План реферата

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 4 0 К,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 О 0 К, температуре (критическая температура- Т к).

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 (Т к =9,22 0 К), а наиболее низкой – иридий (Т к = 0,140 0 К).

Сложное соединение,синтизированное в 1967 г.,сохраняет сверхпроводимость до 20,1 0 К, в 1973 г. рекорд равнялся 22,3 0 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 3,72 0 К,переходить в сверхпроводящее состояние.

Бериллий–сверхпроводник в виде тонкой пленки. Некоторые вещества становятся сверхпроводниками при высоком давлении (Ва с Т к=5 0 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= μН. Коэффициент и называется магнитной проницаемостью вещества.При μ<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 с e ~Т. В сверхпроводниках – по экспоненциальному закону.

где а и b – постоянные,не зависящие от температуры величины.

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=х эл +х реш.Электроны рассеиваются различными причинами(колебания решетки,примеси,другие электроны).Результирующая электронная теплопроводность Х эл 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.

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 e 1

Взаимодействие е 1 и е 2 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 другим электроном.Притяжение между электронами можно представить как обмен электронов фононами,причем притяжение наиболее эффективно,если импульсы взаимодействующих электронов антипараллельны.

2.Возникновение сверхпроводящего состояния вещества связано с возможностью образования в металле связанных пар электронов.Проявление сил притяжения можно представить.В результате деформации решетки электрон оказываеся окруженным “облаком “положительного заряда, притягивающегося к электрону. Тогда такой электрон вместе с окружающим его облаком представляет собой положительно заряженную систему,

которая будет притягиваться к другому электрону.

При высоких температурах достаточно сильное интенсивное тепловое движение отбрасывает частицы друг от друга,размывает ионную “шубу“, что фактически уменьшает силы притяжения.При низких же температурах силы притяжения играют очень важную роль.

Возникновение межэлектронного притяжения не противоречит законам физики.Два электрона, несомненно, отталкиваются друг от друга,если находятся в пустоте.

В среде же сила их взаимодействия равна

(ε-δиэлектрическая проницаемость среды).Если среда такова,что ε <0, то одноименные заряды (в данном случае электроны) будут притягиваться.

Кристаллическая решетка и является той средой, которая делает отрицательной диэлектрическую проницаемость в сверхпроводнике.

3.Расстояние между электронами пары равно:

где h-постоянная Планка,u F -скорость электрона на уровне Ферми,

k – постоянная Больцмана, Т c –температура перехода в сверхпроводящее состояние.Оценка показывает,что δ=10 см,т.е.электроны,образующие пару,

находятся на расстоянии порядка 10 4 периодов кристаллической

решетки.Вся электронная система сверхпроводника представляет собой связанный коллектив,простирающийся на громадные, по атомным масштабам,

расстояния.

Если при сколь угодно низких температурах кулоновское отталкивание между электронами преобладает над притяжением,образующим пары,то вещество (металл или сплав) остается по своим электрическим свойствам нормальным.Если же при температуре Т происходит преобладание сил притяжения над силами отталкивания,то вещество переходит в cверхпроводящее состояние

4.Важнейшей особенностью связанного в пары коллектива электронов в сверхпроводнике является невозможность обмена энергией между электронами и решеткой малыми порциями,меньшими,чем энергия связи пары электронов.

Это означает, что при соударении электронов с узлами кристаллической решетки не изменяется энергия электронов и вещество ведет себя как сверхпроводник с нулевым удельным сопротивлением.

Квантомеханическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решетки или примесях.А это и означает отсутствие электрического сопротивления.

Условия сверхпроводимости.

1.Сверхпроводники I и II рода.

Когда магнитный поток проходит через проводник без потерь и когда энергия связана с поверхностями раздела между участками n-фазы и s-фазы (граница между двумя фазами всегда обладает поверхностной энергией.)

На рис. 5 а-сверхпроводник с идеальным диамагнетизмом;б-сверхпроводник в смешанном состоянии.Заштрихованные области соответствуют сверхпроводящему состоянию (s-фазе), незаштрихованные- нормальному (n-фазе).При толщине слоев s- фазы,меньшей глубины проникновения, магнитный поток пронизывает и сверхпроводящие слои(Н- напряженность внешнего магнитного поля).

Искажения плотности сверхпроводящих электронов не могут проявлятся на расстояниях,меньших длины когерентности ξ~ΔS.

В поверхностную энергию дают вклад эффекты,зависящие как от глубины проникновения λ,ςак и от длины когерентности ξ.Как было показано,вклад в поверхностную энергию отрицателен(т.к. при этом объем чистой s-фазы

уменьшается на величину порядка λS, где S-площадь поверхности s-фазы) и, следовательно, добавка к внутренней энергии сверхпроводника уменьшается на величину порядка λSH 2 /8π.Εсли выполняется условия ξ>λ(αолееточный расчет дает условие ξ>λ 1/2),тообразование слоистой структуры энеогетически невыгодно и сверхпроводник существует в виде сплошной s-фазы.

Такие сверхпроводники называются сверхпроводимостью I рода.К ним принадлежат почти все чистые сверхпроводники.Если же выполняется условие ξ<λ 1/2 ,то энергетически выгодно образование слоистой структуры и сверхпроводники находятся в смешанном состоянии.Такие сверхпроводники называются свехпроводимостью II рода.К ним относятся многие сверхпроводящие сплавы и сверхпроводники, загрязненные примесями.

2.Сверхпроводимость может разрушаться током..

Если сверхпроводник II рода поместить в сильное внешнее магнитное поле, то критический ток в нем окажется равным 0,т.е. протекание сквозь угодно малого тока будет сопровождаться тепловыми потерями.Возникает система вихревых нитей и при пропуске тока происходит их взаимодействие.Опытным путем доказано,что жесткие сверхпроводники выдерживают сильные магнитные поля,а благодаря неоднородностям структуры через них можно пропускать большие токи.

3.Созданы новые сверхпроводящие вещества, дающие возможность получать поля около 200 кгс. Перспектива открытий в этой области неограничена.

Применение сверхпроводимости.

Продолжается поиск материалов,позволяющих получать все более мощные магнитные поля. Соленоиды создают не просто сильные магнитные поля.Возможно получение однородных полей в достаточно большой области пространства,что весьма важно при проведении научных исследований,

посвященных изучению свойств вещества в магнитном поле.

Наиболее заманчиво применение сверхпроводников в обмотках соленоидов для получения сверхсильных магнитных полей- порядка 100 000э и выше. Сильные магнитные поля необходимы,например, при управлении плазменными пучками в установках для исследования и возможного получения управляемых термоядерных реакций и в современных ускорителях заряженных частиц высоких энергий.

В этом случае энергию надо затрачивать только на охлаждение обмоток до температур ниже критической.

Каждый элемент провода с током в такой обмотке находится в очень сильном магнитном поле соседних витков,поэтому целесообразно применять сверхпроводники II рода,выдерживающие большие магнитные поля. Для этих целей выявлены сверхпроводимость III рода(ниобий-цирконий или ниобий-олово).

Сверхпроводящие сплавы используются для получения сверхмощных постоянных магнитов. В отличие от обычного электромагнита сверхпров. не нуждается во внешнем источнике питания,поскольку протекающий в нем ток не испытывает электрического сопротивления.

Другим примером применения сверхпроводников является клистрон-управляющий элемент в электрических цепях.На проводник,по которому течет электрический ток, наматывается несколько витков также сверхпроводящей проволоки, но обладающей более высоким значением критического поля Н к.1Меняяток в витках,можно создать критическое поле в управляемом сверхпроводнике, что приведет к его “запиранию” вследствие потери им С.

Много исследований посвящается вопросу об использовании сверхпров. при создании вычислительных машин.Сверхпроводящий ток является незатухающим.Это позволяет использовать его в качестве идеального запоминающего устройства,хранящего большие и легко считываемые запасы информации.

Скорость “ вспоминания” сверхпроводящих устройств значительно превышает возможности человеческого мозга.Они в состоянии всего лишь за 10 -6 сек выбрать нужную информацию из 10 11 ее единиц.

