[5] Сверхпроводники (Материалы с сайта Арсеньева)
Описание файла
Документ из архива "Материалы с сайта Арсеньева", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "материалы и элементы электронной техники" из 6 семестр, которые можно найти в файловом архиве НИУ «МЭИ» . Не смотря на прямую связь этого архива с НИУ «МЭИ» , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "остальное", в предмете "материалы и элементы электронной техники" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "[5] Сверхпроводники"
Текст из документа "[5] Сверхпроводники"
5.2. Основные параметры сверхпроводящих материалов
5.2.1. Сверхпроводящее состояние материалов
С
верхпроводимость (СП)—свойство материалов, выражающееся в том, что их электрическое сопротивление постоянному току обращается в нуль скачком при охлаждении ниже определенной критической температуры Tс. Скачкообразное падение сопротивления до нуля ртути при понижении температуры до 4,15 К впервые обнаружил голландский физик Камерлинг-Оннес в 1911 г. (рис. 5.2.1).
Рис.5.2.1. Переход ртути из нормального состояния в сверхпроводящее.
Отсутствие сопротивления в сверхпроводящем состоянии приводит к возникновению незатухающих токов в замкнутом СП кольце, т.е. к отсутствию диссипации энергии. Отметим, что если ток со временем затухает, то сопротивление не исчезло полностью. Определив время затухания тока в образце, можно рассчитать сопротивление образца по формуле I(t)=I0e-Rt/L, где L — индуктивность образца. Измерения тока можно проводить обычными приборами для измерения токов или использовать специальное чувствительное устройство, состоящее из двух СП колец, одно из которых неподвижно, а второе укрепляется на торсионном подвесе. В обоих СП кольцах индуцируются незатухающие токи (например, подносится постоянный магнит). Определив по углу закручивания нити вращающий момент, возникающий при взаимодействии токов в СП кольцах, можно определить время затухания тока и сопротивление образца. Подобные измерения показали, что в СП состоянии материал, например, может обладать удельным сопротивлением на 17 порядков меньше удельного сопротивления меди. Время, требуемое для полного затухания тока в таком СП состоянии, составляет не менее 105 лет. По последним данным электропроводность сверхпроводников на постоянном токе составляет не менее 1025Ом-1м-1.
Камерлинг-Оннес вместе с сотрудниками установил, что существует критическое магнитное поле (Вс), выше которого СП состояние разрушается. При Т = 0 электропроводность бесконечно велика только до некоторой предельной частоты электрического тока, а при конечной температуре (ниже Тс) небольшие потери существуют на переменном токе на всех частотах. Для большинства СП материалов СП полностью исчезает при частотах, превышающих 109 Гц.
В 1933 г. В. Мейсснер и Р. Оксенфельд показали, что СП состояние обладает еще одним важным свойством: независимо от условий проведения эксперимента (т.е. независимо от того, было ли магнитное поле включено до или после перехода материала в СП состояние) магнитное поле всегда выталкивается из объема сверхпроводника. Это явление получило название эффекта Мейсснера—Оксенфельда. В СП магнитная индукция В = 0, магнитная проницаемость =0, а магнитная восприимчивость =-1, т. е. СП является «идеальным диамагнетиком». Эффект Мейсснера можно продемонстрировать на опыте с «парящим магнитом». В СП чашечку при Т>Тс кладется постоянный магнит, а затем охлаждается вся система. При переходе в СП состояние произойдет выталкивание магнитного потока из сверхпроводника, магнит будет отталкиваться от СП и поднимется на некоторую высоту. Качественное объяснение эффекта Мейсснера состоит в том, что при В< Вс в приповерхностном слое сверхпроводника появляется круговой незатухающий ток такой величины, что магнитное поле этого тока компенсирует внешнее поле в объеме СП. Взаимодействие этого тока и внешнего магнитного ноля постоянного магнита приводит к тому, что магнит отталкивается от СП как от диамагнетика.
Магнитное поле не может быть вытеснено из всего объема СП вплоть до самой поверхности, так как это означало бы, что на поверхности индукция магнитного поля скачком падает от В до 0. Чтобы обеспечить такой скачок поля, необходимо иметь на поверхности бесконечную плотность тока, что невозможно. Существует верхний предел тока в СП, называемый критическим током (Iс). Для классических СП значения критической плотности тока jc составляют 1010 — 1011 А/м2, для современных ВТСП — 107—Ю10 А/м2, Исчезновение СП свойств при пропускании через СП достаточно сильного электрического тока связано с действием на СП магнитного поля этого тока, разрушающего СП состояние (В> Вс) (объяснение этого эффекта дано в п.5.2.5).
Существование эффекта Мейсснера в СП позволяет рассматривать их как предельный случай диамагнетика, а не как предельный случай проводника с бесконечно большой электропроводностью. Повеление идеального проводника в магнитном поле существенно отличается от поведения СП. Если внести идеальный проводник в магнитное поле, в нем будут наводиться поверхностные токи, которые начнут противодействовать внешнему полю (согласно закону электромагнитной индукции). Однако если внести проводник в магнитное поле до того, как он станет «идеальным», т.е. при Т>Тс., то магнитное поле не изменится при охлаждении проводника до Tс (нет наведенных токов, так как нет изменений магнитного потока). При выключении магнитного поля должны возникнуть незатухающие токи, которые будут поддерживать магнитное поле согласно правилу Ленца. Таким образом, состояние охлаждаемого «идеального» проводника будет зависеть от предшествующих состояний и переход от нормального состояния проводника к «идеальной проводимости» будет необратимым.
