Сверхпроводимость

             Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский федеральный университет

Кафедра истории России

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доклад

на тему: «Сверхпроводимость»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Студент группы ФТ-120701 

Озорнин Станислав

Проверила:

Белых Татьяна Аркадьевна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г.Екатеринбург

2012

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ .

 

Сверхпроводимость - физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ (сверхпроводников), при охлаждении их ниже определенной критической температуры, и состоящее в обращении в  нуль электрического сопротивления постоянному току и выталкивания магнитного поля из объема образца (эффект Мейснера).

 

Явление открыто в 1911 г. Х. Каммерлинг-Оннесом. Оннес хотел выяснить, сколь малым может стать сопротивление вещества электрическому току, если максимально очистить вещество от примесей и максимально снизить температуру. Изучая температурный ход электросопротивления ртути, он обнаружил, что при температуре ниже 4,17 К ртуть практически теряет сопротивление. (Рис. 1)

 

(Рис. 1)

 

Следующее важное открытие было сделано в 1933 немецким физиком В.Мейсснером и его сотрудником Р.Оксенфельдом. Они обнаружили, что если цилиндрический образец поместить в продольное магнитное поле и охладить ниже температуры перехода, то он полностью выталкивает из себя магнитный поток. Эффект Мейсснера, как назвали это явление, был важным открытием, поскольку благодаря ему физикам стало ясно, что сверхпроводимость — квантово-механическое явление. Если бы сверхпроводимость заключалась только в исчезновении электрического сопротивления, то ее можно было пытаться объяснить законами классической физики.

             

ТЕОРИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ.

 

   Оказалось, что при крайне низких температурах целый ряд веществ обладает сопротивлением. Твердое тело, проводящее электрический ток, представляет собой кристаллическую решетку, в которой могут двигаться электроны. Если проводник находится в нормальном (несверхпроводящем) состоянии, то каждый электрон движется независимо от других.

 

        Способность любого электрона перемещаться и, следовательно, поддерживать электрический ток ограничивается его столкновениями с решеткой, а также с атомами примесей в твердом теле. Чтобы в проводнике существовал ток электронов, к нему должно быть приложено напряжение; это значит, что проводник имеет электрическое сопротивление. Если же проводник находится в сверхпроводящем состоянии, то электроны проводимости объединяются в единое макроскопически упорядоченное состояние, в котором они ведут себя уже как "коллектив"; на внешнее воздействие реагирует также весь "коллектив". Столкновения между электронами и решеткой становятся невозможными, и ток, однажды возникнув, будет существовать и в отсутствие внешнего источника тока (напряжения). Сверхпроводящее состояние возникает скачкообразно при температуре, которая называется температурой перехода. Выше этой температуры металл или полупроводник находится в нормальном состоянии, а ниже ее — в сверхпроводящем.

 

БКШ

При сверхнизких температурах тяжелые  атомы металлов практически не колеблются в силу их низкого теплового движения, и их можно считать фактически стационарными. Поскольку любой металл только потому и обладает присущими металлу электропроводящими свойствами, что отпускает электроны внешнего слоя в «свободное плавание» мы имеем, что имеем: ионизированные, положительно заряженные ядра кристаллической решетки и отрицательно заряженные электроны, свободно «плавающие» между ними. И вот проводник попадает под действие разности электрических потенциалов. Электроны — волей или неволей — движутся, будучи свободными, между положительно заряженными ядрами. Всякий раз, однако, они вяло взаимодействуют с ядрами (и между собой), но тут же «убегают». Однако, в то самое время, пока электроны «проскакивают» между двумя положительно заряженными ядрами, они как бы «отвлекают» их на себя. В результате, после того как между двумя ядрами «проскочил» электрон, они на недолгое время сближаются. Затем два ядра, конечно же, плавно расходятся. Тут самое важное — понять: благодаря тому, что один электрон «проскакивает» между атомами, он, тем самым, создает благоприятные энергетические условия для продвижения еще одного электрона. В результате электроны перемещаются внутри атомно-кристаллической структуры парами

 

 Сверхпроводимость исчезает под действием следующих факторов:

1) повышение температуры;

2) действие достаточно сильного  магнитного поля;

3) достаточно большая плотность  тока в образце;

 

С повышением температуры до некоторой T_с почти внезапно появляется заметное омическое сопротивление. Переход от сверхпроводимости к проводимости тем круче и заметнее, чем однороднее образец (наиболее крутой переход наблюдается в монокристаллах).

