Министерство выевшего и средне-специального образования
Республики Узбекистан
Алмалыкский филиал Ташкентского Государственного Технического Университета имени Ислама Каримова
Факультет «_______________________________________»
Кафедра: «________________________________________ »
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
По дисциплине:________________________________________
Выполнил: студент гр. _____________________________
Принял: _____________________________
Алмалык 2019-2020 г
СВЕРХПРОВОДНИКИ КРИОПРОВОДНИКИ
Как уже отмечалось в 1.1, при понижении температуры удельное сопротивление ρ металлов монотонно уменьшается. Электропроводность металлов при весьма низких температурах, приближающихся к абсолютному нулю имеет свои особенности. Оказалось, что есть такие металлы, у которых значение при некоторой критической температуре TC скачком падает до ничтожно малой величины, не поддающейся измерению ( становится меньше чем 5∙10-24 Ом∙м), ᴛ.ᴇ. удельное сопротивление падает практически до нуля (рис.3.17).
Рис.3.17. Изменение удельного сопротивления в обычных металлах (1) и сверхпроводниках (2) в области низких температур.
Это явление открыл в 1911ᴦ. голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес. Измеряя сопротивление замороженного ртутного кольца исходя из понижаемой температуры, он обнаружил, что при охлаждении кольца до температуры 4,2К сопротивление его внезапно, резким скачком падает практически до нуля. Это явление практически полного исчезновения электрического сопротивления, ᴛ.ᴇ. появление практически бесконечной удельной проводимости материала, было названо сверхпроводимостью, а температура ТС, при охлаждении до которой совершается переход вещества в сверхпроводящее состояние - температурой сверхпроводящего перехода. Иногда температуру ТС сверхпроводящего перехода называют критической температурой.
Отметим, что в рассматриваемом случае речь идет о сопротивлении R постоянному электрическому току. При R=0 разность потенциалов на любом отрезке сверхпроводника равна нулю и электрическое поле внутри сверхпроводящего материала отсутствует. Электроны, создающие электрический ток, в данном случае движутся с постоянной скоростью, не рассеиваясь на тепловых колебаниях атомов решетки и ее дефектах. Энергия на ускорение электронов затрачивается только один раз в начале, в дальнейшем же поступления энергии извне не требуется.
В случае если же к сверхпроводнику прикладывается переменное электрическое поле, то в каждый полупериод ток должен менять свое направление. Следовательно, в сверхпроводнике должно существовать электрическое поле, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ бы периодически замедляло электроны, движущиеся в одном направлении, после чего ускоряло бы их в противоположном направлении. Естественно, что для этого должна поступать определенная энергия от внешнего источника питания. Следовательно, электрическое сопротивление на переменном напряжении в сверхпроводящем состоянии не будет равно нулю. При этом ввиду того, что масса электронов очень мала, затраты энергии на частотах вплоть до нескольких гигагерц практически ничтожны и данное положение имеет значение только в теоретическом плане.
Позже, кроме ртути, были обнаружены и многие другие материалы, среди которых оказались не только чистые металлы, но и различные сплавы и химические соединения, способные при охлаждении до достаточно низкой температуры переходить в сверхпроводящее состояние. Такие материалы получили общее название сверхпроводников. Сегодня известно уже более 35 металлов и более тысячи сплавов и химических соединений, обладающих свойством сверхпроводимости. Каждый сверхпроводник имеет свою вполне определенную температуру сверхпроводящего перехода ТС.. Температуры сверхпроводящего перехода для некоторых металлов и сплавов, обладающих свойством переходить в сверхпроводящее состояние, приведены в табл. 3.11.
Таблица 3.11
Сверхпроводники
|
Температура сверхпроводящего перехода ТС, К
|
Температура сверхпроводящего перехода ТС, 0С
|
Индукция перехода ВС, Тл
|
Вольфрам W
|
0,03
|
-272,99
|
0,0003256
|
Иридий Ir
|
0,34
|
-272,86
|
0,002
|
Алюминий Al
|
3,2
|
-273,8
|
0,030
|
Олово Sn
|
3,7
|
-269,3
|
0,033
|
Индий In
|
3,4
|
-269,6
|
0,030
|
Ртуть Hg
|
4,2
|
-268,8
|
0,046
|
Тантал Ta
|
4,5
|
-268,5
|
0,083
|
Ванадий V
|
5,3
|
-267,7
|
0,330
|
Свинец Pb
|
7,2
|
-265,8
|
0,080
|
Технеций Tc
|
7,8
|
-265,2
|
0,343
|
Ниобий Nb
|
9,4
|
-263,6
|
0,395
|
Сплав Nb- Ti
|
|
-263
|
30,05
|
Сплав V-Ga
|
34,2
|
-258,8
|
22,62
|
Как видно из табл.3.32, из всех элементов, способных переходить в сверхпроводящее состояние, самую высокую температуру перехода имеет ниобий Nb (9,4К) и сплавы с высоким содержанием ниобия Nb и ванадия V.
