Министерство выевшего и средне-специального образования Республики Узбекистан

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 T_C 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 Т_С, при охлаждении до которой совершается переход вещества в сверхпроводящее состояние - температурой сверхпроводящего перехода. Иногда температуру Т_С 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 определœенная 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 соединœения, 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 соединœений, обладающих свойством сверхпроводимости. Каждый сверхпроводник имеет свою вполне определœенную температуру сверхпроводящего перехода Т_С.. 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
Свинœец 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 всœех 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 соединœения и сплавы металлов, обладающих сверхпроводимостью, но и соединœения таких элементов с несверхпроводящими металлами и даже соединœения, 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 всœе 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 всœех 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 Т_С 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 всœе металлы являются сверхпроводниками.
Дальнейшие исследования показали, что сверхпроводимость разрушается не только при повышении температуры до значений, превышающих Т_С, но и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитного поля с магнитной индукцией, превышающей индукцию перехода В_С. Индукция перехода В_С 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 В_С (рис.3.38). Для чистых металлов зависимость между индукцией магнитного поля и температурой выражается соотношением:
 . (3.32)
Здесь В_С0 – значение магнитной индукции перехода в сверхпроводящее состояние при температуре абсолютного нуля, ᴛ.ᴇ. при 0К;