В вычислительной технике используется двоичная система.Двойственность сверхпроводников(они могут находиться или в нормальном,или в сверхпроводящем состоянии),быстрота их перехода под действием темпера-

туры или магнитного поля из одного состояния в другое позволяют использовать их в качестве элементов вычислительных машин. И в качестве переключающих устройств,работающих с очень высокой скоростью при малых затратах мощности, сверхпроводники идеальны.

Одно из таких устройств –так называемый проволочный криотрон.

Слово ”криотрон” греческого происхождения (cryo- холод).Изобретен этот прибор американским ученым Баком.Прибор состоит из проволоки,

сделанной,например,из свинца или тантала, по которой протекает сверхпроводящий ток.Эта проволока называется клапаном.На нее намотана более тонкая –из ниобия.Катушка,образованная этим тонким проводом,

называется управляющей.При протекании по ней достаточно большого тока сверхпроводимость в клапане разрушается.

Ниобий был выбран в качестве материала,из которого изготовляется управляющий провод,по той простой причине,что сверхпров. сохраняетсся в нем при достаточно сильных магнитных полях.Критические поля свинца или тантала,образующих клапан,являются весьма малыми,и сверхпров.в них поэтому разрушается при пропускании в ниобиевой катушке достаточно слабого тока.

Сопротивление в клапане меняется при этом скачком от нуля до некоторого конечного значенитя.Уменьшением тока в управляемом проводе снова восстанавливается сверхпроводящие состояния свинца или тантала.

Скорость переключения в клиотронах достигает двух наносекунд

(2*10 -9 сек).Высокая скорость в сочетании с простотой устройства и лежит в основе использования сверхпроводящих криотронов в вычислительной технике.ЭВМ,использующая сверхпроводящие устройства,выделяется

своей необычной компактностью.

Вполне возможным является создание миниатюрного сверхпроводящего триода.Его можно представить себе состоящим всего из трех наклеенных друг на друга металлических пленок, причем роль сетки обычной радиолампы играет средняя полоска, в которой регулируется ток и создаваемое им магнитное поле.

Сверхпроводник,в толщу которого не проникает магнитное поле, всегда окружен магнитной “ подушкой”.

Эффект механического отталкивания используется для создания опор без трения.Сверхпроводящая сфера благодаря диамагнитному эффекту висит над кольцом,в котором циркулирует незатухающий ток.Сила тяжести

при этом уравновешивается магнитной “ подушкой”,создаваемой сверхпров. током.Оказывается,что могут “парить” довольно тяжелые предметы.Так,в одном из опытов был подвешен свинцовый цилиндр весом 5 кг.

Устройство, в котором используется описанное явление,называется сверхпроводящим подвесом.Такие подвесы могут использоваться в гироскопах,моторах и в ряде других устройств.Принцип механического отталкивания положен в основу создагния электрических машин,к.п.д. которых благодаря замечательным свойствам сверхпроводников равена 100%. В этих машинах ротор выполнен в виде шестиугольного сверхпроводящего

стаканчика.Два магнитика,вращающиеся по окружности статора,отталкивают от себя магнитной “подушкой” сверхпроводящий ротор.Последний при этом приходит во вращение, скорость которого доходит до 20 000 об/мин

и в принципе может быть увеличена до большого значения.

Самая заманчивая перспектива использования эффекта механического отталкивания связана с работами по созданию “сверхпроводящей “ железной дороги.Японцы первыми создали модель железной дороги на магнитной подушке с вагонами,в которых находятся сверхпроводящие магниты.Вагон весом 2 т и размером 4х1,5 х 0,8 м двигался над путепроводом со скоростью

на “магнитной подушке “ сможет двигаться со скоростью 500 км/ час!Эти разработки ведутся во всех странах Европы.

У нас разработан проект такой дороги между Петербургом и Москвой.

Это явление в лабораторных условиях рассмотрел в замечательном эксперименте В.К.Аркадьев,назвавший его “ гроб Магомета”.Над металличе-

ским кольцом, в котором циркулирует такой ток, поместить в сверхпроводящую сферу, то на ее поверхности индуцируется сверхпроводящий ток.Его возникновение вследствие диамагнитного эффекта приведет к появлению сил отталкивания между кольцом и сферой.В результате сфера оказывается висящей над кольцом на высоте,определяемой равенством силы

отталкивания и веса сферы.Подобный эффект механического отталкивания

наблюдается и в том случае, когда над сверхпроводящим кольцом помещается постоянный магнит,без видимой поддержки висящий над кольцом,в котором циркулируют индуцированные магнитом незатухающие сверхпроводящие токи.

Сверхпроводящие трансформаторы.Отсутствие в них тепловых потерь;сверхпроводящие трансформаторы при большой мощности (до 1 000 000 квт) оказываются значительно более компактыми по сравнению с обычными.

В них можно не использовать сталь в качестве магнитного материала. Создаваемые сверхпроводниками магнитные поля намного превосходят значения напряженности,реализуемые в стальных материалах.

В последнее время в радиотехнике начинают использовать сверхпроводящие объемные резонаторы.Добротность резонатора обратно пропорциональна

электрическому сопротивлению его стенок.Ясно,что применение сверхпроводников, не обладающих электрическим сопротивлением, является с этой точки зрения весьма перспективным. Так, обычный прямоугольный свинцовый резонатор при Т = 300 0 К и частоте 10 10 гц имеет добротность Q= 2*10 3 . Тот же резонатор, находящийся в сверхпроводящем состоянии (Т=4,2 0 К),характеризуется добротностью,достигающей Q= 4*10 8 .

Компактность мсожет использоваться в космическом корабле для

создания магнитной противорадиационной защиты.Космонавт должен взять в космос “ низкие температуры” и сверхпроводящий соленоид.

Квантование магнитного потока в сверхпроводниках используется для создания магнитомеров для измерения слабых магнитных полей.Приборы такого вида называются квидами.Они фиксируют изменения потока

Например, если площадь сечения сквида равна 0,1 см 2,то можно измерять поля ~10 -10 э!

Катушка с полем

переменного тока

Тонкая пленка

(~10 -6 cм толщиной)

Изображенный сквид представляет собой два тонких сверхпроводящих полуцилиндра, полученных напылением на катушку.Эти полуцилиндры соединены тонким мостиком, образующим слабую связь.Квантование этого магнитного потока приводит к ступенчатому характеру зависимости потока от внешнего магнитного поля.Это изменение потока генерирует сигнал в резонансном колебательном контуре.С помощью этих сигналов и регистрируются слабые изменения магнитного поля.

Сквиды используются для снятия магнитокардиограмм, т.е. для исследования сигналов от магнитного поля, создаваемого при работе сердца пациента.Сквид

располагается в криостате,на расстоянии нескольких сантиметров от сердца

пациента.Регистрируются резкие сигналы,идущие от сердца.Ясно,что этот метод важен для медицинских исследований.

Квантование магнитного потока может быть использовано для создания пространства,в котором вообще отсутствует магнитное поле.Если охладить цилиндр,внутри которого имеется слабое магнитное поле, до температуры ниже критической, то внутри цилиндра “заморозится” некоторый магнитный поток.Если после этого мы начнем постепенно увеличивать радиус цилиндра,то число квантов потока не изменится, но увеличение площади сечения повлечет за собой соответствующее уменьшение напряженности поля.Если использовать несколько вложенныхдруг в друга цилиндров.то описанным путем можно в конце концов добиться того, что во внутреннем цилиндре не будет содержаться ни одного кванта потока.

Таким образом, возникает область,не содержащая магнитного поля, т.е. создается идеальный магнитный экран.

Интересным прибором является также сверхпроводящий болометр.Он предназначается для измерения радиации в инфракрасной области спектра.

Основной частью такого болометра является тонкая проволока из сверхпроводника,находящаяся при температуре,близкой к критической. Под

действием падающей радиации, которая поглащается металлом,температура повышается и становится больше Тк.При этом сверхпроводимость разрушается,и в проволоке скачком восстанавливается нормальное сопротивление.

Это приводит к легко регистрируемому падению напряжения.Резкость перехода в нормальное состояние делает сверхпроводящий болометр весьма чувствительным прибором.Порог чувствительности его составляет

10 -10 –10- 12 вт.