Отметим, что при нормальных температурах эти вещества не обладают высокой проводимостью. В то же время, некоторые вещества, в т.ч. такие наилучшие при нормальной температуре проводниковые материалы, как золото (Au), серебро (Ag), платина (Pt) и медь (Cu), при самых низких, достигнутых в настоящее время температурах, порядка тысячных долей кельвина перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.
Установлено, что сверхпроводниками бывают не только соединения и сплавы металлов, обладающих сверхпроводимостью, но и соединения таких элементов с несверхпроводящими металлами и даже соединения, в состав молекул которых входят исключительно атомы элементов, не являющихся сверхпроводниками.
С момента открытия явления сверхпроводимости сущность его почти полвека оставалась неразгаданной. Современная теория сверхпроводимости металлов была создана только в 1957 году Д.Бардиным, Л. Купером и Дж. Шриффером и получила название теории БШК. Значительный вклад в развитие теории сверхпроводимости внесли работы академика Н.Н. Боголюбова. Теория БШК объясняет явление сверхпроводимости металлов с помощью квантовых представлений следующим образом.
При температурах, близких к абсолютному нулю, меняется характер взаимодействия электронов между собой и ионами кристаллической решетки. В случае если при обычных температурах электроны металла испытывают на себе кулоновские силы отталкивания, то при очень низких температурах два электрона, находящиеся по разные стороны от положительно заряженного иона, находящегося в узле кристаллической решетки, за счёт этого иона испытывают притяжение друг к другу. Причем силы притяжения преобладают над силами отталкивания. В результате два электрона, находящиеся по разные стороны от положительно заряженного иона образуют так называемую электронную или куперовскую пару. В куперовских парах электроны имеют противоположные спины. Под действием электрического поля все куперовские пары движутся согласованно как одно целое с некоторой дрейфовой скоростью, не рассеиваясь на тепловых колебаниях кристаллической решетки и ее дефектах. Благодаря спариванию электронов исключаются факторы, ограничивающие длину их свободного пробега. Движение этих частиц уже нельзя рассматривать независимым друг от друга. Фактически движение всех электронных пар можно рассматривать как распространение одной электронной волны, которая не рассеивается решеткой, а ʼʼобтекает дефектыʼʼ структуры. Тем самым и обусловливается сверхпроводимость.
Неоднородности структуры, создаваемые примесями, искажениями решетки, пластической деформацией, не приводят к уничтожению сверхпроводимости, а вызываю лишь расширение температурного интервала перехода из одного состояния в другое.
При повышении температуры до значения ТС куперовские пары под действием тепловых колебаний кристаллической решетки (фононов) начинают разрушаться и электроны переходят в свое нормальное одиночное состояние, характерное для обычных металлов. При этом сверхпроводимость пропадает и материал переходит в нормальное (не сверхпроводящее) состояние, приобретая конечное значение удельной проводимости γ. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, переход в сверхпроводящее состояние является обратимым. Повышение температуры может разрушить сверхпроводимость и вызвать переход в нормальное состояние.
Объясняя природу сверхпроводимости, теория БШК пока еще не может предсказать критическую температуру перехода в состояние сверхпроводимости и ответить на вопрос, почему не все металлы являются сверхпроводниками.
Дальнейшие исследования показали, что сверхпроводимость разрушается не только при повышении температуры до значений, превышающих ТС, но и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитного поля с магнитной индукцией, превышающей индукцию перехода ВС. Индукция перехода ВС должна быть создана сторонним источником магнитного поля или же током, идущим по самому сверхпроводнику.
Плотность тока в сверхпроводнике при которой начинается разрушение сверхпроводимости, называют критической плотностью тока. Каждому значению температуры данного материала, находящегося в сверхпроводящем состоянии, соответствует свое значение критической плотности тока, а следовательно, и индукции перехода ВС (рис.3.38). Для чистых металлов зависимость между индукцией магнитного поля и температурой выражается соотношением:
. (3.32)
Здесь ВС0 – значение магнитной индукции перехода в сверхпроводящее состояние при температуре абсолютного нуля, ᴛ.ᴇ. при 0К;
Do'stlaringiz bilan baham: |