 

             Переход от сверхпроводящего состояния в нормальное можно осуществить путем повышения магнитного поля при температуре ниже критической T_с. Минимальное поле B_с, в котором разрушается сверхпроводимость называется критическим магнитным полем. Зависимость критического поля от температуры описывается эмпирической формулой.

В_с = B₀ [1 - (T/T_с)²],

где В₀ - критическое поле, экстраполированное к абсолютному нулю температуры.

 

         Повышение силы тока также приводит к исчезновению сверхпроводимости, то есть при этом понижается T_с. Чем ниже температура, тем выше та предельная сила тока I_t при которой сверхпроводимость уступает место обычной проводимости.

 

Сверхпроводники первого рода.

 

 

 К сверхпроводникам I рода относятся все чистые металлы, за исключением ниобия, ванадия и технеция. Отличительной особенностью сверхпроводников первого рода является то, что проникновение в них магнитного поля происходит до тех пор, пока напряженность поля не превысит некоторого значения  .

Полное экранирование внутреннего  поля сверхпроводников первого рода от внешнего поля (эффект Мейснера) происходит во всей области существования сверхпроводимости. Если же внешнее поле меньше критического  , то образец возвращается в нормальное состояние, и имеет место полное проникновение поля внутрь образца. При этом сверхпроводимость утрачивается скачком. Фазовый переход из несверхпроводящего в сверхпроводящее состояние характеризуется тем, что в энергетическом спектре электронов проводимости появляется щель конечной ширины. Поэтому говорят о щелевом характере энергетического спектра электронов проводимости в сверхпроводнике первого рода.

 

 

Сверхпроводники второго  рода.

 

Сверхпроводники II рода характеризуются тем, что в них существует два критических поля. При поле меньше нижнего критического   магнитный поток не проникает в сверхпроводник. Если поле повышать до верхнего критического  , то при переходе через него образец переходит в нормальное состояние, и поле полностью проникает в него (т. е. образец становится обычным проводником). При средних значениях поля имеет место частичное проникновение поля в образец (смешанное состояние, или фаза Шубникова). 

 

Рис. 12.6. I – сверхпроводящее состояние; II – смешанное состояние; III –  нормальное состояние

 

 

Критическое поле   определяет разность удельных свободных энергий сверхпроводящей и нормальной фаз. Существование для сверхпроводника критического поля приводит к невозможности прохождения тока, плотность которого больше некоторого критического значения. Если этот порог преодолен, то сверхпроводимость разрушается.

 

 

Высокотемпературная сверхпроводимость.

 

Рассмотренный ранее маханизм перехода в сверхпроводящее состояние  основан на межэлектронном взаимодействии посредством кристаллической решетки, то есть засчет обмена фононами. Как показывают оценки, для такого механизма сверхпроводимости, называемая фононным, максимальная величина критической температуры не может превышать 40 К.

 

В основе теоретической  модели высокотемпературной сверхпроводимости, разработанной академиком В.Л.Гизбургом, лежит так называемый экситонный механизм взаимодействия электронов. Дело в том, что в электронной системе существуют особые волны - экситоны. Подобно фононам они являются квазичастицами, перемещающимися по кристаллу и не связанными с переносом электрического заряда и массы. Модельный образец такого сверхпроводника представляет собой металлическую пленку в слоях диэлектрика или полупроводника. Электроны проводимости, движущиеся в металле, отталкивают электроны диэлектрика, то есть окружают себя облаком избыточного положительного заряда, который и приводит к образованию электроной пары. Такой механизм корреляции электронов предсказывает весьма высокие значения критической температуры (Т_c=200 К).

