Сверхпроводимость. 2

МОСКОВСКИЙ ГОРОДСКОЙ  УНИВЕРСИТЕТ УПРАВЛЕНИЯ ПРАВИТЕЛЬСТВА  МОСКВЫ

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра информатики и информационных систем

Направление         «Информационные системы»

Форма обучения   очная

Реферат

по учебной дисциплине

«Физика»

на тему: «Сверхпроводимость»

Группа / курс            Информационные системы / 2

                                       (подпись)                                               (фамилия, инициалы)

Подпись

руководителя о

                                        (подпись)                             (учёная степень, звание, фамилия, инициалы)

Оценка               ______________

2011

Содержание

Введение 3

Явление сверхпроводимости 4

Свойства  сверхпроводников 6

Эффект Мейсснера 8

Квантовая основа 10

Высокотемпературная сверхпроводимость 13

Сверхпроводники I и II рода 14

Применение  сверхпроводников 17

Заключение 23

Список используемой литературы 24

Введение

Сверхпроводимостью называют необычное сочетание свойств  некоторых материалов, проявляющихся  при низких температурах. Главным  из этих свойств является практически  полное исчезновение электрического сопротивления  у многих металлов и сплавов, при  их охлаждении до температуры ниже некоторого уровня, называемого критическим.

Благодаря этому обстоятельству особое внимание к изучению свойств сверхпроводящих материалов проявляют разработчики самых разнообразных электротехнических устройств, которые находит применение в технике физического эксперимента, в медицине, энергетике, транспорте, в других отраслях науки и техники. Отсутствие электрического сопротивления и соответственно отсутствие потерь энергии при протекании электрического тока по сверхпроводникам позволяет достичь уникальных техническо-экономических характеристик устройств, которые являются абсолютно недостижимыми при использовании проводников, традиционно применяемых в электротехнике – меди, алюминия.

Главным ограничителем на пути более широкого и более быстрого распространения применения сверхпроводников является необходимость их охлаждения до низких температур. На сегодняшний день принято разделять все сверхпроводящие материалы на две большие группы. Первая из них – низкотемпературные сверхпроводники, обладающие свойством сверхпроводимости при температурах в диапазоне от долей градуса Кельвина

до приблизительно 20°  К. У сверхпроводников второй группы, называемых

высокотемпературными, электрическое  сопротивление отсутствует вплоть до температур порядка 100° К. Сверхпроводники этих групп обладают различающимися свойствами и имеют свои области применения. Но в обоих случаях требуется применение особых мер для поддержания низкой температуры. 

Явление сверхпроводимости

Особую группу материалов высокой электрической проводимости представляют сверхпроводники. При  низких температурах (в настоящее  время по крайней мере ниже 18° К) определенные металлы и сплавы приобретают способность проводить ток без сколько-нибудь заметного сопротивления; такие твердые тела называются сверхпроводниками.

В 1908 г. в Лейденском университете, в лаборатории низких температур, под руководством голландского физика Камерлинг-Оннеса был получен жидкий гелий. Гелий отличается очень низкой температурой кипения (4,21⁰К), и поэтому его сжижение позволило изучать свойства веществ при температурах, ранее не доступных.

В 1911 г. Х. Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости, изучение которого интенсивно продолжается до наших дней и составляет одно из важнейших направлений физики твердого тела. Оказалось, что при низкой температуре электрическое сопротивление многих металлов обращается в нуль (или по крайней мере так близко к нулю, что не наблюдалось ослабления тока в сверхпроводящем кольце в течение более чем года вплоть до прекращения эксперимента), в то время как такие прекрасные проводники, как золото и медь при тех же температурах имели весьма малое, но вполне измеримое остаточное сопротивление(10^-9 Ом*см). Для первого исследованного вещества—ртути этот барьер составил 4,15⁰К (это приблизительно - 269⁰С). Температуру Т_с, при которой происходит переход из нормального в сверхпроводящее состояние называют "критической" или "температурой перехода".

Сейчас выявлена  целая  группа  веществ–сверхпроводников. Сверхпроводимость обнаружена у 30 элементов и около 1000 сплавов. Сверхпроводящие свойства обнаруживают многие сплавы со структурой упорядоченных твердых растворов и промежуточных фаз. При обычных температурах эти вещества не обладают высокой проводимостью. Самой высокой критической температурой среди чистых веществ обладает ниобий (Т_с=9,220 К), а наиболее низкой – иридий ( Т_с = 0,1400 К). В таблице 1 приведен список некоторых известных в настоящее время сверхпроводников и температуры перехода их в сверхпроводящее состояние Т_с. Переход обычно происходит очень резко: сопротивление падает от своего нормального значения до нуля в интервале порядка 0,05° К.