Совершенно иная ситуация возникает в СП. Выталкивание магнитного потока имеет место и при охлаждении образца до Тс в магнитном поле, и при включении магнитного поля уже после того как образец был охлажден до Тс, что объясняется возникновением в приповерхностном слое кругового незатухающего тока такой величины, что магнитное поле этого тока компенсирует внешнее поле в объеме СП, Выключение внешнего поля наводит ток противоположного направления, который полностью компенсирует первоначальный ток: исчезновение тока имеет место и при нагреве образца до Т>Тс. Благодаря эффекту Мейсснера переход между сверхпроводящим и нормальным состояниями является обратимым.
В то же время следует отметить, что представление СП о качестве «идеального диамагнетика» является относительным. Точнее было бы назвать СП квазидиамегнетиком. Равенство нулю магнитного поля в объеме СП обусловлено тем, что в СП внешнее магнитное поле экранируется поверхностными макротоками, возникающими в СП при включении магнитного поля или при охлаждении СП в магнитном поле до Tс. В «идеальном» же диамагнетике В=0 потому, что во всем объеме индуцируются диамагнитные моменты, обусловленные микротоками, направленные противоположно внешнему полю (вектор намагниченности J=-Н).
5.2.2. Применения сверхпроводников. Открытие высокотемпературных сверхпроводников
В настоящее время проектируются и уже работают сверхпроводящие электромагниты (соленоиды) на основе низкотемпературных СП. Такие соленоиды со СП обмоткой позволяют получать сильные однородные магнитные поля в довольно больших объемах В20—30 Т). Такие магниты применяют для научных исследований в области физики твердого тела, для исследования структуры органических молекул в биологии, в физике высоких энергий. В современных ускорителях элементарных частиц используют СП магниты. Сверхпроводники можно использовать для создания сверхпроводящих электродвигателей мощностью в несколько мегаватт, для накопителей энергии, магнитных сепараторов, магнитной подвески поездов, для управляемых термоядерных реакций, для создания магнитных экранов. Представляется особо перспективным применение сверхпроводящих кабелей для передачи электрической энергии. При использовании сверхпроводников в указанных областях науки и техники требуются высокие критические параметры Нс и jc, так как значения токов, протекающих по СП, могут быть велики (это так называемая силовая сверхпроводниковая техника). Но СП могут использоваться и в слаботочной измерительной технике и микроэлектронике. На основе СП созданы квантовые интерференционные магнитометры — СКВИДы (сокращенно по первым буквам английского названия), используемые для измерения очень слабых магнитных полей: В10-15Т. СП используют в качестве приемников СВЧ-излучения. Это болометры и приборы, в которых использован эффект Джозефсона. Задачей СП микроэлектроники (ила СП криоэлектроники) является разработка приборов малой мощности и способов их интеграции в микросхемы. Наиболее перспективным является одновременное применение в микросхемах сверхпроводников и полупроводников. Интенсивное развитие СП микроэлектроники возможно только при создании СП пленочных материалов с высокими значениями критической температуры.
Ограничения применения СП в силовой технике до настоящего времени также были связаны главным образом с низкими значениями Тс, для получения которых был использован дорогостоящей жидкий гелий. Другими ограничениями являются невысокие критические магнитные поля и токи для большинства известных СП материалов. Поэтому усилия исследователей в течение нескольких десятилетий были направлены на повышение критических параметров, прежде всего Тс.
Таблица 5.2.1
Параметра ВТСП
Соединение | Тс,К | -dBc/dT, T/K TTc | Bc2c T, K |
YBa2Cu3O7 | 91 | 165 | 230 |
Bi2Sr2CaCu2O7 | 81 | 400 | |
Bi2Sr2CaCu2O7 | 125 | 130 |
С открытием ВТСП на основе соединений в системах La—Сu—О(Tc,=35 К) и La—Ва—Сu—0(Tc=92 К) (1986-1987 гг.) начался новый этап интенсивных исследований в области сверхпроводимости. Удалось повысить Тc до 110 К в системе Bi— Sr—Са—Сu—О и до 125 К в системе TI—Са—Ва—Сu—О. Для ВТСП характерны и довольно высокие верхние критические поля (Bc2 100—200Т), соответствующие полному переходу в нормальное состояние, однако нижние критические поля, соответствующие, началу перехода из СП в нормальное состояние, малы— Bc1 10-2Т (табл. 5.2.1).
Низкие Вc1, а также низкие критические токи (плотность тока jc. 107—108А/м2 для керамических образцов) пока ограничивают их применение в энергетике. В настоящее время исследователи в разных странам ведут поиск новых материалов, имеющих высокие критические параметры, одновременно высокие и Тс и Вс и jс. Основной задачей является получение монокристаллических и текстурированных ВТСП материалов (для которых величина jс выше, см. п. 5.2.4) достаточно больших размеров и обладающих хорошими механическими характеристиками.
Максимальная критическая плотность в керамическом СП проводе в настоящее время составляет 4*10 А/м2 при 77 К. На пленочных образцах YBa2Cu3O7 плотность тока достигает 1010 А/м2 (в направлении, перпендикулярном оси с), что уже приемлемо для практического использования.
Если использование ВТСП в энергетике — дело будущего, то в криоэлектронике ВТСП уже успешно применяются. В 1987 г. на основе ВТСП керамики были созданы СКВИДы, работающие при 77 К, чувствительность их ниже чувствительности таких приборов при 4,2 К, (из-за тепловых шумов при 77 К), однако достаточна для многих измерений. На основе ВТСП созданы магнитные, экраны, работающие при температуре жидкого азота. Экранировка исследуемого объекта от внешних магнитных полей достигает 107. На основе тонкопленочных ВТСП разрабатываются различные приемники СВЧ-излучения.
5.2.3. Квантовая природа сверхпроводящего состояния. Микроскопическая теория сверхпроводимости