4.3 Электрические свойства материалов при криогенных температурах

Электрическая проводимость материала определяется как значение электрического тока, приходящегося на единицу площади поперечного сечения, деленного на градиент разности потенциалов в направлении тока. Обратная величина электрической проводимости - электрическое сопротивление.

Когда на электрический проводник накладывается внешнее электрическое поле, свободные электроны в проводнике под его воздействием движутся в направлении приложенного поля. Это движение встречает сопротивление положительных ионов решетки металла и атомов примесей, присутствующих в материале. Понижение температуры проводника уменьшает энергию колебаний ионов, что, в свою очередь, ведет к уменьшению сопротивления движению электронов. Таким образом, для металлических проводников электрическая проводимость возрастает с понижением температуры а, следовательно, электрическое сопротивление возрастает. На рисунках 32 и 33 представлены зависимости электрического сопротивления материалов от температуры. Наблюдается значительное снижение электрического сопротивления для чистых металлов в диапазоне температур от 300 К до 60..80 К. Сопротивление падает при снижении температуры от 293 до 20.4 К: - в 176 раз для меди (М2), в 1130 раз для экстрачистого алюминия (содержание примесей по массе менее ), в 1.4 раза для нержавеющей стали. температурах меньше 60..80 К электрическое сопротивление меняется незначительно. Экстрачистый алюминий обладает гиперпроводимостью, что позволяет создавать на его основе мощные накопители электрической энергии на уровне гелиевых и водородных температур, так как электрические потери незначительны.

Рисунок 30 – Зависимость удельного объёмного электросопротивления материалов от температуры

Рисунок 31 – Зависимость удельного объёмного электросопротивления нержавеющей стали (12Х18Н10Т) от температуры

4.4 Явление сверхпроводимости

Удивительное свойство некоторых материалов проявляется при низких температурах, которое приводит не только к снижению электросопротивления, но и к его полному исчезновению и, одновременно, появлению совершенного диамагнетизма. Это явление называется сверхпроводимостью. Явление сверхпроводимости было открыто Камерлингом – Оннесом в Голландии в 1911 г. в процессе исследования электрического сопротивления проволоки из ртути.

В отсутствии магнитного поля многие химические элементы, сплавы и соединения, становятся сверхпроводящими при определённой температуре, называемой температурой перехода в нулевом поле Т_с. Сверхпроводимость может быть ликвидирована путем увеличения напряжённости магнитного поля вокруг материала. Напряженность магнитного поля, необходимая для ликвидации сверхпроводимости, называется напряженностью критического поля. Все сверхпроводники разделяются на сверхпроводники I и II рода.

Для сверхпроводников I рода существует единственное значение критического поля, при котором совершается переход от сверхпроводимости к нормальному состоянию. Для сверхпроводников II рода (так называемых жестких сверхпроводников) существует нижнее критическое поле, при котором переход начинается, и верхнее критическое поле, при котором переход завершается.

Для сверхпроводников как I, так и II рода существует максимальное тока, который может быть пропущен через материал без нарушения сверхпроводимости. Если электрический ток в сверхпроводниках I рода, текущий по сверхпроводнику, создает магнитное поле на поверхности материала, которое равно или превышает критическое поле, нормальное состояние сверхпроводника восстанавливается. Ток, соответствующий критическому полю, называется критическим.

Результаты эксперимента Мейснера — Оксенфельда показали, что плотность магнитного потока в объеме сверхпроводящего материала I рода всегда равна нулю вне зависимости от того, какое значение имела плотность магнитного потока в объеме материала перед переходом в сверхпроводящее состояние. Было показано, что сверхпроводимость — это не только нулевое электрическое сопротивление, но также совершенная магнитная изоляция, то есть появление диамагнетизма. Явление вытеснения магнитного поля из объёма сверхпроводника при переходе материала в сверхпроводящее состояние, называется эффектом Мейснера. Вытеснение магнитного поля означает равенство нулю магнитной индукции. В действительности магнитное поле проникает в сверхпроводник на глубину 10^-4…10^-5 мм. На рисунок 34 показано взаимодействие магнитного поля с обычным проводником (а) и сверхпроводником (б).

Эффект Мейснера используется для создания подшипников без трения.

Рисунок 32 – Взаимодействие магнитного поля с обычным проводником (а) и сверхпроводником (б)

Квантовая теория объясняет явление сверхпроводимости наличием пар электронов (куперовских пар), образуемым особым электронно-решеточным взаимодействием. Первый электрон, проходящий через решетку, вызывает смещение ионов, которое приводит к возникновению положительного экранирующеего заряда, несколько большего, чем заряд электрона. Второй электрон, таким образом, увлекается вперед, в область возникшего положительного заряда. Существует зависимость между всеми парами электронов в сверхпроводнике, и для разделения пары требуется определённое количество энергии, соответствующее так называемой пороговой зоне для сверхпроводника. По мере повышения температуры выше порогового значения, количество энергии становится достаточным для разъединения электронных пар и материал возвращается к нормальному состоянию.