Техническая сверхпроводимость находится в развитии и составляет часть технической физики.

Использованная литература

1.Иваноа Б.Н.Законы физики.М.: Высшая школа.1986.

2.Кресин В.З.Сверхпроводимость и сверхтекучесть.М.:Наука,1978.

3.Парселл Э.Электричество и магнетизм.М.:Наука,1985.

(Берклиевский курс физики).

4.Суорц Кл.Э.Необыкновенная физика обыкновенных явлений.

В сборнике “Успехи физических наук”.М.:Наука,1986.

5.Тилли Д.,Тилли Дж.Сверхтекучесть и сверхпроводимость,пер.с англ.

М.: Наука,1977.

6.Физика микромира,Малая энциклопедия.М.:Советская энциклопедия,

1980, с.335-352.

7.Шубин А.С.Курс общей физики.М.:Высшая школа,1976.

8.Яворский Б.М.,ДетлафА.А..Справочник по физике.М.:Наука,1985,с.417.

При температуре ниже определённого значения некоторые вещества теряют способность препятствовать прохождению электрического тока. Их электрическое сопротивление становится нулевым. Это свойство называют сверхпроводимостью.

Открытие сверхпроводимости

Явление сверхпроводимости открыл в 1911 г. голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес , исследуя зависимость электрического сопротивления металлов от температуры. Сверхнизкими температурами он начал интересоваться ещё в 1893 г. А в 1908 г. ему удалось получить жидкий гелий. Охлаждая с его помощью металлическую ртуть, он с удивлением обнаружил, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, электрическое сопротивление ртути скачком падает до нуля.

Согласно существовавшим в то время физическим теориям, с понижением температуры сопротивление должно плавно падать. Но существовала и такая точка зрения, что при очень низкой температуре движение электронов прекратится, сопротивление вырастет, и вещество вообще перестанет проводить электрический ток.

В начале эксперимента всё происходило согласно теории. С понижением температуры сопротивление ртути плавно уменьшалось. Но когда температура опустилась до 4,15 К, ртуть внезапно вообще потеряла сопротивление. Она перешла в совершенно новое состояние, которое было названо сверхпроводимостью .

Природа сверхпроводимости

Что же происходит в металлах при понижении их температуры до значений, близких к абсолютному нулю?

Каждый атом состоит из ядра, заряженного положительно, и электронов, имеющих отрицательный заряд. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам. Чем ближе орбита к ядру, тем сильнее электрон к нему притягивается. Электроны, находящиеся на внешней орбите, называются валентными. Они легко отрываются от ядра, покидают свою орбиту и свободно перемещаются внутри кристаллической решётки. Под воздействием внешнего электрического поля их движение становится упорядоченным, они начинают двигаться в одном направлении. В металле возникает электрический ток. Однако на пути электронов возникают препятствия в виде узлов кристаллических решёток, их дефектов, или атомов примесей, которые присутствуют в веществе. Поэтому возникает электрическое сопротивление току. С понижением температуры нарушения структуры решёток, связанные с тепловыми колебаниями атомов, уменьшаются. Структура становится более правильной. Следовательно, уменьшается и сопротивление.

Объяснение сверхпроводимости на микроскопическом уровне было дано в теории, названной БКШ в честь её создателей - американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера . В её основу положены куперовские пáры электронов .

Леон Нил Купер

При обычных условиях электроны являются фермионами, частицами с полуцелым спином, имеющим значение -1/2 или +1/2. Каждый из фермионов описывается своей волновой функцией. Двигаются они также поодиночке и самостоятельно преодолевают препятствия на своём пути. Но при определённых условиях они образуют пáры. Электроны со значениями спинов +1/2 и -1/2 объединяются и образуют связанное состояние, которое называют кýперовской парой . Эта пара имеет нулевой спин и удвоенный заряд электрона. А раз её суммарный спин равен нулю, то она обладает свойствами бозона. Бозоны образуют «бозе-конденсат», к которому присоединяются все свободные бозоны. Они становятся единым целым, способным двигаться, не реагируя ни на какие препятствия на своём пути. Так возникает ток сверхпроводимости.

Критическая температура

Оказалось, что не только ртуть обладает сверхпроводимостью при температурах, близких к абсолютному нулю. Такое свойство открыли у свинца, олова, таллия, урана и других металлов. Сверхпроводимость проявляется скачкообразно, когда вещество охлаждается до определённой температуры. Температуру Т с , при которой этот скачок происходит, называют критической. У каждого элемента, обладающего сверхпроводимостью, она своя. Например, ниобий переходит в состояние сверхпроводимости при 9 К, а вольфрам при 0,012 К.

Сверхпроводимостью обладают не только чистые металлы, но и некоторые сплавы. Например, сплав ртути с золотом и оловом. Существуют даже сверхпроводящие сплавы, у которых один из элементов, входящих в его состав, может и не быть сверхпроводником.

Если кольцо из сверхпроводника охладить до критической температуры и возбудить в нём электрический ток, то он будет течь даже после того, как уберут источник тока, и до тех пор, пока в кольце будет поддерживаться температура ниже критической. Но так происходит только в электрическом поле постоянного электрического тока. В переменном электрическом поле сопротивление сверхпроводника увеличивается, если увеличивается частота переменного тока.

В 1983 - 1986 г.г. были созданы новые сверхпроводники. Это сверхпроводящие керамики, сверхпроводники на основе железа и др. Сверхпроводимость в них наступала при температурах, значительно превышающих температуру абсолютного нуля. В 1993 г. было открыто вещество, критическая температура которого равна 135 К.

Эффект Мейснера

В 1933 г. немецкий физик Вальтер Фриц Мейснер вместе с другим немецким физиком Робертом Оксенфельдом открыл ещё одно удивительное и важное свойство сверхпроводников - выталкивание магнитного поля из своего объёма . Это явление было названо эффектом Мейснера .

Вальтер Фриц Мейснер

Эффект Мейснера наглядно демонстрирует опыт, поставленный в 1945 г. российским физиком Владимиром Константиновичем Аркадьевым.

В этом эксперименте постоянный магнит, поднесённый к чашечке, сделанной из сверхпроводящего металла, висит в пространстве над ней. Низкая температура чашечки поддерживается за счёт того, что её ножки погружены в жидкий гелий. Но почему же магнит не притягивается к чашечке? Дело в том, что незатухающий ток внутри сверхпроводника создаёт магнитное поле, направление которого противоположно направлению внешнего магнитного поля, создаваемого магнитом. Это поле уравновешивает и отталкивает внешнее поле, благодаря чему магнит будто парит в пространстве. Это явление называется магнитной левитацией.

Если поместить сверхпроводник в магнитное поле и напряжённость этого поля увеличивать, то при определённом значении напряжённости, равной Н с , сверхпроводимость исчезает. Такое магнитное поле называется критическим полем. При напряжённости выше Н с сверхпроводник становится обычным проводником. Чем ниже температура сверхпроводника, тем большей должна быть напряжённость поля, способного разрушить сверхпроводимость.

В чистых сверхпроводников, состоящих из одного вещества, магнитное поле будет выталкиваться до тех пор, пока напряжённость магнитного поля не достигнет значения Н с . Такие сверхпроводники называются сверхпроводниками I рода .

А для сверхпроводящих сплавов таких значений два: Н с1 и Н с2 . Когда напряжённость внешнего магнитного поля достигнет значения Н с1 , это поле уже начнёт проникать внутрь сверхпроводника. Но его электрическое сопротивление всё ещё остаётся нулевым, и явление сверхпроводимости наблюдается. А когда напряжённость станет равна Н с2 , сверхпроводимость исчезнет совсем. Такие сверхпроводники называются сверхпроводниками II рода .

Применение сверхпроводников

Открытие сверхпроводимости произвело настоящий переворот в науке. Сразу же появилось множество идей по использованию этого уникального явления в технике.

