Какими особыми свойствами обладают сверхпроводники
В 1911 году нидерландский физик Х. Камерлинг-Оннес получил, что при $T=4,3 K$ у ртути отсутствует сопротивление электрическому току. Причем падение сопротивления идет скачком в интервале несколько сотых градуса. Позднее обнаружилось, что резкое уменьшение сопротивления можно наблюдать и у других чистых веществ и некоторых сплавов. Это явление назвали сверхпроводимостью Температура перехода в состояние сверхпроводимости у разных веществ разные, но всегда очень низкие.
Если возбудить электрический ток в кольце из сверхпроводника при помощи такого явления, как электромагнитная индукция, то сила тока может не изменяться до нескольких лет.
Пример:
- Возьмем кольцо из проволоки.
- Поместим его в магнитное поле.
- Выключим магнитное поле (быстро удалим магнит). В кольце появится ток индукции.
Данный ток будет идти очень короткое время, поскольку ЭДС индукции действует только в момент отключения магнитного поля. После прекращения работы ЭДС перестает идти ток в проводнике.
Проведем ту же последовательность действий со сверхпроводником, сопротивление которого равно нулю. В материале сверхпроводника отсутствуют силы, препятствующие движению электронов. Следовательно, для поддержания тока в проводнике нет необходимости во внешнем электрическом поле, значит, источник ЭДС не нужен. Ток в сверхпроводнике может существовать долгое время и после прекращения действия электродвижущей силы. В подобном эксперименте Камерлинг – Оннес наблюдал наличие тока в сверхпроводнике в течение почти четырех суток, после выключения магнитного поля. В этом опыте кольцо из свинца поддерживалось при очень низкой температуре около 7К.
Готовые работы на аналогичную тему
Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Узнать стоимость
Критическая температура
Верхним пределом удельного сопротивления сверхпроводников считают менее $rho
Определение 1
Явление скачкообразного уменьшения сопротивления веществ при низких температурах назвали сверхпроводимостью.
Температура, при которой сопротивление вещества становится равным нулю стали называть критической температурой ($T_k$).
Сопротивление веществ до их перехода в сверхпроводящее состояние может быть разным. Многие из них при комнатных температурах могут обладать высоким сопротивлением. Как уже отмечалось, переход в сверхпроводящее состояние происходит очень резко. У чистых монокристаллов интервал температур перехода составляет менее тысячной градуса.
Сверхпроводимость среди «чистых» материалов выявлена у:
- алюминия,
- кадмия,
- цинка,
- индия,
- галлия.
Свойство сверхпроводимости связано со структурой кристаллической решетки. Так, белое олово проявляет свойства сверхпроводника, а серое не проявляет, ртуть имеет сверхпроводящие свойства только в $alpha$ — фазе.
Критическое поле
В 1914 г. Камерлинг – Оннес выявил, что состояние сверхпроводимости можно разрушить при помощи магнитного поля, если величина магнитной индукции его выше некоторого критического значения. Это значение зависит от материала сверхпроводника и его температуры.
Критическое поле может создать сам сверхпроводящий ток. Следовательно, есть критическая величина силы тока, при которой состояние сверхпроводимости подвергается деструкции.
Эффект Мейсснера
В 1933 году ученые Мейсснер и Оксенфельд выявили, что внутри сверхпроводников полностью отсутствуют магнитные поля. Если сверхпроводник охлаждать во внешнем постоянном магнитном поле, то в момент перехода в состояние сверхпроводника магнитное поле полностью вытесняется из объема материала.
В этом состоит принципиальное отличие сверхпроводника от идеального проводника. У проводника при уменьшении удельного сопротивления индукция магнитного поля в его объеме должна сохраняться без изменений.
Определение 2
Явление вытеснения магнитного поля из объема сверхпроводника называют эффектом Мейсснера.
К важнейшим свойствам сверхпроводников относят:
- Отсутствие сопротивления.
