6. Сверхпроводимость

В 1911 г. голландский физик Г. Камерлинг–Оннес, изучая изменение электрического сопротивления ртути при низких температурах, обнаружил, что при температуре около 4 К (т.е. при – 269° С) удельное сопротивление скачком уменьшается (рис. 3) до нуля. Это явление Г. Камерлинг-Оннес назвал сверхпроводимостью.

Г

Рис. 3.

. Камерлинг–Оннес был удостоен Нобелевской премии по физике 1913 г. «за исследования свойств вещества при низких температурах».

Сверхпроводимость – свойство многих проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определённой критической температуры Т_к, характерной для данного материала.

Измерения показали, что падение сопротивления до нуля происходит на протяжении очень узкого, но конечного интервала температур. Ширина этого интервала для чистых образцов составляет и возрастает при наличии примесей и других дефектов структуры.

Переход вещества в сверхпроводящее состояние – пример фазового перехода II рода.

Сверхпроводимость обнаружена у более чем 25 металлических элементов, у большого числа сплавов и интерметаллических соединений, а также у некоторых полупроводников. При этом сами элементы, входящие в состав сверхпроводящего соединения, могут и не являться сверхпроводниками. Самое низкое значение из чистых металлов у вольфрама – , самое высокое у ниобия – . Рекордно высоким значением (около ) обладает соединение .

Открытие в 1986 – 1993 гг. ряда высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) далеко отодвинуло температурную границу сверхпроводимости и позволило практически использовать сверхпроводящие материалы не только при температуре жидкого гелия , но и при температуре кипения жидкого азота , гораздо более дешевой криогенной жидкости.

Свойства сверхпроводников

• В сверхпроводниках однажды возбуждённый электрический ток может длительное время существовать без источника тока.

• Внутри вещества в сверхпроводящем состоянии магнитная индукция всегда равна нулю ( т.е. сверхпроводник является идеальным диамагнетиком.

• Магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости. Величина критического магнитного поля ( разрушающего сверхпроводимость, равна нулю при и растёт с понижением температуры.

Полное объяснение сверхпроводимости было дано в 1957 г. Д.Бардиным, Л.Купером, Д. Шриффером (БКШ – теория) на основе квантовой механики.

Широкому применению сверхпроводимости до недавнего времени препятствовали трудности, связанные с необходимостью охлаждения до сверхнизких температур, для чего использовался жидкий гелий. Тем не менее, несмотря на сложность оборудования, дефицитность и дороговизну гелия, с 60-х годов XX века создаются сверхпроводящие магниты без тепловых потерь в их обмотках, что сделало практически возможным получение сильных магнитных полей в сравнительно больших объемах. Именно такие магниты требуются для создания установок управляемого термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы, для мощных ускорителей заряженных частиц. Сверхпроводники используются в различных измерительных приборах, прежде всего в приборах для измерения очень слабых магнитных полей с высочайшей точностью.

На основе сверхпроводящих пленок создан ряд быстродействующих логических и запоминающих элементов для счетно – решающих устройств. При космических исследованиях перспективно использование сверхпроводящих соленоидов для радиационной защиты космонавтов, стыковки кораблей, их торможения и ориентации, для плазменных ракетных двигателей.

В настоящее время созданы керамические материалы, обладающие сверхпроводимостью при более высокой температуре – свыше , то есть при температуре выше температуры кипения азота. Возможность охлаждать сверхпроводники жидким азотом, который имеет на порядок более высокую теплоту парообразования, существенно упрощает и удешевляет все криогенное оборудование, обещает огромный экономический эффект.