В.Л. Гинзбург и Л.Д. Ландау разработали феноменологическую теорию, которая объяснила разницу между сверхпроводниками I и II рода, используя параметр, связанный с поверхностной энергией материала. Те материалы, для которых параметр меньше , имеют положительную поверхностную энергию и являются сверхпроводниками I рода. Материалы, для которых параметр больше , имеют отрицательную поверхностную энергию и являются сверхпроводниками II рода. Материалы с большим значением параметра будут иметь более высокое значение верхнего критического поля.

Для сверхпроводников I рода плотность магнитной индукции в объеме сверхпроводящего материала всегда равна нулю. Для сверхпроводников II рода аналогичный эффект проявляется при значениях поля, меньших нижнего критического поля. При более высоких значениях поля оно начинает проникать в материал.

Сверхпроводники II рода имеют химические и физические неоднородности. Эти центры неоднородностей при взаимодействии с магнитным полем являются причиной нестабильности сверхпроводящего состояния. Возникает переход к нормальному состоянию на длинных проводниках. Поэтому используют стабилизацию сверхпроводников. Для этого сверхпроводник заключается в медную или серебряную матрицу. Это позволяет хорошо отводить тепло в случае появления нормальной зоны в сверхпроводнике.

Существует ряд свойств, которые изменяются либо резко, либо постепенно при переходе материала от нормального состояния к сверхпроводящему состоянию. Можно перечислить следующие свойства.

1. Теплоемкость. Теплоемкость резко возрастает, когда материал становится сверхпроводящим.

2. Термоэлектрические эффекты. Все термоэлектрические эффекты (эффекты Пельтье, Томсона и Зеебека) исчезают, когда материал становится сверхпроводящим. Сверхпроводящая термопара не будет работать вообще.

3. Теплопроводность. В отсутствие магнитного поля теплопроводность в сверхпроводящем состоянии обычно меньше чем в нормальном состоянии. В присутствии магнитного поля наблюдается дополнительное снижение теплопроводности.

4. Электрическое сопротивление. Для сверхпроводников I рода снижение сопротивления до нуля происходит очень резко; однако для сверхпроводников II рода оно всегда происходит в некотором температурном интервале.

5. Магнитная проницаемость. Магнитная проницаемость для сверхпроводников I рода резко снижается до нуля (эффект Мейснера); однако для сверхпроводников II рода эффект Мейснера проявляется не полностью при магнитных полях, больших, чем нижнее критическое поле.

Некоторые из веществ, обладающих сверхпроводимостью, показаны в таблице 8. Здесь представлены данные о величинах критической температуры и критических величинах напряженности магнитного поля.

На рисунке 33 в виде диаграммы представлены этапы открытия материалов обладающих сверхпроводящими свойствами. Наиболее важное событие произошло в ноябре 1986 года, когда было открыто явление высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). С этого момента начался бурный рост открытий новых соединений обладающих сверхпроводимостью при температурах выше 20 К. Максимальная критическая температура в 130 К была достигнута 1993 году для соединения HgCaBaCuO.

Рисунок 33 – Хронологические этапы создания сверхпроводников

Все сверхпроводники условно разделены по двум характерным рабочим температурным диапазонам: высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) при Т ≥ 20 К и низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) при Т < 20 К.

Таблица 8

Критические температуры и магнитные поля

Материалы	Критическая температура, К	Критические поля (при 0 К), 10-4 ,Тл
Сверхпроводники 1-го рода
Родий	0.000325	0.049
Титан	0.39	60
Кадмий	0.52	28
Цинк	0.85	55
Галлий	1.08	59
Таллий	2.37	180
Индий	3.41	280
Олово	3.72	305
Ртуть	4.15	411
Свинец	7.19	803
Сверхпроводники 2-го рода
		Hc1	Hc2
Ниобий	9.25	1735	4040
Nb3Sn	18.1	–	220 000
Nb3Ge	23.2	–	400 000
Pb1Mo5,1S6	14.4	–	600 000
Yba2Cu3O7	90…100	1000*	1 000 000*
* Экстраполировано к абсолютному нулю.

На рисунке 34 показан общий вид кабеля для магнитов современного низкотемпературного сверхпроводники (НТСП) из Nb₃Sn и медной матрицы.

На рисунке 35 показан общий вид провода из современного высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) из висмутовой керамики и серебряной матрицы.

Рисунок 34 – Общий вид кабеля с использованием низкотемпературного сверхпроводники (НТСП) из Nb₃Sn и медной матрицы

А)	б)

Рисунок 35 – Общий вид провода изготовленного с использованием высокотемпературного сверхпроводники (ВТСП) из BiCaBaCuO и серебряной матрицы (производства фирмы Sumitoma критический ток провода до 180 А)