Таблица 1. Сверхпроводники и их температуры перехода в сверхпроводящее состояние (ºK).

С понижением температуры  электрическое сопротивление всех металлов монотонно падает (рисунок 1). Однако есть металлы и сплавы, у которых электрическое сопротивление  при критической температуре  резко падает до нуля - материал становится сверхпроводником.

Рисунок 1. Изменение электрического сопротивления в металлах (М) и сверхпроводниках (М_св) в области низких температур.

Критическая температура  зависит не только от химического состава вещества, но и от структуры самого кристалла. Например, серое олово является полупроводником, а белое олово - металлом, способным к тому же при температуре равной 3,72⁰ К переходить в сверхпроводящее состояние. Хорошие проводники (серебро, золото и некоторые другие) не обладают этим свойством, а многие другие вещества, которые в обычных условиях проводники очень плохие—наоборот, обладают. Для исследователей это явилось полной неожиданностью и еще больше осложнило объяснение этого явления. Основную часть сверхпроводников составляют не чистые вещества, а их сплавы и соединения. Причем сплав двух несверхпроводящих веществ может обладать сверхпроводящими свойствами.

Долгие годы «рекордсменом» был сплав ниобия и олова (18,1⁰К). Однако в 1967 г. был создан Nb₃Al_0,75Ge_0,25 (20,1⁰К). В 1973 создали пленку Nb3Ge (22,3⁰К). Сейчас созданы соединения на основе керамики из оксидов металлов, критическая температура у которых выше температуры сжижения азота и приближается к комнатной. Некоторые  вещества становятся сверхпроводниками  при высоком давлении.

Свойства  сверхпроводников

У сверхпроводников наблюдается резкая аномалия магнитных, тепловых и других свойств.

Наиболее общим свойством  сверхпроводников является существование  критической температуры сверхпроводимости Т_с, ниже которой электросопротивление вещества становится исчезающе малым. Согласно последним оценкам, верхний предел электросопротивления вещества в сверхпроводящем состоянии (т.е. при температуре ниже Т_с) составляет 10^-26 Ом·м. Наиболее перспективными с точки зрения технического применения являются сверхпроводники с высокой критической температурой. Ею обладают сплавы и соединения переходных металлов ниобия и ванадия.

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).

Зависимость критической температуры сверхпроводимости от напряженности внешнего магнитного поля. Критическая температура максимальна в отсутствие внешнего магнитного поля и снижается при увеличении его напряженности. При некоторой напряженности внешнего поля Н_км, называемой критической Т_к = 0. Другими словами, в полях, равных или больших Н_км, сверхпроводящее состояние в веществе не возникает ни при каких температурах. Такое поведение сверхпроводников иллюстрируется кривой Н_к (Т) (рисунок 2). Каждая точка этой кривой дает величину критического внешнего поля Н_к при данной температуре Т < Т_к, вызывающего потерю сверхпроводимости. Эта кривая является кривой фазового перехода: сверхпроводящая фаза → нормальная фаза. В отсутствие магнитного поля этот переход является фазовым переходом второго рода. В присутствии внешнего магнитного поля - это переход первого рода.

Рисунок 2. Зависимость критического поля сверхпроводника от температуры.

Зависимость критического поля от температуры описывается эмпирической формулой:

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

Эффект  Мейсснера

Другим важным магнитным  свойством сверхпроводников является их диамагнетизм. Внутри сверхпроводника, помещенного в магнитное поле, индукция равна нулю. Если же сверхпроводник помещен в магнитное поле при температуре выше критической, то при охлаждении ниже Т_с магнитное поле «выталкивается» из сверхпроводника и его индукция в этом случае также равна нулю.

Этот эффект был обнаружен  Мейсснером и Оксенфельдом в 1933 г. Магнитное поле не проникает в толщу сверхпроводящего образца. Если этот образец при температурах более высоких, чем  Т_с, то в нем, как и во всяком нормальном металле, помещенном во внешнем поле, напряженность будет отличной от нуля. Не выключая внешнего магнитного поля, начнем постепенно понижать температуру. Тогда окажется, что в момент перехода в сверхпроводящее состояние магнитное поле будет вытолкнуто из сверхпроводника и станет справедливым равенство В = 0 ( В - магнитная индукция, равная, по определению, средней напряженности магнитного поля в веществе). При включении внешнего поля Н в веществе появляется отличная от нуля индукция В, равная В=μН. Коэффициент и называется магнитной проницаемостью вещества. При    μ<1 наблюдается ослабление приложенного поля и В<Н. В сверхпроводниках В=0, что соответствует нулевой магнитной проницаемости. Если сверхпроводящий образец поместить во внешнее поле, то в поверхностном слое металла возникает стационарный электрический ток, собственное магнитное поле которого противоположно приложенному полю, что в результате и приводит к нулевому значению индукции в толще образца.