- Эффект Мейсснера.
Поверхностный ток
Так как в объеме сверхпроводника отсутствует магнитное поле, то в нем имеются только токи, текущие по поверхности. Эти токи физически реальны. Они локализованы в тонком слое около поверхности тела.
Магнитные поля поверхностных токов нивелируют внешнее магнитное поле внутри сверхпроводника. Получается, что сверхпроводник ведет себя формально как диамагнетик. Но таковым не является, поскольку его намагниченность равна нулю внутри него.
Сверхпроводники первого и второго рода
Чистые вещества (так называемы элементарные проводники), обладающие свойством сверхпроводимости очень немногочисленны. Более часто сверхпроводимость наблюдается у сплавов.
У элементарных сверхпроводников наблюдается полный эффект Мейсснера, тогда как у сплавов имеется только частичный эффект, то есть магнитное поле выталкивается из объема вещества не полностью.
Определение 3
Вещества, у которых возникает полный эффект Мейсснера, называют сверхпроводниками первого рода.
Вещества, у которых эффект Мейсснера проявляется частично, носят название сверхпроводников второго рода.
Сверхпроводники второго рода в своем объеме имеют круговые токи, которые порождают магнитное поле, распределенное в веществе в виде отдельных «нитей». Сопротивление же этих сверхпроводников, так же равно нулю, как и у первых.
Природа сверхпроводимости
Сверхпроводимость можно сравнить со сверхтекучестью жидкости, которая создана из электронов. Явление сверхтекучести появляется в результате отсутствия обмена энергиями сверхтекучей составляющей жидкости и других ее частей, при этом исчезает трение. Важным моментом при этом является то, что молекулы этой жидкости как бы конденсируются на самом низком энергетическом уровне, который отделен от других уровней довольно широкой энергетической щелью. Эту щель силы взаимодействия не могут преодолеть. Это является причиной отсутствия взаимодействия.
Для того чтобы многие частицы могли локализоваться на низшем энергоуровне, нужно их подчинение статистике Бозе- Эйнштейна (это значит они должны иметь целочисленный спин).
Электроны подчинены статистике Ферми – Дирака, значит, не могут собираться не низшем энергоуровне и создавать сверхтекучую жидкость. Силы отталкивания, возникающие между электронами, в основном компенсируются силами притяжения к ионам кристаллической решетки. Но из-за тепловых колебаний атомов в узлах решетки между электронами может появляться притяжение, и они способны создавать пары (куперовские пары).
Куперовские пары ведут себя как частицы с целочисленным спином, это значит, что они подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна. Куперовские пары способны к концентрации, и они создают течение сверхтекучей жидкости, то есть электрический ток в состоянии сверхпроводимости. Выше самого низкого энергоуровня расположена энергетическая щель, которую пары не могут преодолеть за счет энергии взаимодействия с остальными зарядами, следовательно, она не изменяет свое энергетическое состояние. Как следствие – сопротивление вещества равно нулю.
Процесс возникновения куперовских пар и создания сверхтекучей жидкости объясняет квантовая теория.
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 13 ноября 2018;
проверки требуют 9 правок.
Сверхпроводник — материал, электрическое сопротивление которого при понижении температуры до некоторой величины Tc становится равным нулю (сверхпроводимость). При этом говорят, что материал приобретает «сверхпроводящие свойства» или переходит в «сверхпроводящее состояние».
В настоящее время проводятся исследования в области сверхпроводимости с целью повышения температуры Tc до комнатной температуры.
История[править | править код]
В 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии её сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4.1 К резко падает до нуля.
Сверхпроводник наименьшего размера был создан в 2010 году на основе органического сверхпроводника (BETS)2GaCl4[1][2], где аббревиатура «BETS» означает бисэтилендитиотетраселенафульвален. Созданный сверхпроводник состоит всего из четырёх пар молекул этого вещества при общей длине образца порядка 3,76 нм.
