Сверхпроводимость проводников
План реферата
Стр.
1.Свойство сверхпроводимого состояния……………………………3
2.Сверхпроводник в магнитном поле………………………………...4
3.Изотермические свойства…………………………………………...5
4.Изотопический эффект………………………………………………6
5.Квантовая основа…………………………………………………….7
6.Условия сверхпроводимости………………………………………..9
а.Сверхпроводники I и II рода……………………………………...9
б.Разрушение током………………………………………………..10
в.Новые вещества…………………………………………………..10
7.Некоторые применения сверхпроводимости……………………..10
Литература…………………………………………………………...15
В 1911 г. Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости,изучение которого интенсивно продолжается до наших дней и составляет одно из важнейших направлений физики твердого тела.Оказалось, что при температуре,близкой к 40К,электрическое сопротивление ртути скачком обращается в нуль .
Многие металлы и металлические сплавы при температурах,близких к абсолютному нулю, переходят в особое сверхпроводящее состояние,наиболее поразительным свойством которого является с в е р х п р о в о д и м о с т ь- полное отсутствие сопротивления постоянному электрическому току.Наведенный в сверхпроводящем кольце ток сохраняется неизменным практически бесконечно долго – в течение нескольких лет не удается обнаружить сколько-нибудь заметного затухания этого тока.Этот эксперимент провел в1959 г. американский ученый физик Коллинз.
Эффект сверхпроводимости состоит в исчезновении электрического сопротивления при конечной, отличной от О0 К, температуре ( критическая температура- Тк ).
Открытие Камерлинга-Оннеса повлекло исследования разных веществ –сверхпроводников и их свойств. Были отмечены резкая аномалия магнитных, тепловых и ряда других свойств, так что правильнее говорить не только о сверпроводимости, а об особом, наблюдаемом при низких температурах состоянии вещества .
Сейчас выявлена целая группа веществ –сверхпровод – ников ( В 1975 их было >500).Самой высокой критической температурой среди чистых веществ обладает ниобий ( Тк =9,220 К), а наиболее низкой – иридий ( Т к = 0,1400 К).
Сложное соединение ,синтизированное в 1967 г.,сохраняет сверхпроводимость до 20,10 К, в 1973 г. рекорд равнялся 22,30 К.
Критическая температура зависит не только от химического состава вещества, но и от структуры самого кристала.Например ,серое олово является полупроводником, а белое олово- металлом, способным к тому же при температуре,равной 3,720 К,переходить в сверхпроводящее состояние.
Бериллий–сверхпроводник в виде тонкой пленки. Некоторые вещества становятся сверхпроводниками при высоком давлении ( Ва с Т к=50 К под давлением ~ 150 кбар).
Из всего следует вывод,что сверхпроводимость представляет собой коллективный эффект,связанный со структурой всего образца.
Переход металла в сверхпроводящее состояние и обратно происходит при тех значениях температуры и напряженности магнитного поля, которые соответствуют точкам на кривой зависимости Н к от температуры (рис 1.)
Учитывая обратимость перехода и различие свойств металла в сверхпроводящем и нормальном состояниях, этот переход можно рассматривать как фазовый переход между двумя различными состояниями одного и того же вещества : n-фазой( нормальное состояние) и s-фазой (сверхпроводящее состояние).
Сверхпроводник в магнитном поле.
1. В 1933 г. Мейсснером было открыто одно из свойств сверхпроводников(эффект Мейсснера).Оказалось,что магнитное поле не проникает в толщу сверхпроводящего образца.Если этот образец при температурах более высоких,чем Тк, 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 вытолкнется из образца 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.Это эффект идеального диамагнетизма. 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.
Идеальный диамагнетизм сверхпроводников означает возможность протекания поверхностного стационарного тока,не испытывающего электрического сопротивления.
|
Наличие сопротивления привело бы к тепловым потерям и в отсутствие электрического поля-к быстрому затуханию тока.Эффект Мейснера и явление сверхпроводимости, т.е.полное отсутствие сопротивления,тесно связаны между собой и явлются следствием общей закономерности, которую и установила теория сверхпроводимости.
2. Достаточно сильное магнитное поле при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. При действии на сверхпроводник магнитного поля температура Тс снижается.Магнитное поле с напряженностью Нс,которое при данной температуре вызывает переход в-ва из сверхпроводящего состояния в нормальное,называется критическим полем.
Т.о.,металл можно перевести из сверхпроводящего состояния,воздействуя на сверхпроводник магнитным полем.Тем не менее,был обнаружен класс веществ,
сохраняющих свойство сверхпроводимости в мощных магнитных полях
и при сильных токах.
Изотермические свойства.
Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств.
Электронная теплоемкость нормальных металлов с понижением температуры убывает по линейному закону сe~Т. В сверхпроводниках – по экспоненциальному закону.
где а и b – постоянные,не зависящие от температуры величины.
Рис.3
Скачек теплоемкости
Изотермический переход из сверхпроводящего состояния в нормальное связан со скачкообразным изменением теплопроводности и теплоемкости.
Это универсальное свойство сверхпроводников.Различают теплопроводность,
связанную с движением электронов , и тепловой поток в решетке кристалла.
Коэффициент теплопроводности х можно представить в виде суммы
х=хэл+хреш.Электроны рассеиваются различными причинами(колебания решетки,примеси,другие электроны).Результирующая электронная теплопроводность Хэл вычисляется по правилу
Изотопический эффект.
В 1950 г. Максвелл ,Рейндолс при исследовании ртути открыли ,что сверхпроводимость возникает при взаимодействии электронов с решеткой кристалла.Электроны проводимости движутся в сверхпроводнике беспрепятственно-без “трения” об узлы кристаллической решетки.
В сверхпроводниках возникает взаимное притяжение электронов с образованием электронных пар.
Рис.4
Электрон проводимости е притягивает к себе ион I кристаллической решетки,смещая его из положения равновесия.При этом изменяется электрическое поле в кристалле- ион I создает электрическое поле,
действующее на электроны проводимости,в том числе и на электрон e1
Взаимодействие е1 и е2 осуществляется с помощью кристаллической решетки.
Смещение иона под действием электрона приводит к тому ,что электрон оказывается окруженным “облаком” положительного заряда, превышающего собственный отрицательный заряд электрона.Электрон вместе с этим “облаком”имеет суммарный положительный заряд и притягивается к другому электрону.
Интересно,что именно взаимодействие электронов с решеткой кристалла ответственно за появление сопротивления . При определенных условиях оно приводит к его отсутствию,т.е эффекту сверхпроводимости .Так было
расскрыто объяснение сверхпроводимости.
В 1957 г. Бардином,Купером,Шриффером была построена теория сверхпроводящего состояния.
Квантовая основа.
1.В квантовой теории металлов притяжение между электронами ( обмен фононами)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 поглащается 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.Проявление сил притяжения можно представить.В результате деформации решетки электрон оказываеся окруженным “облаком “положительного заряда, притягивающегося к электрону. Тогда такой электрон вместе с окружающим его облаком представляет собой положительно заряженную систему,
Страницы: 1, 2
