Материалы с сайта Арсеньева ([5] Сверхпроводники)

Посмотреть архив целиком

5.2. Основные параметры сверхпроводящих материалов

5.2.1. Сверхпроводящее состояние материалов

С
верхпроводимость (СП)—свойство материалов, выража­
ющееся в том, что их электрическое сопротивление постоян­ному току обращается в нуль скачком при охлаждении ни­же определенной критической температуры Tс. Скачкообраз­ное падение сопротивления до нуля ртути при понижении температуры до 4,15 К впервые обнаружил голландский фи­зик Камерлинг-Оннес в 1911 г. (рис. 5.2.1).

Рис.5.2.1. Переход ртути из нормального состояния в сверхпроводящее.

Отсутствие сопротивления в сверхпроводящем состоянии приводит к возникновению незатухающих токов в замкнутом СП кольце, т.е. к отсутствию диссипации энергии. Отметим, что если ток со временем затухает, то сопротивление не ис­чезло полностью. Определив время затухания тока в образ­це, можно рассчитать сопротивление образца по формуле I(t)=I0e-Rt/L, где L — индуктивность образца. Измерения то­ка можно проводить обычными приборами для измерения то­ков или использовать специальное чувствительное устройство, состоящее из двух СП колец, одно из которых неподвижно, а второе укрепляется на торсионном подвесе. В обоих СП коль­цах индуцируются незатухающие токи (например, подносит­ся постоянный магнит). Определив по углу закручивания нити вращающий момент, возникающий при взаимодействии токов в СП кольцах, можно определить время затухания тока и сопротивление образца. Подобные измерения показали, что в СП состоянии материал, например, может обладать удельным сопротивлением на 17 порядков меньше удельного сопротивления меди. Время, требуемое для полного затуха­ния тока в таком СП состоянии, составляет не менее 105 лет. По последним данным электропроводность сверхпроводников на постоянном токе составляет не менее 1025Ом-1м-1.

Камерлинг-Оннес вместе с сотрудниками установил, что существует критическое магнитное поле (Вс), выше которого СП состояние разрушается. При Т = 0 электропроводность бесконечно велика только до некоторой предельной частоты электрического тока, а при конечной температуре (ниже Тс) небольшие потери существуют на переменном токе на всех частотах. Для большинства СП материалов СП полностью исчезает при частотах, превышающих 109 Гц.

В 1933 г. В. Мейсснер и Р. Оксенфельд показали, что СП состояние обладает еще одним важным свойством: независи­мо от условий проведения эксперимента (т.е. независимо от того, было ли магнитное поле включено до или после перехо­да материала в СП состояние) магнитное поле всегда вытал­кивается из объема сверхпроводника. Это явление получило название эффекта Мейсснера—Оксенфельда. В СП магнит­ная индукция В = 0, магнитная проницаемость =0, а магнитная восприимчивость =-1, т. е. СП является «идеаль­ным диамагнетиком». Эффект Мейсснера можно продемонст­рировать на опыте с «парящим магнитом». В СП чашечку при Т>Тс кладется постоянный магнит, а затем охлаждается вся система. При переходе в СП состояние произойдет вы­талкивание магнитного потока из сверхпроводника, магнит будет отталкиваться от СП и поднимется на некоторую вы­соту. Качественное объяснение эффекта Мейсснера состоит в том, что при В< Вс в приповерхностном слое сверхпровод­ника появляется круговой незатухающий ток такой величины, что магнитное поле этого тока компенсирует внешнее поле в объеме СП. Взаимодействие этого тока и внешнего магнит­ного ноля постоянного магнита приводит к тому, что магнит отталкивается от СП как от диамагнетика.

Магнитное поле не может быть вытеснено из всего объ­ема СП вплоть до самой поверхности, так как это означало бы, что на поверхности индукция магнитного поля скачком падает от В до 0. Чтобы обеспечить такой скачок поля, необходимо иметь на поверхности бесконечную плотность тока, что невозможно. Существует верхний предел тока в СП, на­зываемый критическим током (Iс). Для классических СП значения критической плотности тока jc составляют 1010 — 1011 А/м2, для современных ВТСП — 107—Ю10 А/м2, Ис­чезновение СП свойств при пропускании через СП достаточно сильного электрического тока связано с действием на СП магнитного поля этого тока, разрушающего СП состояние > Вс) (объяснение этого эффекта дано в п.5.2.5).

Существование эффекта Мейсснера в СП позволяет рас­сматривать их как предельный случай диамагнетика, а не как предельный случай проводника с бесконечно большой электропроводностью. Повеление идеального проводника в магнитном поле существенно отличается от поведения СП. Если внести идеальный проводник в магнитное поле, в нем будут наводиться поверхностные токи, которые начнут про­тиводействовать внешнему полю (согласно закону электро­магнитной индукции). Однако если внести проводник в маг­нитное поле до того, как он станет «идеальным», т.е. при Т>Тс., то магнитное поле не изменится при охлаждении проводника до Tс (нет наведенных токов, так как нет изменений магнитного потока). При выключении магнитного поля дол­жны возникнуть незатухающие токи, которые будут поддер­живать магнитное поле согласно правилу Ленца. Таким об­разом, состояние охлаждаемого «идеального» проводника будет зависеть от предшествующих состояний и переход от нормального состояния проводника к «идеальной проводимо­сти» будет необратимым.