При сверхнизких температурах ток проходит в сверхпроводниках практически без потерь. Поэтому их используют при создании различных кабелей, коммутационных устройств, электродвигателей, турбогенераторов, приборов для измерения температуры, давления и др. Они идеально подходят для создания электромагнитов. С их помощью создаётся электромагнитное поле в магнитно-резонансном томографе. Это позволяет врачам получать качественные изображения тканей внутренних органов человека в разрезе, хотя на самом деле орган не травмируется.

В установках термоядерного синтеза, в крупных ускорителях элементарных частиц используют сверхпроводящие катушки.

Обмотки сверхпроводящих магнитов, с помощью которых создают сильные магнитные поля, изготавливают из сверхпроводников II рода. Сверхпроводящие магниты гораздо экономичнее обычных ферромагнитов.

В 2003 г. в Японии провели испытание поезда на магнитной подвеске. Его движение основано на использовании эффекта Мейснера (магнитной левитации). Электромагнитное поле рельсов отталкивается сверхпроводниками, находящимися в подвеске поезда. И поезд словно летит над рельсами, не касаясь их. Это позволяет ему развивать огромную скорость, сравнимую со скоростью самолёта. Конечно, такие поезда требуют специальных рельсов. Но энергии они затрачивают в десятки раз меньше, чем самолёты. Подобные поезда созданы в Германии, Китае и Южной Корее.

Сверхпроводники

При понижении температуры удельное электрическое сопротивление металлов уменьшается и при весьма низких (криогенных) температурах электропроводность металлов приближается к абсолютному нулю.

В 1911 г. при охлаждении кольца из замороженной ртути до температуры 4,2 К голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление о кольца внезапно падает до очень малого значения, которое невозможно измерить. Такое исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление бесконечной удельной проводимости у материала, было названо сверхпроводимостью.

Материалы, обладающие способностью переходить в сверхпроводимое состояние при их охлаждении до достаточно низкой температуры, стали называть сверхпроводниками. Критическая температура охлаждения, при которой происходит переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверх-проводимого перехода или критической температурой перехода Ткр.

Переход в сверхпроводимое состояние является обратимым. При повышении температуры до Тк материал возвращается в нормальное (непроводящее) состояние.

Особенность сверхпроводников состоит в том, что однажды наведенный в сверхпроводящем контуре электрический ток будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и притом без всякого дополнительного подвода энергии извне. Подобно постоянному магниту такой контур создает в окружающем пространстве магнитное поле.

В 1933 г. немецкие физики В.Майснер и Р.Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее состояние становятся идеальными диамагнентиками. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело. Если переход материала в сверхпроводящее состояние происходит в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника.

Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода Тк. Поэтому устройства, в которых используются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном давлении примерно 4,2 К). Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов.

Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым металлам (химическим элементам) и различным сплавам и химическим соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Возможности использования явления сверхпроводимости определяются значениями температуры перехода в сверхпроводящее состояние Тк и критической напряженности магнитного поля.

Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые. К мягким сверхпроводникам относят чистые металлы, за исключением ниобия, ванадия, теллура. Основным недостатком мягких сверхпроводников является низкое значение критической напряженности магнитного поля.

В электротехнике мягкие сверхпроводники не применяются, поскольку сверхпроводящее состояние в этих материалах исчезает уже в слабых магнитных полях при небольших плотностях тока.

К твердым сверхпроводникам относят сплавы с искаженными кристаллическими решетками. Они сохраняют сверхпроводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных магнитных полях.

Свойства твердых сверхпроводников были открыты в середине нашего столетия и до настоящего времени проблема их исследования и применения является одной из важнейших проблем современной науки и техники.

Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:

· при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного интервала;

· некоторые из твердых сверхпроводников имеют не только сравнительно высокие значения критической температуры перехода Тк, но и относительно высокие значения критической магнитной индукции Вкр;

· при изменении магнитной индукции могут наблюдаться промежуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;

· имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;

· зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кристаллической структуры.

По технологическим свойствам твердые сверхпроводники делят на следующие виды:

· сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготавливать проволоку и ленты [ниобий, сплавы ниобий-титан (Nb-Ti), ванадий-галлий (V-Ga)];

· трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии (интерметаллические материалы типа станнида ниобия Nb3Sn).

Часто сверхпроводниковые провода покрывают «стабилизирующей» оболочкой из меди или другого хорошо проводящего электрический ток и тепло металла, что дает возможность избежать повреждения основного материала сверхпроводника при случайном повышении температуры.

В ряде случаев применяют композитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число тонких нитевидных сверхпроводников заключено в массивную оболочку из меди или другого несверхпроводникового материала.

Пленки сверхпроводниковых материалов имеют особые свойства:

· критическая температура перехода Ткр в ряде случаев значительно превышает Ткр объемных материалов;

· большие значения предельных токов, пропускаемых через сверхпроводник;

· меньший температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводники используют при создании: электрических машин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэффициентом полезного действия; кабельных линий для передачи энергии большой мощности на большие расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и устройств памяти; магнитных линз электронных микроскопов; катушек индуктивности с печатным монтажом.

На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники.

Обмотки электромагнитов из сверхпроводников позволяют получать максимально возможные значения напряженности магнитного поля

Вопросы различных применений сверхпроводящих материалов стали обсуждаться практически сразу после открытия явления сверхпроводимости . Еще Камерлинг-Оннес считал, что с помощью сверхпроводников можно создавать экономичные установки для получения сильных магнитных полей. Однако реальное использование сверхпроводников началось в 50-х − начале 60-х годов XX века. В настоящее время работают сверхпроводящие магниты различных размеров и форм. Их применение вышло за рамки чисто научных исследований, и сегодня они широко используются в лабораторной практике, в ускорительной технике, томографах, установках для управляемой термоядерной реакции. С помощью сверхпроводимости стало возможным многократно повысить чувствительность многих измерительных приборов. Такие приборы названы сквидами (от англ. Superconducting Quantum Interference Devices ). Особо следует подчеркнуть внедрение сквидов в технику, в том числе и в современную медицину.

Наибольшее применение сверхпроводники нашли в настоящее время в области создания сильных магнитных полей. Современная промышленность производит из сверхпроводников второго рода разнообразные провода и кабели, используемые для изготовления обмоток сверхпроводящих магнитов, с помощью которых получают значительно более сильные поля (более 20 Тл), чем при использовании железных магнитов. Сверхпроводящие магниты являются и более экономичными. Так, например, для поддержания в медном соленоиде с внутренним диаметром 4 см и длиной 10 см поля 100 кГс необходима электрическая мощность не менее 5100 кВт, которую нужно полностью отвести водой, охлаждающей магнит. Это означает, что через магнит надо прокачивать не менее 1 м 3 воды в минуту, а затем ее еще охлаждать. В сверхпроводящем варианте такой объем магнитного поля создается достаточно просто, необходимо лишь сооружение гелиевого криостата для охлаждения обмоток, что является несложной технической задачей.

Другое преимущество сверхпроводящих магнитов состоит в том, что они могут работать в короткозамкнутом режиме, когда поле «заморожено» в объеме, что обеспечивает практически не зависящую от времени стабильность поля. Это свойство очень важно при исследованиях веществ методами ядерного магнитного и электронного парамагнитного резонансов, в томографах и т. п.

Еще одно применение сверхпроводников − создание подшипников и опор без трения. Если над металлическим кольцом с током поместить сверхпроводящую сферу, то на ее поверхности в силу эффекта Мейснераиндуцируется сверхпроводящий ток, что приводит к появлению сил отталкивания между кольцом и сферой, и сфера может повиснуть над кольцом. Подобный же эффект может наблюдаться, если над сверхпроводящим кольцом поместить постоянный магнит. На этом может быть основано создание, например, новых видов транспорта. Речь идет о создании поезда на магнитной подушке, в котором будут полностью отсутствовать потери на трение о колею дороги. Модель такой сверхпроводящей дороги длиной 400 м была построенав Японии еще в 1970-х годах. Расчеты показывают, что поезд на магнитной подушке сможет развивать скорость до 500 км/ч. Такой поезд будет «зависать» над рельсами на расстоянии 2−3 см, что и даст ему возможность разогнаться до указанных скоростей.

