Сверхпроводники и криопроводники

Сверхпроводимостью называется понижение удельного электрического сопротивления некоторых материалов при близких к абсолютному нулю температурах, до не поддающихся измерению низких значении. Материалы, в которых наблюдается это явление, называются сверхпроводниками.

Явление сверхпроводимости открыл в 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес. Его открытие относится к самым значительным открытиям XX столетия.

Явление сверхпроводимости связано с тем, что электрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, и притом без всякого подвода энергии извне (конечно, если не учитывать неизбежного расхода энергии на работу охлаждающего устройства, которое должно поддерживать температуру сверхпроводящего контура ниже значения Т_с, характерного для данного сверхпроводникового материала); такой сверхпроводящий контур создает в окружающем пространстве магнитное поле, подобно постоянному магниту. Поэтому обтекаемый электрическим током сверхпроводящий соленоид должен представлять собой сверхпроводниковый электромагнит, не требующий питания от источника тока.

Сверхпроводящее состояние в сверхпроводниках существует только при выполнении двух условий:

1. Температура сверхпроводника ниже, чем критическая температура (температура перехода) Т_кр.

B

Рисунок 27 - Критические параметры сверхпроводника I рода

2. Напряженность магнитного поля (или магнитная индукция) ниже, чем критическая напряженность магнитного поля Н_кр (или критическая магнитная индукция В_кр).

Критическая магнитная индукция В_кр зависит от температуры. Эта зависимость изображена на рисунке 27. Кривая, которая отделяет область сверхпроводящего состояния от несверхпроводящего («нормального»), называется граничной кривой.

Зависимость В_кр от температуры во многих случаях выражает формула

В_крТ = В₀[1-(T/T_кр)²],

где В_крТ — критическая магнитная индукция сверхпроводника при термодинамической температуре Т,

В₀ — критическая индукция при температуре Т=0,

Т_кр — критическая термодинамическая температура сверхпроводника при В = 0.

Критическая температура и критическая магнитная индукция являются важными параметрами сверхпроводника.

Критическая температура и критическая магнитная индукция сверхпроводников зависят от их структуры, почему эти показатели свойств можно изменять изменением структуры. Это подтверждается тем, что критические параметры сверхпроводников зависят от способа изготовления. В некоторых случаях эти показатели зависят и от толщины материала. Путем перехода к тонкопленочным структурам удалось повысить Т_кр и В_кр. Значения Т_кр и В_кр зависят и от давления, причем с ростом давления они могут как увеличиваться, так и уменьшаться. В некоторых материалах, например в кремнии, германии, теллуре (Si, Ge, Те), сверхпроводимость существует только при повышенных давлениях и после снятия давления исчезает.

Критические параметры можно увеличивать или уменьшать примесями. Это используется при поисках новых материалов с лучшими свойствами подбором состава материала.

Существует характерная связь критических параметров со степенью неоднородности материалов. У сверхпроводников I рода (чистые металлы), в которых неоднородности не превышают атомных размеров, критические параметры выражены очень резко и могут быть экспериментально определены с высокой точностью (сотые и тысячные доли Кельвина). В сверхпроводниках II рода (различные сверхпроводниковые сплавы и химические соединения), в которых неоднородности также не превышают атомных размеров, критические параметры выражены менее резко; для каждой температуры критическая магнитная индукция лежит в определенном интервале (рисунок 28). В сверхпроводниках III рода (сверхпроводниковые сплавы и соединения с неоднородностями, превышающими атомные размеры) критические параметры сильно зависят от степени неоднородности и способа обработки.

Рисунок 28 - Критические параметры сверхпроводника II рода

Дата добавления: 2014-01-07