Свойства сверхпроводников[править | править код]
В зависимости от свойств сверхпроводники делят на три группы:
- сверхпроводники I (первого) рода;
- сверхпроводники 1.5 рода;
- сверхпроводники II (второго) рода.
Фазовый переход в сверхпроводящее состояние[править | править код]
Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Однако, это изменение зависит от рода рассматриваемых сверхпроводников. Так, для сверхпроводников Ι рода в отсутствие магнитного поля теплота перехода (поглощения или выделения) из сверхпроводящего состояния в обычное равна нулю, а следовательно терпит скачок теплоёмкость, что характерно для фазового перехода ΙΙ рода.
Эффект Мейснера[править | править код]
Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейснера, заключающийся в выталкивании сверхпроводником магнитного потока . Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токах внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.
Таблица сверхпроводников[править | править код]
В представленной ниже таблице перечислены некоторые сверхпроводники и характерные для них величины критической температуры (Tc) и предельного магнитного поля (Bc).
| Название материала | Критическая температура , К | Критическое поле , Тл | Год опубликования обнаружения сверхпроводимости |
|---|---|---|---|
| Сверхпроводники I рода | |||
| Pb (свинец) | 7,26[3] | 0,08[4] | 1913[3] |
| Sn (олово) | 3,69[3] | 0,031[4] | 1913[3] |
| Ta (тантал) | 4,38[3] | 0,083[4] | 1928[3] |
| Al (алюминий) | 1,18[3] | 0,01[4] | 1933[3] |
| Zn (цинк) | 0,88[4] | 0,0053[4] | |
| W (вольфрам) | 0,01[4] | 0,0001[4] | |
| Сверхпроводники 1.5 рода | |||
| Ведутся поиски по теоретической модели[5] | |||
| Сверхпроводники II рода | |||
| Nb (ниобий) | 9,20[3] | 0,4[4] | 1930[3] |
| V3Ga | 14,5[4] | >35[4] | |
| Nb3Sn | 18,0[4] | >25[4] | |
| (Nb3Al)4Ge | 20,0[4] | ||
| Nb3Ge | 23[4] | ||
| GeTe | 0,17[4] | 0,013[4] | |
| SrTiO3 | 0,2—0,4[4] | >60[4] | |
| MgB2 (диборид магния) | 39 | ? | 2001 |
| H2S (сероводород) | 203[6] | 72[6] | 2015[6] |
Применение[править | править код]
- Квантовый компьютер использует кубиты, основанные на сверхпроводниках.
- Сверхпроводники также используют для создания мощного магнитного поля , к примеру ITER (Международный Экспериментальный Термоядерный Реактор) в котором сверхпроводники создавая магнитное поле удерживают высокотемпературную плазму, не давая ей контактировать со стенками реактора.
См. также[править | править код]
- Высокотемпературная сверхпроводимость
Литература[править | править код]
- Hirsch J.E., Maple M.B., Marsiglio F. Superconducting materials classes: Introduction and overview // Physica C: Superconductivity and its Applications. — 2015. — Vol. 514. — P. 1-8. — ISSN 09214534. — doi:10.1016/j.physc.2015.03.002.
- Hamlin J.J. Superconductivity in the metallic elements at high pressures // Physica C: Superconductivity and its Applications. — 2015. — Vol. 514. — P. 59-76. — ISSN 09214534. — doi:10.1016/j.physc.2015.02.032.
- White B.D., Thompson J.D., Maple M.B. Unconventional superconductivity in heavy-fermion compounds // Physica C: Superconductivity and its Applications. — 2015. — Vol. 514. — P. 246-278. — ISSN 09214534. — doi:10.1016/j.physc.2015.02.044.