В настоящее время широко используются сверхпроводящие объемные резонаторы, добротность которых может достигать . С одной стороны, такие устройства позволяют получать высокую частотную избирательность. С другой стороны, сверхпроводящие резонаторы широко используются в сверхпроводящих ускорителях, позволяя существенно уменьшить мощность, требуемую для создания ускоряющего электрического поля.

Применений сверхпроводимости может привести к созданию сверхбыстрых электронно-вычислительных машин. Речь идет о так называемых криотронах − переключающих сверхпроводящих элементах. Такие устройства могут легко сочетаться со сверхпроводящими запоминающими элементами. Важным преимуществом криотронов перед обычными полупроводниковыми устройствами является отсутствие потребности в энергии в стационарном состоянии. После создания переходов Джозефсона было предложено заменить ими криотроны, и оказалось, что время переключения такой системы составляет около 10 -12 с. Именно это и открывает широкие перспективы для создания мощнейших вычислительных машин, но пока эти разработки являются лишь лабораторными образцами.

Наиболее перспективными направлениями широкого использования высокотемпературных сверхпроводников считаются криоэнергетика и криоэлектроника. В криоэнергетике уже разработана методика изготовления достаточно длинных (до нескольких километров) проводов и кабелей на основе висмутовых ВТСП-материалов. Этого уже достаточно для изготовления небольших двигателей со сверхпроводящей обмоткой, сверхпроводящих трансформаторов, катушек индуктивности и т. д. На основе этих материалов созданы сверхпроводящие соленоиды, обеспечивающие при температуре жидкого азота (77 К) магнитные поля порядка 10000 Гс.

В криоэлектронике разработана методика изготовления пленочных сквидов, которые по своим характеристикам практически не уступают гелиевым аналогам. Освоена методика получения совершенных магнитных экранов из ВТСП, в частности, для исследования биомагнитных полей. Из ВТСП созданы антенны, передающие линии, резонаторы, фильтры, смесители частоты и т. д.

Темп технологических и прикладных исследований очень высок, так что, возможно, промышленность освоит выпуск изделий из высокотемпературных сверхпроводников раньше, чем будет достоверно выяснена природа сверхпроводимости в металлооксидных соединениях. Для технологии в первую очередь важен сам факт существования материалов, сверхпроводящих при достаточно высокой температуре. Однако направленное и осмысленное движение вперед, в том числе в технологической сфере невозможно без всестороннего исследования уже известных ВТСП, без понимания всех тонкостей высокотемпературной сверхпроводимости как интереснейшего физического явления.

ПРИМЕНЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ

Согласно закону электромагнитной индукции, любой электрический ток возбуждает вокруг себя магнитное поле. Сверхпроводники проводят ток практически без потерь, если поддерживать их при сверхнизких температурах (низкотемпературная сверхпроводимость – НТСП), поэтому они представляют собой идеальный материал для изготовления электромагнитов. В медицине широко используется такая медико-диагностическая процедура как электронная томография. Она проводится на сканере, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), и пациент, сам того не подозревая, находится в считанных сантиметрах от сверхпроводящих электромагнитов. Именно они создают поле, позволяющее врачам получать высокоточные образы тканей человеческого тела в разрезе без необходимости прибегать к скальпелю.

Наибольшее распространение из сверхпроводящих материалов в электротехнике получили сплав ниобий-титан и интерметаллид ниобий-олово. Технологические процессы изготовления исключительно тонких ниобий-титановых нитей и их стабилизации достигли весьма высокого уровня развития. При создании многожильных проводников на основе ниобий-олова широкое применение находит так называемая бронзовая технология.

Развитие сверхпроводниковой техники связано также с созданием ожижителей и рефрижераторов с все большей хладопроизводительностью на уровне температур жидкого гелия. Эволюция температуры сверхпроводящего перехода привела к возможности использования хладагентов с все более высокой температурой кипения (жидкий гелий, водород, неон, азот).

Наиболее широкое реальное применение сверхпроводимость находит при создании крупных электромагнитных систем. Уже в 80-х гг. прошлого века в СССР был осуществлен запуск первой в мире установки термоядерного синтеза Т-7 со сверхпроводящими катушками тороидального магнитного поля.

Сверхпроводящие катушки используются также для пузырьковых водородных камер, для крупных ускорителей элементарных частиц. Изготовление таких катушек для ускорителей довольно сложно, так как требование исключительно высокой однородности магнитного поля вызывает необходимость точного соблюдения заданных размеров.

В последние годы явление сверхпроводимости все более широко используется при разработке турбогенераторов, электродвигателей, униполярных машин, топологических генераторов, жестких и гибких кабелей, коммутационных и токоограничивающих устройств, магнитных сепараторов, транспортных систем и др. Следует также отметить такое направление в работах по сверхпроводимости как создание устройств для измерения температур, расходов, уровней, давлений и т.д.

Вопросы различных применений сверхпроводящих материалов стали обсуждаться практически сразу после открытия явления сверхпроводимости. Еще Камерлинг-Оннес считал, что с помощью сверхпроводников можно создавать экономичные установки для получения сильных магнитных полей. Однако реальное использование сверхпроводников началось в 50-х − начале 60-х годов XX века. В настоящее время работают сверхпроводящие магниты различных размеров и форм. Их применение вышло за рамки чисто научных исследований, и сегодня они широко используются в лабораторной практике, в ускорительной технике, томографах, установках для управляемой термоядерной реакции. С помощью сверхпроводимости стало возможным многократно повысить чувствительность многих измерительных приборов. Такие приборы названы сквидами (от англ. Superconducting Quantum Interference Devices ). Особо следует подчеркнуть внедрение сквидов в технику, в том числе и в современную медицину.

Наибольшее применение сверхпроводники нашли в настоящее время в области создания сильных магнитных полей. Современная промышленность производит из сверхпроводников второго рода разнообразные провода и кабели, используемые для изготовления обмоток сверхпроводящих магнитов, с помощью которых получают значительно более сильные поля (более 20 Тл), чем при использовании железных магнитов.

Сверхпроводящие магниты являются и более экономичными. Так, например, для поддержания в медном соленоиде с внутренним диаметром 4 см и длиной 10 см поля 100 кГс необходима электрическая мощность не менее 5100 кВт, которую нужно полностью отвести водой, охлаждающей магнит. Это означает, что через магнит надо прокачивать не менее 1 м 3 воды в минуту, а затем ее еще охлаждать. В сверхпроводящем варианте такой объем магнитного поля создается достаточно просто, необходимо лишь сооружение гелиевого криостата для охлаждения обмоток, что является несложной технической задачей.

Другое преимущество сверхпроводящих магнитов состоит в том, что они могут работать в короткозамкнутом режиме, когда поле «заморожено» в объеме, что обеспечивает практически не зависящую от времени стабильность поля. Это свойство очень важно при исследованиях веществ методами ядерного магнитного и электронного парамагнитного резонансов, в томографах и т. п.

Еще одно применение сверхпроводников − создание подшипников и опор без трения. Если над металлическим кольцом с током поместить сверхпроводящую сферу, то на ее поверхности в силу эффекта Мейснера индуцируется сверхпроводящий ток, что приводит к появлению сил отталкивания между кольцом и сферой, и сфера может повиснуть над кольцом.

Подобный же эффект может наблюдаться, если над сверхпроводящим кольцом поместить постоянный магнит. На этом может быть основано создание, например, новых видов транспорта. Речь идет о создании поезда на магнитной подушке, в котором будут полностью отсутствовать потери на трение о колею дороги. Модель такой сверхпроводящей дороги длиной 400 м была построена в Японии еще в 1970-х годах. Расчеты показывают, что поезд на магнитной подушке сможет развивать скорость до 500 км/ч. Такой поезд будет «зависать» над рельсами на расстоянии 2−3 см, что и даст ему возможность разогнаться до указанных скоростей.

В настоящее время широко используются сверхпроводящие объемные резонаторы, добротность которых может достигать . С одной стороны, такие устройства позволяют получать высокую частотную избирательность. С другой стороны, сверхпроводящие резонаторы широко используются в сверхпроводящих ускорителях, позволяя существенно уменьшить мощность, требуемую для создания ускоряющего электрического поля.

