Сверхпроводимость проводников
Другие рефераты
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= ?Н. Коэффициент
и называется магнитной проницаемостью вещества.При ?<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
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
