Сверхпроводимость
Промежуточное состояние.
Было выяснено, что при достижении внешним магнитным полем некоторого критического значения сверхпроводимость скачком разрушается. Но эта простая ситуация возможна, если внешнее магнитное поле имеет одно и то же значение в любой точке поверхности образца. В частности для очень длинного и тонкого цилиндра с осью, направленной вдоль поля. Если же образец имеет другую форму, то картина перехода в нормальное состояние выглядит намного сложнее.
С ростом поля наступает момент, когда оно становится равным критическому в каком-нибудь одном месте поверхности образца. Например, выталкивание магнитного поля из шара приводит к сгущению силовых линий в окрестности экватора.[6] Такое расположение поля является следствием наложения на равномерное внешнее поле с индукцией В0 магнитного поля, создаваемого экранизирующими токами. Очевидно, распределение магнитных силовых линий обусловлено геометрией образца. Для простых тел этот эффект можно характеризовать одним числом, так называемым коэффициентом размагничивания N.
Если, например, тело имеет форму эллипсоида, то на его экваторе поле станет равным критическому, когда внешнее поле будет равно В0 = Вк × (1 - N). Для шара коэффициент размагничивания равен N = 
, поэтому на экваторе поле будет равным критическому при индукции В0 = 
× Вк. При дальнейшем увеличении поля сверхпроводимость у экватора должна разрушиться. Однако весь шар не может перейти в нормальное состояние, так как в этом случае магнитное поле проникло бы внутрь образца и стало бы равно внешнему полю, то есть оказалось бы меньше критического. Поэтому наступает частичное разрушение сверхпроводимости, – образец расслаивается на нормальные и сверхпроводящие области. Такое состояние называется промежуточным.
Теория промежуточного состояния была разработана Л.Д.Ландау. Согласно этой теории в интервале полей с индукцией В1 < В0 < Вк сверхпроводящие и нормальные области сосуществуют, где В1 – индукция внешнего магнитного поля, в тот момент, когда в какой-либо точке образца поле становится равным критическому. Идеализированная картина такого состояния представляет собой чередующиеся S- и N-полосы[7], реально же эта ситуация намного сложнее.[8] Здесь картина не статична, соотношение между количеством S- и N- областей непрерывно меняется. С ростом поля сверхпроводящая S-фаза «тает» за счет роста N-областей и при индукции В = Вк исчезает полностью.
Итак, выяснен механизм уничтожения сверхпроводимости магнитным полем. Но известно, что ток, протекающий по сверхпроводнику, при превышении критического значения, также уничтожает сверхпроводимость.
Критический ток.
Еще в 1916 году было высказано предположение, что, сверхпроводимость уничтожается таким значением тока в проводнике, которое создает на поверхности поле, равное критическому.
Рассмотрим сверхпроводящую проволоку, по которой течет ток, возбужденный внешним источником. Такой ток называется током переноса, так как он переносит заряд. Если проволока находится во внешнем магнитном поле, то возникшие на его поверхности экранизирующие токи складываются с токами переноса и в каждой точке ток I можно рассматривать как суммарный. Магнитное поле на поверхности такой проволоки определяется выражением 
, где I – суммарный ток, r – радиус проволоки, μ0 – магнитная постоянная. Чтобы сверхпроводимость в какой-либо точке сохранилась, суммарный ток в ней не должен превысить критическую величину, присущую данному материалу. Очевидно, что чем больше внешнее поле, тем меньший ток переноса можно пропускать по проводнику без разрушения сверхпроводимости.
Теперь рассмотрим, каким образом происходит переход из сверхпроводящего в нормальное состояние. Если ток течет по сверхпроводнику в присутствии внешнего магнитного поля, то все зависит от того, как распределены в пространстве силовые линии собственного и внешнего полей. Если же внешнее поле отсутствует, то можно предположить, что при критическом токе в нормальное состояние перейдет лишь внешний цилиндрический слой проволоки, а ее сердцевина остается сверхпроводящей. Так как ток выбирает путь наименьшего сопротивления, то естественно он будет протекать по сердцевине проволоки, а не по внешнему цилиндрическому слою. Но, как известно, индукция магнитного поля обратно пропорциональна радиусу области, в которой протекает ток. Получается, что в центральной части магнитное поле будет больше, чем на поверхности. Если на поверхности поле достигает своего критического значения, то в центральной части оно становится больше критического и сверхпроводящая сердцевина должна уменьшить свой радиус. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока радиус не обратится в ноль, то есть пока проволока не перейдет в нормальное состояние. Но со всей проволокой этого не произойдет, так как поле достигло критического значения только лишь на поверхности. Поэтому при критическом токе проволока не может быть ни полностью сверхпроводящей, ни полностью нормальной. Сверхпроводник переходит в промежуточное состояние с чередующимися сверхпроводящими и нормальными слоями.
Для этого промежуточного состояния был предложен ряд моделей. Например, что при силе тока большей критической сверхпроводящее состояние сосредотачивается в сердцевине, окруженной нормальной оболочкой.[9] По мере возрастания тока толщина этой оболочки растет, а сопротивление проводника плавно увеличивается от нуля до нормального значения. Другая модель - чередование областей происходит вдоль всей проволоки.[10] А при увеличении тока сверхпроводящие области все более сжимаются до того, пока не исчезают полностью.
Для технических применений сверхпроводников важны величины токов, которые не разрушают сверхпроводимость. Здесь большое значение имеет принадлежность к сверхпроводникам I или II рода. Сверхпроводникам I рода для создания границы между нормальной и сверхпроводящей областями необходимо затратить энергию, и, поэтому их поверхностная энергия положительна. К сверхпроводникам I рода относятся в основном чистые металлы. Сплавы же, как правило, относятся к сверхпроводникам II рода, у которых поверхностная энергия отрицательна, то есть при образовании границ между нормальными и сверхпроводящими областями выделяется энергия. Таким сверхпроводникам энергетически выгодно пропустить в свой объем часть внешнего магнитного потока.
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8