Применение сверхпроводимости может привести к созданию сверхбыстрых электронно-вычислительных машин. Речь идет о так называемых криотронах − переключающих сверхпроводящих элементах. Такие устройства могут легко сочетаться со сверхпроводящими запоминающими элементами. Важным преимуществом криотронов перед обычными полупроводниковыми устройствами является отсутствие потребности в энергии в стационарном состоянии. После создания переходов Джозефсона было предложено заменить ими криотроны, и оказалось, что время переключения такой системы составляет около 10 -12 с. Именно это и открывает широкие перспективы для создания мощнейших вычислительных машин, но пока эти разработки являются лишь лабораторными образцами.

Наиболее перспективными направлениями широкого использования высокотемпературных сверхпроводников считаются криоэнергетика и криоэлектроника. В криоэнергетике уже разработана методика изготовления достаточно длинных (до нескольких километров) проводов и кабелей на основе висмутовых ВТСП-материалов. Этого уже достаточно для изготовления небольших двигателей со сверхпроводящей обмоткой, сверхпроводящих трансформаторов, катушек индуктивности и т. д. На основе этих материалов созданы сверхпроводящие соленоиды, обеспечивающие при температуре жидкого азота (77 К) магнитные поля порядка 10000 Гс.

В криоэлектронике разработана методика изготовления пленочных сквидов, которые по своим характеристикам практически не уступают гелиевым аналогам. Освоена методика получения совершенных магнитных экранов из ВТСП, в частности, для исследования биомагнитных полей. Из ВТСП созданы антенны, передающие линии, резонаторы, фильтры, смесители частоты и т. д.

Темп технологических и прикладных исследований очень высок, так что, возможно, промышленность освоит выпуск изделий из высокотемпературных сверхпроводников раньше, чем будет достоверно выяснена природа сверхпроводимости в металлооксидных соединениях.

Контрольные вопросы

1. Каково равновесное состояние электронного газа в проводнике в отсутствие электрического поля?

2. Поясните механизм дрейфа электронов под действием внешнего поля.

3. Какими соотношениями определяется подвижность носителей заряда в полупроводниках? Какие факторы определяют величину подвижности?

4. Чем определяется электропроводность σ n металлов?

5. Чем обусловлено электросопротивление металлов? Какова его зависимость от температуры?

6. О чем говорит закон Видемана – Франца?

7. Почему при расчётах электропроводности проводников учитывается полная концентрация носителей заряда, если реально в проводимости участвуют только ферми-электроны?

8. Привести график и дать объяснения зависимости проводимости легированного полупроводника с разной степенью легирования от температуры.

9. Указать основные свойства сверхпроводящего состояния

10. Дать качественное описание механизма возникновения сверхпроводимости с помощью БКШ-теории.

11. Описать направления применения сверхпроводимости.

Однажды в поисках материала по нанотехнологиям я узнала, что студенты кафедры «Физика наноструктур и наноэлектроника» Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского занимаются таким явлением, как сверхпроводимость. Мне стало интересно, какие же преимущества сверхпроводники имеют перед обычными проводниками и почему же они не используются в быту.

Цель работы - выявить перспективы использования сверхпроводимости в настоящем и будущем.

Задачи:

1) ознакомиться с историей открытия сверхпроводимости;

2) изучить основные виды сверхпроводимости;

3) выявить практическую значимость и перспективы использования явления СП в современном мире и в будущем;

4) рассмотреть роль нанотехнологий в развитии комнатной сверхпроводимости.

Методы:

1) Эмпирические: а) изучение литературных источников;б) самооценка.

2) Теоретические: а) описание;б) обобщение.

Объект исследования - сверхпроводники.

Предмет исследования - применение сверхпроводников.

Гипотеза - спектр применения сверхпроводников крайне широк.

I. История открытия сверхпроводимости.

Сегодня сверхпроводимость - это одна из наиболее изучаемых областей физики, явление, открывающее перед инженерной практикой серьезные перспективы. Что же представляет собой сверхпроводимость? Какой смысл заложен в этом понятии?

Сверхпроводимость - это квантовое явление, при котором течение электрического тока в материале происходит без диссипации энергии. Оно характеризуется падением до нуля электрического сопротивления при охлаждении сверхпроводника ниже определенной температуры, которая называется температурой сверхпроводящего перехода (Tc) и определяется для каждого конкретного материала.

Другим ключевым параметром является критическая плотность тока (Jc, сила тока, поделенная на сечение сверхпроводника). Это значение соответствует величине плотности электрического тока в сверхпроводнике, при превышении которого образец возвращается в нормальное несверхпроводящее состояние.

Третьим критическим параметром является величина приложенного магнитного поля (Bc), при превышении которой восстанавливается электрическое сопротивление сверхпроводника, и он снова становится несверхпроводящим.

Изучив историю открытий в области сверхпроводимости, я обобщила материал в виде таблицы (см. Приложение 1).

II. Виды сверхпроводников и их свойства.

1. По температуре перехода в сверхпроводящее состояние

А) Низкотемпературные (Тс ниже 77 К).

В низкотемпературных сверхпроводниках электроны взаимодействуют через фононы - кванты тепловых колебаний положительно заряженных ионов, составляющих кристаллическую решетку металла. Ее искажение, возникающее при прохождении одного электрона, через несколько микросекунд оказывает влияние на его партнера. Таким образом, при испускании и поглощении фононов между электронами возникает слабое взаимное притяжение.

Б) Высокотемпературные (Тс от 77 до 135 К).

Все известные в настоящее время высокотемпературные сверхпроводники являются оксидами, большинство из которых содержат медь, но имеются также и соединения без меди. Особое значение в оксидных высокотемпературных сверхпроводниках имеет состояние кислородной подрешетки, т.е. концентрация, структурное положение и подвижности атомов кислорода в кристаллической структуре. Это вызвано тем, что с кислородом в оксидных сверхпроводниках связывают как понимание природы высокотемпературной сверхпроводимости, так и объяснение нестабильности свойств высокотемпературных сверхпроводящих материалов.

В) Комнатные (293 К).

Отдельные зерна графита могут проявлять сверхпроводящие свойства при комнатной температуре после обработки водой и выпекания в печи, что говорит о возможности достижения сверхпроводимости в нормальных условиях на практике. Но пока что в этой области сделано очень мало открытий.

2. По магнитным свойствам: (см. Приложение 2)

А) Сверхпроводники Iрода.

Сверхпроводниками I рода являются все чистые металлы, кроме переходных. Для сверхпроводников I рода характерны скачкообразный переход в сверхпроводящее состояние и наличие одной критической напряженности магнитного поля, при которой наблюдается этот переход. Значения критической температуры и критической напряженности магнитного поля у них малы, что затрудняет их практическое применение. Для сверхпроводников I рода характерным является проявление эффекта Мейснера.

Б) Сверхпроводники IIрода.

Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода. Они переходят в сверхпроводящее состояние в некотором интервале температур. Значения критической температуры и напряженности у них меньше. В таких сверхпроводниках токи не вытесняются на поверхность образца, а образуют цилиндрические каналы, пронизывающие весь объем. В центре канала куперовских пар нет, и сверхпроводимость отсутствует. При возрастании магнитного поля нити, расширяясь, сближаются и сверхпроводящее состояние разрушается. Достаточно сильные магнитные поля, которые способны выдерживать эти сверхпроводники, позволяют использовать их в различного типа устройствах для создания сильного магнитного поля.

Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки.

3. По общим свойствам:

А) Органические сверхпроводники (Tc= 11,5 К).

Б) Соединения типа A-15, представляющие собой классические низкотемпературные сверхпроводники (Tc= 23,2 К).

В) Магнитные сверхпроводники или фазы Чевреля, объединяющие ферромагнитные и антиферромагнитные сверхпроводники (Tc= 15 К и Bc2 (вернее поле) = 60 Тл).

Г) Тяжелые фермионы (Tc=18К) демонстрируют сосуществование сверхпроводимости с ферромагнитизмом и антиферромагнитизмом.