Существование стационарных сверхпроводящих токов обнаруживается в следующем эксперименте: если над  металлическим сверхпроводящим  кольцом поместить сверхпроводящую  сферу, то на ее поверхности индуцируется сверхпроводящий незатухающий ток. Его возникновение приводит к  диамагнитному эффекту и возникновению  сил отталкивания между кольцом  и сферой, в результате будет наблюдаться  парение сферы над кольцом.

. Эксперименты показывают, что если создать ток в замкнутом контуре из сверхпроводников, то этот ток продолжает циркулировать и без источника ЭДС. Токи Фуко в сверхпроводниках сохраняются очень долгое время и не затухают из-за отсутствия джоулева тепла (токи до 300А продолжают течь много часов подряд). Изучение прохождения тока через ряд различных проводников показало, что сопротивление контактов между сверхпроводниками также равно нулю. Отличительным свойством сверхпроводимости является отсутствие явления Холла. В то время, как в обычных проводниках под влиянием магнитного поля ток в металле смещается, в сверхпроводниках это явление отсутствует. Ток в сверхпроводнике как бы закреплен на своем месте.

Разрушение сверхпроводимости  внешним магнитным полем и  идеальный диамагнетизм сверхпроводников связаны с тем, что для сохранения сверхпроводящего состояния суммарный  импульс (кинетическая энергия) электронов должен быть меньше определенного значения. В силу этого существует определенная предельная (критическая) плотность тока j_c выше которой сверхпроводимость нарушается и появляется конечное электросопротивление. Идеальный диамагнетизм сверхпроводника объясняется тем, что приложенное магнитное поле индуцирует на поверхности сверхпроводника токи, не испытывающие сопротивления. Эти токи циркулируют таким образом, что магнитный поток внутри сверхпроводника уничтожается. Таким образом, внешнее магнитное поле не проникает в толщу сверхпроводника, а находится на очень небольшой глубине (так называемой глубине проникновения) порядка 10^-8-10^-9 м, где протекает незатухающий той. Глубина проникновения поля в образец является одной из основных характеристик сверхпроводника. При увеличении внешнего магнитного поля экранирующие токи должны возрастать, для того чтобы сохранить диамагнетизм сверхпроводника. Если внешнее поле достаточно сильно, токи достигнут критического значения и вещество перейдет в нормальное состояние. Экранирующие токи исчезают, и магнитное поле проникает в вещество. Глубина проникновения магнитного поля (при постоянном поле) возрастает с температурой и стремится к бесконечности при Т → T_с, что соответствует переходу в нормальное состояние.

Тем не менее, был обнаружен класс веществ, сохраняющих свойство сверхпроводимости в мощных магнитных полях и при  сильных токах.

Квантовая основа

В 1957 г. Бардином, Купером и Шриффером была построена последовательная теория сверхпроводящего состояния, получившая название БКШ (по начальным буквам фамилий авторов). Было выявлено, что взаимодействие электронов с решеткой кристалла ответственно за появление сопротивления. При определенных условиях  оно приводит к его отсутствию, т.е эффекту сверхпроводимости.

Основные положения теории:

1. В квантовой теории металлов притяжение между электронами (обмен фононами – звуковые кванты, колебания решётки кристалла) связывается с возникновением элементарных возбуждений решетки.

Электрон, движущийся в кристалле и   взаимодействующий с другим электроном посредством решетки, переводит ее в возбужденное состояние. При переходе решетки в основное состояние излучается квант энергии звуковой частоты - фонон, который поглощается другим электроном. Притяжение между электронами можно представить как обмен электронов фононами, причем притяжение наиболее эффективно, если импульсы взаимодействующих  электронов антипараллельны.

2. Возникновение сверхпроводящего  состояния вещества связано с возможностью образования в металле связанных пар электронов (куперовские пары). Проявление сил притяжения можно представить. В результате деформации решетки. Электрон  оказывается окруженным «облаком» положительного заряда, притягивающегося  к электрону. Тогда такой электрон вместе с окружающим его облаком представляет собой положительно заряженную систему, которая будет притягиваться к другому электрону.