Феноменът на свръхпроводимост

Начало | За нас | обратна връзка

През 1911 г. холандски учен Kamenling Онес установено, че съпротивлението на чист живак при температура да драстично спадна до нула. Електрическият ток в проводник остава непроменен за неопределено време. Това явление се нарича свръхпроводимост.

На Фигура 3.8. Тя показва зависимостта на температурата съпротивлението на свръхпроводника. Температура. при което преход метал състояние свръхпроводящ възниква се нарича критичната температура.

Фигура 3.8. температурната зависимост на съпротивлението на суперпроводимия на

Понастоящем свръхпроводимост наблюдава в 22 химични елементи (Pb, Zn, Al, и т.н.) и повече от 100 метална сплав (например Au2 Bi).

За дълго време, може да се получи състояние, свръхпроводим на различни метали и съединения само при много ниски температури постижими с течен хелий. В началото на 1986 г., на максималната стойност на критичната температура е 23 К. 1986-1987. Той наблюдава брой високо свръхпроводници с критична температура 100 К, и след това по-горе. Това е важно с прекъсване, както е преодоляна "азот линия": като температурата се постига с помощта на течен азот. За разлика от хелий, течен азот, произведени в индустриален мащаб.

Всички изложени на високотемпературни свръхпроводници все още принадлежат към групата на керамика метални окиси (тип съединения с La-Ba-Cu-О, Y-Ba-Cu-О). Проучването вече е отворен и търсенето на нови високо свръхпроводници са направени много бързо в редица страни (включително и тези в нашата страна).

Да разгледаме основните свойства на свръхпроводници.

В свръхпроводящи държавата може да бъде унищожена от магнитни полета. Така безразлично, дали става въпрос за област външни за проводник или се създава от протичащия ток самия проводник. силата на магнитното поле на. които при дадена температура причинява преминаването на вещество от свръхпроводящо състояние на нормално, наречен критично. Критичната областта зависи от температурата Т в съответствие със закона

където H0 е критичен областта при Т = 0 ° С

Графично тази зависимост е показана на ris.3.9. Когато външното магнитно поле H. голям HC 2/3. Той се среща в свръхпроводник междинно състояние, характеризиращо се с едновременното съществуване на две области в нормално състояние и свръхпроводящ.

Един имот на свръхпроводник е пълен експулсирането на магнитното поле на вътрешния обем по време на въвеждането му в външен напрегнатостта на полето. Това явление се нарича Майснер ефект. Застрелвайки магнитно поле свръхпроводник показано на ris.3.10.

Получената магнитната индукция в свръхпроводника е нула.

Това означава, че относителната проницаемост на свръхпроводника е нула, и магнитна възприемчивост е отрицателно и е равна (абсолютна стойност) на единица. Това означава, че свръхпроводника е не само перфектно диригент, но и перфектен диамагнитно.

Физически, ефекта на Майснер се дължи на факта, че свръхпроводника поставен в слабо магнитно поле в повърхностен слой с дебелина L на »10 ¸100 нм индуцирани кръгови постоянни токове, които компенсират външен приложна област. параметър L се нарича дълбочината на проникване на магнитното поле в свръхпроводника.

Преходът към състояние свръхпроводящ се придружава от намаляване на топлопроводимост. Това показва, че свободни електрони, отговорни за предаването на топлина в метали, престават да взаимодействат с решетка и да участват в предаването на топлина. В прехода на свръхпроводника в нормално състояние увеличаване на ентропията е приблизително 10 -3 R (тук R - универсална постоянен газ). Плитко разлика ентропии две държави показва, че въпреки състоянието свръхпроводящ е по-подредена, много е вероятно обхваща само една малка част от електроните.

Микроскопското теорията на свръхпроводимост е разработен през 1957 г. от NN Bogolyubov Dzh.Bardinym, A.Kuperom и Dzh.Shrifferom. Нека разгледаме накратко същността на тази теория.

Свободните електрони от метал, за да образуват електрон газ, се подчиняват Статистика на Ферми-Дирак. Между акт на електрони отблъскващи сили, което значително отслабен от наличието на областта на положителни йони в кристалната решетка. Участие на решетката може да доведе до между електрони, отколкото отблъскващите сили Кулон също взаимно привличане сили. При определени условия, атрактивни сили могат да надделеят над силите на отблъскване. Ако една от електроните е близо до йон е йон това изместване от позицията на равновесие - има елементарна решетка възбуждане. При прехода към основната решетка спокоен глас държавата излъчва топлинна енергия квантовата (аудио честота) - фонон. който се абсорбира от друг електрон. В резултат, между два електрона настъпва привличане чрез обмен на фонони, т.е. така наречените Cooper двойки.

Електроните образуващи Cooper двойка, на завъртания са антипаралелни, сумата (общо) на такава двойка въртене е нула, и поради това е бозон. За бозони, на принципа на Паули не се прилага, така че броят на Бозе частици в една и съща квантово състояние, не се ограничава.

При ниски температури бозони се натрупват в основното състояние, от което те са трудно да се превърне в възбудено състояние. От гледна точка на лента теория земята състояние ниво е под нивото на Ферми и отделени от другите нива на енергийната междина (прорез) широчина дез (фигура 3.11). Ширината на разликата енергия при Т = 0 К е приблизително 3.5 KTS.

Минималната част от енергията, която може да получи Cooper двойка на главната ниво, е DES. При ниска температура, тази енергия се получава от решетката не могат. Ето защо, електроните се движат в метална, без да губят енергия, без спиране. С повишаване на температурата, ширината на междината на енергия намалява, електронни двойки са счупени. Когато температурата на TC на ширината на енергийната разлика е нула, и състоянието на свръхпроводящи изчезва.

Разстоянието между електроните в чифт Cooper

където VF - електрон скорост на нивото на Ферми.

Оценката показва, че # 948; ≈10 -6 m; Това означава, че електроните са разделени един от друг на разстояние от 10 април решетка периоди (г

10 -10 m). Всички електрони проводникова са свързани с отбор, състояща се от Cooper двойки, простиращ се над целия обем на кристала. Особеност на тази лента електроните в свръхпроводник е невъзможността за обмен на енергия между електрони и мрежестата структура е на малки порции, по-малко от енергията на свързване на двойка Cooper.

Когато такова движение се случва колективни електрони разсейване на електрони вълни от топлинни вибрации на решетката или онечистване, те обкръжават решетъчни възли или атоми примеси без да променя своята енергия. А това означава, че няма електрическо съпротивление.

Свойства на свръхпроводници ги правят обещаващи материали за практическа употреба в електрическото и енергетика. В момента на Джаул загубата на топлина в проводниците се оценява на 30-40%, което е повече от една трета от общата енергия, произведена се изразходва напразно - да "отопление" на Вселената. Ако мощността на предаване на свръхпроводящ проводник с нулево съпротивление, а след такава загуба не е изобщо. Въз основа свръхпроводници могат да генерират електрически двигатели и генератори с висока ефективност.

Чрез използване свръхпроводящи бобини и соленоиди вече са големи магнитни полета до 16 MA / m. Тези полета са задължителни, за да се реши проблема на контролирания термоядрен синтез за запазване на горещата плазма, за развитието на транспорта върху магнитната възглавницата, магнитни лагери, микровълнови детектори и други устройства.