- Kubozono Yoshihiro, Goto Hidenori, Jabuchi Taihei, Yokoya Takayoshi, Kambe Takashi, Sakai Yusuke, Izumi Masanari, Zheng Lu, Hamao Shino, Nguyen Huyen L.T., Sakata Masafumi, Kagayama Tomoko, Shimizu Katsuya. Superconductivity in aromatic hydrocarbons // Physica C: Superconductivity and its Applications. — 2015. — Vol. 514. — P. 199-205. — ISSN 09214534. — doi:10.1016/j.physc.2015.02.015.
- Griveau Jean-Christophe, Colineau Éric. Superconductivity in transuranium elements and compounds // Comptes Rendus Physique. — 2014. — Vol. 15. — P. 599-615. — ISSN 16310705. — doi:10.1016/j.crhy.2014.07.001.
Примечания[править | править код]
- ↑ K. Clark, A. Hassanien, S. Khan, K.-F. Braun, H. Tanaka and S.-W. Hla. Superconductivity in just four pairs of (BETS)2GaCl4 molecules (англ.) // Nature Nanotechnology. — 2010. — Vol. 5. — P. 261—265.
- ↑ Юрий Ерин. Создан сверхпроводник, состоящий всего из 8 молекул вещества. Элементы.ру (19 апреля 2010). Дата обращения 19 апреля 2010. Архивировано 26 августа 2011 года.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 В. Л. Гинзбург, Е. А. Андрюшин. Глава 1. Открытие сверхпроводимости // Сверхпроводимость. — 2-е издание, переработанное и дополненное. — Альфа-М, 2006. — 112 с. — 3000 экз. — ISBN 5-98281-088-6.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Сверхпроводник — статья из Большой советской энциклопедии
- ↑ Физики представили теорию полуторной сверхпроводимости
- ↑ 1 2 3 A. P. Drozdov, M. I. Eremets, I. A. Troyan, V. Ksenofontov, S. I. Shylin. Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system // Nature. — Т. 525, вып. 7567. — С. 73–76. — doi:10.1038/nature14964.
Чтобы перевести значение температуры по шкале Кельвина (Т) в шкалу Цельсия (t), нужно воспользоваться формулой: t = T – 273.
Сопротивление электрическому току при нагревании металлов увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Рассчитать сопротивление проводника при изменении его температуры можно по формуле известной из школьной программы (смотри статью №2 на канале VShch). В соответствии с формулой расчёта, при понижении температуры металла линейно уменьшается и его сопротивление. Однако в действительности сопротивление металлов изменяется линейно лишь до определенного значения температуры (порядка 100 градусов по шкале Кельвина), затем нелинейно достигает некоторого предельного значения, ниже которого оно не падает (остаточное сопротивление) и перестаёт зависеть от температуры. Было выявлено, что так ведут себя не все металлы, у некоторых при температуре близкой к абсолютному нулю (– 273,15 градуса по шкале Цельсия), сопротивление скачком уменьшается до 0.
Явление, когда сопротивление скачком уменьшается до нуля при определённой температуре, называется сверхпроводимостью. Вещество, которое может переходить в сверхпроводящие состояние, называется сверхпроводником.
Температура скачкообразного перехода вещества из нормального состояния в сверхпроводящее, называется критической температурой Ткр и она различна для разных веществ. Так критическая температура для свинца 7,2 градуса Кельвина, для алюминия 1,2 градуса К, а для цинка 0,9 градуса К. Если создать ток в сверхпроводнике при температуре Т равной или меньшей чем Ткр, а затем отключить источник питания, соединив проводник в кольцо, то ток может сохраняться в нем, не ослабевая без приложения какой — либо электродвижущей силы, неограниченно долго.
Сверхпроводимость обнаружена у почти половины известных металлов, а также у некоторых полупроводников и у большего количества химических соединений и сплавов. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводники, не являются проводниками при обычных температурах и наоборот, такие металлы как медь, серебро, золото, платина, отлично проводящие электрический ток при комнатных температурах, в сверхпроводящее состояние не переходят.