Д) Оксидные сверхпроводники без меди - предшественники высокотемпературных сверхпроводников (Tc=31К), монокристаллы перовскитного диэлектрика - оксида вольфрама, допированного натрием (91 К).

Е) Оксипниктиды - редкоземельные оксидные структуры без меди, (Tc=55К); также как и ВТСП имеют слоистую кристаллическую структуру и соответствующие проводящие плоскости FeAs.

Ж) Оксиды пирохлоров, представляющие группу минералов, содержащих титан, тантал и ниобий (Tc= 9,6 К).

З) Рутенокупраты - ближайшие структурные родственники ВТСП, в которых сверхпроводимость сосуществует с ферромагнетизмом (Tc= 50 К).

И) Высокотемпературные сверхпроводники - сверхпроводящие купраты, в которых сверхпроводимость осуществляется по плоскостям CuO2, (Tc= 166 ± 1,5 K).

К) Редкоземельные борокарбиды (Tc= 23 К).

Л) Кремниевые сверхпроводники (при высоком избыточном давлении Tc= 14 К).

М) Халькогениды - структуры на основе серы и селена (Tc= 4,15 К).

Н) Углеродные сверхпроводники - фуллеренные структуры (Tc= 40 К).

О) MgB2 и родственные структуры (Tc=39К) - дешевые и широкодоступные материалы (магнезию можно купить в любой аптеке!).

4. По типу кристаллических решеток:

А) Мягкие - чистые металлы, за исключением ниобия, ванадия, теллура. Основным недостатком является низкое значение критической напряженности магнитного поля.

Б) Твердые - сплавы с искаженными кристаллическими решетками. Обладают рядом особенностей:

При охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит на протяжении некоторого температурного интервала;

Имеют высокую Тс;

Некоторые имеют относительно высокие значения критической магнитной индукции Вкр;

При изменении магнитной индукции могут наблюдаться промежуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;

Имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;

Зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кристаллической структуры.

5. По технологическим свойствам:

А) сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготавливать проволоку и ленты;

Б) трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии.

III. Применение сверхпроводников в современном мире.

1. Настоящее.

Спектр применений сверхпроводников удобно разделить на:

• различные материалы: пленочные проводники, сверхпроводящие магниты и пр.;
• микротехника: микроволновые устройства, сверхчувствительные системы обнаружения магнитных полей, цифровая электроника, искусственные биологические системы;
• макротехника: силовые кабели, электрические системы и сети, генераторы и двигатели.

Основные области применения явления сверхпроводимости сегодня можно представить в виде таблицы (см. Приложение 4).

Рассмотрим несколько наиболее важных отраслей применения.

А) В силовых применениях сверхпроводники позволяют снизить энергопотери и сократить массогабаритные показатели оборудования. Высокая плотность тока в сверхпроводниках позволяет уменьшать размеры оборудования, а также создавать магнитные поля высокой интенсивности, недостижимые обычной аппаратурой. Ограничивающим фактором является необходимость поддержания проводника при низкой температуре, что само по себе требует энергозатрат, поэтому наиболее актуальны применения в устройствах большой мощности. В этом случае затраты на криообеспечение пренебрежимо малы.

В настоящее время промышленность США уже имеет коммерческие ВТСП изделия - трансформаторы, электрические моторы, токоограничители и силовые кабели. С ростом производства изготовители ВТСП кабелей будут способны установить их во всех электросетях США. ВТСП кабели имеют целый ряд преимуществ в сравнении с традиционными, включая более низкие потери, меньший вес, более компактные размеры. ВТСП кабели не воздействуют на окружающую среду - они не излучают электромагнитные поля, в них не используют для охлаждения при подземной прокладке технические масла, как в случае традиционных кабелей. Исключение суммы потерь (4 млрд. долл. ежегодно) может компенсировать относительно высокую на данное время стоимость ВТСП кабеля.

На диаграмме (см. Приложение 3) показаны потери в ВТСП и традиционных кабельных сетях при 50 МВА и 132 кВ.

Б) Кто из нас не мечтал в детстве летать? Не так давно в Тель-Авивском университете прошла презентация проекта Superconductivity Group, которая наглядно показала, что эта мечта может сбыться.

Суть квантовой левитации состоит в том, что благодаря правильному использованию физических свойств сверхпроводников их возможно не просто удержать в воздухе, но и заставить двигаться над и даже под магнитными "рельсами" с умопомрачительной скоростью (см. Приложение 4, 5).

В) Несмотря на кажущуюся простоту, трение остается дискуссионной и плохо изученной проблемой. В частности, отсутствие ясной взаимосвязи между трением на микро- и макроскопическом уровне не позволяет вывести фундаментальный закон, позволяющий одинаково правильно описывать это явление на разных масштабах.

С изобретением в 1986 году атомно-силового микроскопа с кантилевером с микроскопической иглой на конце исследование трения переместилось на атомарный уровень, а сама наука о силе трения превратилась в нанотрибологию.

Оказалось, что прояснить ситуацию помогает явление сверхпроводимости.

Неконтактное трение имеет двойную природу: электронное трение (электростатическое плюс ван-дер-ваальсово) и фононное.

Парное объединение электронов при сверхпроводимости проводимости приводит к тому, что они начинают вести себя как единое целое. Благодаря этому единству электроны без потерь энергии двигаются через кристаллическую решетку, игнорируя ее сопротивление.

Значит, если электроны становятся невосприимчивы к препятствиям на своем пути, они не будут реагировать и на внешний раздражитель в виде иглы микроскопа. Следовательно, в системе «игла кантилевера — сверхпроводящая поверхность» вклад в трение будет давать лишь фононная часть, а электронная будет равна нулю.

Группа ученых из Швейцарии и Испании под руководством Эрнста Мейера ряд таких экспериментов, которые доказали, что трение главным образом имеет электронную природу при условии, что вещество находится в нормальном состоянии. В сверхпроводящем состоянии вдалеке от критической температуры основным «источником» трения являются фононы.

Г) Возможность существования сверхпроводимости при комнатной температуре и выше обосновали лауреат Нобелевской премии В.Л.Гинзбург и У. Литтл. Ими показано, что одной из самых важных проблем в области нанотехнологии является создание комнатнотемпературных сверхпроводников (КТСП). Нанотехнология КТСП позволяет конструировать искусственные слоистые сверхпроводниковые наноструктуры, нанося атомные слои не только из тех материалов, у которых параметры кристаллической решетки близки друг к другу (как требуется для полупроводниковых структур). При нанотехнологии можно использовать гораздо большее разнообразие проводников и диэлектриков, нанося их монослои с атомной точностью для создания искусственных электронного и фононного спектров, необходимых для КТСП. Именно это позволяет сделать исследования и производство сверхпроводящих материалов неким “полигоном” для отработки нанотехнологических методов для сильнокоррелированных структур. Поэтому, создание КТСП - это, в значительной мере, нанотехнологическая проблема и, на мой взгляд, одна из важнейших.

В настоящее время сверхпроводник, работающий при комнатных температурах, может быть изготовлен как в объемном, так и в пленочном виде.

2. Будущее.

Через 10-20 лет сверхпроводимость будет широко использоваться в энергетике, промышленности, на транспорте и гораздо шире в медицине и электронике. Внедрение СП-технологий приведет как к простой замене традиционного оборудования на более эффективное сверхпроводящее, так и к изменениям структурного характера и к появлению совершенно новых технологических нововведений.

Одним из самых перспективных направлений является комнатная сверхпроводимость. Оно будет усиленно развиваться, т.к. имеет огромное значение.

В электронике сверхпроводимость найдет широкое применение в компьютерных технологиях. Потенциально наиболее выгодное промышленное применение сверхпроводимости связано с генерированием, передачей и эффективным использованием электроэнергии. Еще одно перспективное применение сверхпроводников - в генераторах тока (от мощных электростанций до обычных ветряных установок) и электродвигателях. С развитием СП-технологий сверхпроводящие двигатели найдут широкое применение также и в самолетах и на автомобильном транспорте.