Совершенно иная ситуация возникает в СП. Выталкива­ние магнитного потока имеет место и при охлаждении образ­ца до Тс в магнитном поле, и при включении магнитного по­ля уже после того как образец был охлажден до Тс, что объясняется возникновением в приповерхностном слое кругового незатухающего тока такой величины, что магнитное поле этого тока компенсирует внешнее поле в объеме СП, Выклю­чение внешнего поля наводит ток противоположного направ­ления, который полностью компенсирует первоначальный ток: исчезновение тока имеет место и при нагреве образца до Т>Тс. Благодаря эффекту Мейсснера переход между сверх­проводящим и нормальным состояниями является обрати­мым.

В то же время следует отметить, что представление СП о качестве «идеального диамагнетика» является относительным. Точнее было бы назвать СП квазидиамегнетиком. Равенство нулю магнитного поля в объеме СП обусловлено тем, что в СП внешнее магнитное поле экрани­руется поверхностными макротоками, возникающими в СП при включении магнитного поля или при охлаждении СП в магнитном поле до Tс. В «идеальном» же диамагнетике В=0 потому, что во всем объеме индуцируются диамагнитные моменты, обусловленные микротоками, направленные проти­воположно внешнему полю (вектор намагниченности J=-Н).

5.2.2. Применения сверхпроводников. Открытие высокотемпературных сверхпроводников

В настоящее время проектируются и уже работают сверхпроводящие электромагниты (соленоиды) на основе низко­температурных СП. Такие соленоиды со СП обмоткой позво­ляют получать сильные однородные магнитные поля в до­вольно больших объемах В20—30 Т). Такие магниты при­меняют для научных исследований в области физики твердо­го тела, для исследования структуры органических молекул в биологии, в физике высоких энергий. В современных уско­рителях элементарных частиц используют СП магниты. Сверхпроводники можно использовать для создания сверхпроводящих электродвигателей мощностью в несколько мегаватт, для накопителей энергии, магнитных сепараторов, магнитной подвески поездов, для управляемых термоядерных реакций, для создания магнитных экранов. Представляется особо перспективным применение сверхпроводящих кабелей для передачи электрической энергии. При использовании сверхпроводников в указанных областях науки и техники тре­буются высокие критические параметры Нс и jc, так как зна­чения токов, протекающих по СП, могут быть велики (это так называемая силовая сверхпроводниковая техника). Но СП могут использоваться и в слаботочной измерительной тех­нике и микроэлектронике. На основе СП созданы квантовые интерференционные магнитометры — СКВИДы (сокращенно по первым буквам английского названия), используемые для измерения очень слабых магнитных полей: В10-15Т. СП ис­пользуют в качестве приемников СВЧ-излучения. Это боло­метры и приборы, в которых использован эффект Джозефсона. Задачей СП микроэлектроники (ила СП криоэлектроники) является разработка приборов малой мощности и способов их интеграции в микросхемы. Наиболее перспективным является одновре­менное применение в микросхемах сверхпроводников и полу­проводников. Интенсивное развитие СП микроэлектроники возможно только при создании СП пленочных материалов с высокими значениями критической температуры.

Ограничения применения СП в силовой технике до насто­ящего времени также были связаны главным образом с низ­кими значениями Тс, для получения которых был использован дорогостоящей жидкий гелий. Другими ограничениями явля­ются невысокие критические магнитные поля и токи для большинства известных СП материалов. Поэтому усилия исследователей в течение нескольких десятилетий были направ­лены на повышение критических параметров, прежде все­го Тс.

Таблица 5.2.1

Параметра ВТСП

Соединение

Тс,К

-dBc/dT,

T/K

TTc

Bc2c

T, K

YBa2Cu3O7

91

165

230

Bi2Sr2CaCu2O7

81


400

Bi2Sr2CaCu2O7

125


130

С открытием ВТСП на основе соединений в системах La—Сu—О(Tc,=35 К) и La—Ва—Сu—0(Tc=92 К) (1986-1987 гг.) начался новый этап интенсивных исследований в области сверхпроводимости. Удалось повысить Тc до 110 К в системе Bi— Sr—Са—Сu—О и до 125 К в системе TI—Са—Ва—Сu—О. Для ВТСП характерны и довольно вы­сокие верхние критические поля (Bc2 100—200Т), соответст­вующие полному переходу в нормальное состояние, однако нижние критические поля, соответствующие, началу перехода из СП в нормальное состояние, малы— Bc1 10-2Т (табл. 5.2.1).


Случайные файлы

Файл
Diplom1.doc
142247.rtf
178692.rtf
41481.rtf
114632.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.