Явление сверхпроводимости открыл в 1911 году голландский физик Хейке Камерлин — Оннес. Проводя замеры сопротивления ртути при её охлаждении в жидком гелии, он обнаружил, что при уменьшении температуры сопротивление сначала меняется постепенно, а при достижении 4,2 градуса К резко падает до нуля. Дальнейшие исследования учёных показали, что сверхпроводимость сопровождается не только исчезновением электрического сопротивления, но ещё и полным вытеснением магнитного поля из материала при переходе его в сверхпроводящее состояние (эффект Мейснера). Если материал, обладающий сверхпроводящими свойствами, поместить во внешнее магнитное поле и охладить его ниже критической температуры, то магнитное поле будет выталкиваться из об’ёма сверхпроводника.
Сверхпроводники в сверхпроводящем состоянии являются идеальными диамагнетиками – веществами с малой магнитной проницаемостью, они не усиливают внешнее магнитное поле и не имеют остаточного магнетизма после исчезновения намагничивающего поля как это происходит у ферромагнетиков. Под действием достаточно сильного магнитного поля (критическое магнитное поле) эффект сверхпроводимости исчезает. Переход от сверхпроводящего состояние в нормальное можно осуществлять путём повышения магнитного поля при температуре ниже критической Ткр.
Для каждого сверхпроводника существует также критическое значение силы тока Iкр. Это значение максимального тока, который может выдерживать сверхпроводник без потери сверхпроводящего состояния. При превышении этого значения сверхпроводник теряет свойство сверхпроводимости. Это происходит потому, что вокруг сверхпроводника с током создаётся своё магнитное поле, которое при достижении определённой силы, разрушает сверхпроводящее состояние и в действие вступает закон Ома. Явление разрушения сверхпроводимости магнитным полем наблюдается независимо от того, чем это поле создано – внешним источником или током, текущим по самому сверхпроводнику.
Так как сопротивление при сверхпроводимости отсутствует, то не происходит выделение тепла при прохождении тока, то есть нет и потерь энергии. Плотность тока в сверхпроводящем состоянии многократно больше допустимой плотности сверхпроводника в нормальном состоянии. По малому сечению сверхпроводника в сверхпроводящем состоянии могут протекать токи очень большего значения. Для передачи больших электрических мощностей с использованием явления сверхпроводимости, созданы специальные кабели сложной конструкции. Сконструированы мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой, в которой протекают токи большой плотности, создающие сильные магнитные поля. Однако получить сколь угодное сильное магнитное поле нельзя из-за существования критического значения силы тока для каждого сверхпроводника.
В настоящее время сверхпроводимость возможна только при очень низких температурах и поэтому используется весьма ограниченно. Учёными достигнуты значительные успехи в деле получения искусственных веществ, температура перехода которых в сверхпроводящее состояние становится всё больше (высокотемпературная сверхпроводимость, Ткр > 77 градусов К ). В этом случае для охлаждения, вместо жидкого гелия, применяют жидкий азот, который намного дешевле, гораздо проще и безопасней в эксплуатации. В 1988 году создано керамическое соединение с критической температурой 125 градусов К, а 2015 году был зафиксирован новый рекорд температуры, при которой в материалах возникает эффект сверхпроводимости: 203 градусов по шкале Кельвина. Для получения сверхпроводимости при такой температуре используется сухой лед (твердая углекислота).
Задача науки в этом направлении — создание искусственных материалов, которые будут обладать сверхпроводимостью даже при комнатных температурах. Возможность создания таких материалов теоретически обоснована и в случае успеха, явление сверхпроводимости приведёт к технической революции в радиоэлектронике и радиотехнике. Оно найдет ещё более широкое применение в энергетике: возможность передачи электрической энергии на большие расстояния без потерь в подводящих проводах; изготовление трансформаторов, электродвигателей, генераторов, других электрических машин и электроаппаратуры исключительно компактных размеров; получение огромных магнитных полей для магнитной подвески поездов (магнитная левитация).