Строительство сверхпроводящей железной дороги запланировано в Японии. За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд будет двигаться плавно, без шума и трения и будет способен развивать очень большую скорость. Ожидается, что дорога будет введена в эксплуатацию к 2020 г.

Возможность ускорения макроскопических объектов электромагнитным полем найдет свое применение также на аэродромах и космодромах, где СП-магниты будут обеспечивать взлет/посадку воздушным судам и космическим кораблям. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии.

Заключение

Таким образом, возможности применения сверхпроводимости в настоящее время распространяются на многие сферы жизни. В недалеком будущем сверхпроводимость станет одной из базовых составляющих технического прогресса во многих секторах экономики и будет играть важную роль в нашей повседневной жизни. Благодаря нанотехнологиям будет развиваться комнатная сверхпроводимость, что сможет изменить нашу жизнь к лучшему. Поставленная мной в начале работы гипотеза подтвердилась.

Литература и источники

1. «Атомпресса» № 9, март 2008 г. Предложения по работам в области технической сверхпроводимости.

2. Боголюбов Н. Н., Толмачев В. В., Ширков Д. В. Новый метод в теории сверхпроводимости. — М.: Изд-во АН СССР, 1958.

3. В. Л. Гинзбург, Е. А. Андрюшин. Сверхпроводимость. — М.: Альфа-М, 2006.

4. И.А. Ковалёв, С.А. Лелехов, Н.А. Черноплёков и др., Оценка возможности создания подводной ВТСП линии электропередачи постоянного тока мощностью 1 ГВА с рабочим напряжением 500 кВ /Сборник трудов «Российский электротехнический конгресс», секция 9, С. 16.

5. Мнеян М.Г. Сверхпроводники в современном мире. Книга для учащихся - М.: Просвещение, 1991.

6. “Сверхпроводимость: исследования и разработки” №6, 1994.

7. “Сверхпроводимость: физика, химия, техника” №1-6, 1996

8. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников. М.: Изд-воМЦНМО, 2000.

9. Ren Y., Weinstein R., Sawh R., Liu J. // Phys. C. - 1997. - Vol. 282-287. - P. 2301.

10. Sakai N., Mase H., Ikuta H., et al. // Supercond. Sci. Technol. - 2000. - Vol. 13. - P. 770-773.

11. ru.wikipedia.org.

12. electricalschool.info.

Приложение 1.

	Исследователь	Открытие
	Хейке Камерлинг-Оннес	Обнаружил, что при 3 Кельвинах электрическое сопротивление ртути практически равно нулю. Во время дальнейших экспериментов ситуация повторялась.
	Хейке Камерлинг-Оннес	Обнаружено, что свинец и олово переходят в сверхпроводящее состояние при низких температурах.
		Было показано, что сверхпроводимость разрушается сильным магнитным полем.
		Было доказано, что таллий и уран также являются сверхпроводниками.
	Л.В. Шубников и В. Де Гааз	Эффект Шубникова - де Гааза - осцилляции магнетосопротивления плёнок висмута при низких температурах
	Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд	Эффект Мейснера - полное вытеснение магнитного поля из объёма проводника при переходе в сверхпроводящее состояние
	Пётр Леонидович Капица	Получил жидкий гелий на созданной им установке для ожижения гелия адиабатическим методом, в которой поршневой детандер работал при температуре 15 К на газовой смазке
	Фриц и Хайнц Лондон	Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости.
	Л.Д. Ландау и В.Л. Гинсбург	Построена более общая теория
	А.А. Абрикосов	Выдвинул идею о существовании сверхпроводников II рода
	Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер	Объяснили сверхпроводимость на микроскопическом уровне. Центральным элементом их теории, получившей название теории БКШ, являются так называемые куперовские пары электронов.
	А.А. Абрикосов и Л.П. Горьков	Разработали теорию сверхпроводников с магнитными примесями и предсказали явление бесщелевой сверхпроводимости.
	Дж. Кюнцлер	Открыл материал Nb3Sn, проволока из которого способна при температуре 4,2 К, находясь в магнитном поле величиной 8,8 Тл, пропускать ток плотностью до 100 кА/см².
	Брайан Джозефсон	Эффект Джозефсона — явление протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника
	Билл Литл	Выдвинул предположение о возможности создания органических сверхпроводников (на основе углерода)
	Филип Уоррен Андерсон	Разработал три теории: локализации, антиферромагнетизма и высокотемпературной сверхпроводимости
	Дуглас Дин Ошеров, Дэвид Морис Ли и Роберт Колман Ричардсон	Открытие сверхтекучести гелия-3.
	Клаус Бечгаард	Создал органический сверхпроводник при температуре 1,2 K и очень высоком давлении.
	Георг Беднорц и Карл Мюллер	Открыли сверхпроводимость у керамики на основе оксидов меди, лантана и бария с температурой перехода 30К. Появился новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных.
		Достигли 92 градусов К , заменив в формуле, открытой Мюллером и Беднорцом, Иттербий на Лантан.
	Стивен Чу	Синтезировал керамику из оксидов бария, иттрия и меди с критической температурой 93 К.
		Синтезировал серию соединений состава Bi2Sr2Can-1CunO2n+4, среди которых фаза с n=3 имела Тс=108К.
	Шенг и Харман	Получили сверхпроводник Tl2Ba2Ca2Cu3O10 c T с = 125K.
	Антипов и Путилин	Открыли ряд ртутьсодержащих сверхпроводников, среди которых и рекордсмен, имеющий наибольшее известное значение критической температуры - 135К.
	Дэниел Дюрек	Синтезировал объемный сверхпроводник на основе химического соединения Ag5Pb2O6, который имеет сверхпроводимость в диапазоне температур 215..525 К.

Приложение 2.

Приложение 3.

см. оригинальный текст работы в формате.docx

Приложение 4.

см. оригинальный текст работы в формате.docx

Приложение 5.

см. оригинальный текст работы в формате.docx

Приложение 6.

Применение	Примечания
Экранирование	Сверхпроводник не пропускает магнитный поток, следовательно, он экранирует электромагнитное излучение. Используется в микроволновых устройствах, а также при создании установок для защиты от излучения при ядерном взрыве
Магниты Научно-исследовательское оборудование Магнитная левитация	НТСП магниты используются в ускорителях частиц и установках термоядерного синтеза Интенсивно проводятся работы по созданию поездов на магнитной подушке. Прототип в Японии использует НТСП
Передача энергии	Отсутствие электрического сопротивления позволяет использовать сверхпроводники для эффективной передачи электроэнергии. Бóльшая устойчивость к работе при перегрузках позволит заменить традиционный трансформатор менее мощным сверхпроводниковым, а уменьшенное старение изоляции из-за низких рабочих температур и отсутствия температурных градиентов позволит увеличить время эксплуатации
Аккумулирование	Возможность аккумулировать электроэнергию в виде циркулирующего тока
Вычислительные устройства	Комбинация полупроводниковых и сверхпроводящих приборов открывает новые возможности в конструировании аппаратуры
Медицина	Широко используется электронная томография. Она проводится на сканере, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса, и пациент находится в считанных сантиметрах от сверхпроводящих электромагнитов. Именно они создают поле, позволяющее врачам получать высокоточные образы тканей человеческого тела в разрезе без необходимости прибегать к скальпелю.
Различная техника	Эволюция температуры сверхпроводящего перехода привела к возможности использования хладагентов для ожижителей и рефрижераторов с все более высокой температурой кипения.
	ВТСП токоограничитель является крайне быстродействующим устройством, позволяющим не только ограничить установившееся значение тока короткого замыкания, но и практически полностью срезать амплитуду ударного тока короткого замыкания, на что принципиально не способен ни один из самых совершенных быстродействующих выключателей.
	Сверхпроводящие индукционные печи уже являются коммерческим продуктом. Экономия электроэнергии в них составляет свыше 40%.
Военный и коммерческий флот	Сверхпроводниковые приводы и генераторы отличаются высокой компактностью при массе в 2-3 раза меньшей, чем у традиционных аналогов. Уровень вибраций и шумов также значительно ниже. даже с учетом потребляемой криогенным обеспечением мощности КПД ВТСП электродвигателей выше, чем у традиционных.