Надпровідність

Зі зниженням температури спостерігається монотонне падіння електричного опору матеріалів. Поблизу абсолютного нуля у багатьох металів і сплавів відбувається різке падіння електричного опору, і вони стають сверхпроводниками (рисунок 3.3).

 

Надпровідність – здатність матеріалів не чинити опору електричному струму при температурах нижче характерною для них критичної температури Тк.

Вперше надпровідність виявив в 1911 р голландський вчений Гейко Камерлінг-Оннес, який спостерігав стрибкоподібне зникнення опору ртуті до незмірно малої величини при температурі 4,2 К.

До теперішнього часу надпровідність виявлена у більшості чистих металів, причому надпровідний стан найлегше виникає в металах з низькою звичайної провідністю. Відкрито і вивчено близько трьох тисяч надпровідних сплавів і інтерметалевих з’єднань, і їх число постійно зростає. Чисті метали прийнято відносити до надпровідників першого роду, а сплави і сполуки – до надпровідників другого роду.

Напруженість магнітного поля в об’ємі надпровідників при температурах нижче критичної дорівнює нулю. Метал стає діамагнетиком – матеріалом, які купують в зовнішньому магнітному полі магнітний момент, направлений проти намагнічує поле. Тому при переході матеріалу в надпровідний стан зовнішнє магнітне поле «виштовхується» з його обсягу і залишається лише в тонкому поверхневому шарі товщиною близько 10-5 мм. Це явище називається ефектом Мейснера.

Переклад матеріалу в надпровідний стан пов’язаний з фазовим переходом. Нове фазовий стан характеризується тим, що вільні електрони перестають взаємодіяти з іонами кристалічної решітки і вступають у взаємодію між собою. Електрони з протилежними спинами об’єднуються в пари, і результуючий спіновий момент стає рівним нулю. Електронні пари називають куперовскими по імені Леона Купера, вперше показав, що надпровідність в металах пов’язана з їх освітою.

У звичайному, неспареними стані електрони розсіюються на домішках, наявних в металі, або на теплових коливаннях кристалічної решітки – фонони. Розсіювання електронів призводить до виникнення електричного опору. Куперовськие пари не розсіюються, так як енергія фононів, яку пара може отримати від взаємодії з ними або дефектами решітки при кріогенних температурах, занадто мала. Не відчуваючи розсіювання, куперовские пари рухаються крізь ґрати кристала без опору, що і призводить до явища надпровідності.

Надпровідний стан може бути зруйновано як при нагріванні матеріалу до температури вище критичної, так і в результаті впливу сильних зовнішніх магнітних полів з напруженістю Нк, що перевищує критичне значення. Критичне магнітне поле подібно критичної температури є основною характеристикою надпровідного матеріалу. При перевищенні Тк або Нк відбувається стрибкоподібне відновлення електричного опору, і магнітне поле проникає в метал. Одним з головних переваг надпровідників є можливість досягнення високої щільності струму. Чим вище щільність струму, тим компактніше прилади, менше витрата дорогих надпровідних матеріалів і менше маса, яку необхідно охолоджувати. Висока щільність струму дозволяє знизити капітальні та експлуатаційні витрати установок на надпровідниках.

Посилання на основну публікацію