВА 76 ЭЛЕМЕНТЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ КРИСТАЛЛОВ $76.1.
Понятие о зонной теории твердых тел 1. В предыдущей главе, рассматривая электропроводность металлов, мы считали, что движение электронов в металлах является свободным движением внутри «потенциального ящика» с плоским дном. Этому соответствовало предположение о том, что потенциальная энергия электронов в металле везде одинакова. В действительности дело обстоит значительно сложнее. Помимо свободных электронов в металле имеются положительные ионы.
Ионы создают внутри металла электрическое поле, влияющее на движение свободных электронов. 2. Положительные ионы расположены в узлах кристаллической решетки строго упорядоченно. Расстояния между ионами по осям х, у и г равны, соответственно, периодам решетки по этим направлениям. Электрическое поле, которое создают ионы, закономерно изменяется внутри кристалла. Оно является периодической функцией координат х, у, г. Поэтому потенциальная энергия электронов в металле не постоянна, а периодически изменяется, зависит от их координат.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