 

 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ.

 

С 1911 по 1986 было исследовано очень  много сверхпроводящих металлов и сплавов, но наивысшая измеренная температура перехода составляла 23,2 К. Для охлаждения до такой температуры  требовался дорогостоящий жидкий гелий (4Не). Поэтому наиболее успешные применения сверхпроводимости оставались на уровне лабораторных экспериментов, для которых не требуется больших количеств жидкого гелия.

 

Следующее практическое применение сверхпроводимости  относится к технике чувствительных электронных приборов.

Техника сверхпроводимости и особенно контакты Джозефсона оказывают все большее влияние на метрологию. С помощью джозефсоновских контактов создан стандарт 1 В. Был разработан также первичный термометр для криогенной области.

Сверхпроводимость будет широко использоваться в компьютерных технологиях. Здесь сверхпроводящие элементы могут обеспечивать очень малые времена переключения, ничтожные потери мощности при использовании тонкопленочных элементов и большие объемные плотности монтажа схем. Разрабатываются опытные образцы тонкопленочных джозефсоновских контактов в схемах, содержащих сотни логических элементов и элементов памяти.

 

Наиболее  интересные возможные промышленные применения сверхпроводимости связаны  с генерированием, передачей и  использованием электроэнергии. Например, по сверхпроводящему кабелю диаметром несколько дюймов можно передавать столько же электроэнергии, как и по огромной сети ЛЭП, причем с очень малыми потерями или вообще без них.

 

Еще одно возможное  применение сверхпроводников — в  мощных генераторах тока и электродвигателях малых размеров. Обмотки из сверхпроводящих материалов могли бы создавать огромные магнитные поля в генераторах и электродвигателях, благодаря чему они были бы значительно более мощными, чем обычные машины.

Инженеры  давно уже задумывались о том, как можно было бы использовать огромные магнитные поля, создаваемые с помощью сверхпроводников, для магнитной подвески поезда (магнитной левитации). За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд двигался бы плавно, без шума и трения и был бы способен развивать очень большие скорости.

Учебный фильм 

Данный опыт основывается на эффекте  Мейнснера, магнитной левитации  и зависании и на эффекте захвата  магнитного потока. Мы имеем черный высокотемпературный сверхпроводник. При обычных условиях сверхпроводник ведет себя как камень и не взаимодействует с железом. Также в нашем распоряжении сильный магнит. Добавляем к сверхпроводнику жидкий азот. Его температура -196 градусов по Цельсию. Жидкость вокруг сверхпроводника начинает закипать, благодаря теплу, которое жидкий азот получает от сверхпроводника Жидкий азот переходит в газообразный и температура сверхпроводника постепенно падает. Спустя промежуток времени наступает тепловое равновесие между азотом и сверхпроводником. Это показывает, что температура ниже, чем критическая температура сверхпроводимости. Следовательно проводник приобретает свойства сверхпроводимости. После того, как сверхпроводник достиг свойств сверхпроводимости, и магнит поднесли к сверхпроводнику сверхпроводник начал отталкиваться от магнита. Такое явление называется эффект Мейнснера Теперь расположим магнит над сверхпроводником и запрепим его там, хорошенько надавив. Магнитное поле излучаемое магнитом пойдет через сверхпроводник, вызывая эффект захвата магнитного потока. Теперь магнит и сверхпроводник не только отталкиваются, но и притягиваются Такая комбинация отталкивающей и притягивающей силы позволяет магниту зависнуть над сверхпроводником. Это называется магнитная левитация. Когда мы поднимаем магнит, сверхпроводник поднимается вместе с ним. Это явление называется магнитная подвеска. Если же повысить температуру сверхпроводника, то он потеряет свойства сверхпроводимости, а следовательно, магнитная левитация прекратится.