Сверхпроводимость и низкие температуры
Содержание:
1. Вступление
2. Сверхпроводящие вещества
3. Эффект Мейснера
4. Теплоемкость сверхпроводника
5. Изотропический эффект
6. Теория сверхпроводимости
7. Конечные температуры
8. Щель в энергетическом спектре
9. Сверхпроводимость в полупроводниках
10. Эффекты Джозефсона
11. Электромагнитные свойства сверхпроводников
12. Заключение
13. Библиография
Вступление
В 1908 г. в Лейденском университете под руководством Камерлинг-Оннеса был получен жидкий гелий. Гелий отличается очень низкой температурой кипения (4,21К), и поэтому его сжижение позволило изучать свойства веществ при температурах, ранее не доступных.
1911 г. был отмечен открытием явления сверхпроводимости. Открыл его все тот же Камерлинг-Оннес в Лейденском университете, в лаборатории низких температур. Изучение этого явления составляет одно из важнейших направлений в физике твердого тела. При проведении экспериментов оказалось, что при низкой температуре сопротивление многих металлов обращается в нуль. Для первого исследованного вещества—ртути этот барьер составил 4К.
Эффект сверхпроводимости состоит в исчезновении электрического сопротивления при конечной температуре, отличной от нуля. Приблизительное сопротивление сверхпроводника: 10-23 ом*см. По проводнику, находящемуся в сверхпроводящем состоянии ток будет циркулировать бесконечно. Также у сверхпроводников наблюдается резкая аномалия магнитных, тепловых и других свойств.
Сверхпроводящие вещества
Самой высокой критической температурой среди чистых веществ обладает ниобий (9,22К), а наиболее низкой иридий (0,14К). Критическая температура зависит не только от химического состава вещества, но и от структуры самого кристалла. Например, серое олово—полупроводник, а белое может превращаться в сверхпроводящий металл. Поэтому сверхпроводимость является свойством не отдельных атомов, а представляет собой эффект структуры самого образца.
Хорошие проводники (серебро, золото и некоторые другие) не обладают этим свойством, а многие другие вещества, которые в обычных условиях проводники очень плохие—наоборот, обладают. Для исследователей это явилось полной неожиданностью и еще больше осложнило объяснение этого явления. Основную часть сверхпроводников составляют не чистые вещества, а их сплавы и соединения. Причем сплав двух несверхпроводящих веществ может обладать сверхпроводящими свойствами.
Долгие годы «рекордсменом» был сплав ниобия и олова (18,1К). Однако в 1967 г. был создан Nb3Al0,75Ge0,25 (20,1К). В 1973 создали пленку Nb3Ge (22,3К). Сейчас созданы соединения на основе керамики из оксидов металлов, критическая температура у которых выше температуры сжижения азота и приближается к комнатной.
Эффект Мейсснера
В 1933 Мейсснером и Оксенфедьдом было открыто одно из наиболее фундаментальных свойств сверхпроводимости—эффект Мейсснера. Оказалось, что магнитное поле не проникает в толщу сверхпроводящего образца. Если мы исследуем образец при t>Tk, то в образце напряженность при помещении в магнитное поле будет больше нуля. Не выключая внешнего поля, начнем постепенно понижать температуру. Тогда окажется, что магнитной поле будет постепенно вытолкнуто из сверхпроводника.
Как известно, металлы, за исключением ферромагнетиков в отсутствие внешнего магнитного поля обладают нулевой магнитной индукцией. Это связано с тем, что магнитные поля элементарных токов, которые всегда имеются в веществе, взаимно компенсируются вследствие полной хаотичности их расположения.
При коэффициенте m>1 (парамагнитные вещества) происходит уменьшение внешнего поля в образце. В диамагнитных веществах (m<1) наблюдается ослабление приложенного поля. В сверхпроводниках b=0, что соответствует нулевой магнитной проницаемости. В поверхностном слое металла возникает стационарный электрический ток, собственное магнитное поле которого противоположно приложенному полю и компенсирует его, что в результате и приводит к нулевому значению индукции в толще образца. Эффект Мейсснера и явление сверхпроводимости тесно связаны между собой и являются следствием общей закономерности, которую и установила созданная более чем через полвека после открытия явления теория сверхпроводимости.
Существование стационарных сверхпроводящих токов обнаруживается в следующем эксперименте: если над металлическим сверхпроводящим кольцом поместить сверхпроводящую сферу, то на ее поверхности индуцируется сверхпроводящий незатухающий ток. Его возникновение приводит к диамагнитному эффекту и возникновению сил отталкивания между кольцом и сферой, в результате будет наблюдаться парение сферы над кольцом. Магнитные силовые линии не проникает в толщу образца, а находятся в поверхностном слое, где протекает незатухающий ток. Глубина проникновения поля в образец является одной из основных характеристик сверхпроводника. Обычно глубина проникновения приблизительно равна 100 400Å. Поверхностный слой сверхпроводника обладает особыми свойствами, связанными с отличной от нуля напряженностью магнитного поля в нем. Эти свойства оказывают очень существенное влияние на получение сверхпроводников с высокими критическими полями.
Если мы начнем увеличивать напряженность внешнего поля,
То при критическом его значении сверхпроводимость разрушится. Чем ближе мы подходим к точке критической температуры, тем меньше должна быть напряженность внешнего магнитного поля для разрушения эффекта сверхпроводимости, и наоборот, при температуре, равной температуре абсолютного нуля напряженность должна быть максимальной по отношению к другим случаям для достижения такого же эффекта. Данная взаимосвязь иллюстрируется следующим графиком (рис. 1).
Теплоемкость сверхпроводника
 |
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6