15. Сверхпроводимость.

Сверхпроводимость - явление скачкообразного уменьшения (до предельно малых величин) удельного сопротивления вещества при уменьшении его температуры. До настоящего времени сверхпроводимость наблюдалась только при очень низких температурах T < 23,2˚K.

Сверхпроводимость была открыта в середине ХХ века.

Сейчас разрабатываются сверхпроводящие материалы, у которых сверхпроводимость возникала бы при температуре близкой к температуре жидкого азота (90˚К). Эта сверхпроводимость называется теплой, а сверхпроводники – теплыми.

Обычные сверхпроводники – металлы и сплавы.

У металлов температура перехода в сверхпроводящее состояние колеблется от 0.35˚К (гафний) до 9,2˚К (ниобий).

У сплавов можно добиться более высокой температуры: 18˚К (сплав олова и ниобия). Предполагается наличие сверхпроводимости при более высоких температурах у оксидных соединений. Такие вещества сейчас исследуют. Пока, для перевода вещества в сверхпроводящее состояние используют жидкий гелий и водород, хотя это дорого и опасно.

Сверхпроводимость является очень полезным явлением, поскольку ее использование позволило бы резко уменьшить тепловые потери при передаче электроэнергии от источников к потребителям.

Одной из простейших моделей свободных электронов в металлах является ферми-газ. При очень низких температурах становится заметным новое взаимодействие между электронами и ионами. Энергия этого взаимодействия невелика и проявляться оно будет тогда, когда тепловая энергия колебаний ионов будет меньше энергии связи электронов и ионов.

При обычных температурах электроны движутся между ионами, сталкиваются с ними, что приводит к возникновению сопротивления при протекании тока (закон Ома).

Два электрона притягиваются к одному иону, и, следовательно, друг к другу. Это притяжение характеризуется энергией связи между электронами.

Модель Бардина-Купера-Шриффера (БКШ).

Модели БКШ: электронный газ, состоящий из электронных пар (куперовские пары), может переходить в состояние, похожее на жидкое, т.е. конденсироваться (Бозе-конденсация).

При низких температурах энергия теплового движения ионов недостаточна и не может передаваться свободным электронам, поэтому нет сопротивления движению куперовских пар и нет взаимодействия (столкновения) электронов с ионами. Удельное сопротивление вещества = 0, а проводимость = бесконечности.

Энергия взаимодействия электронной жидкости и кристаллической решетки имеет дискретные значение.

Электронный газ находящийся в состоянии, когда сконденсированы куперовские пары свободных электронов, называется сверхпроводящей фазой электронного газа.

При повышении температуры энергия тепловых колебаний ионов становится больше энергии связи куперовских пар, сверхпроводящая фаза переходит в проводящую фазу, т.е. происходит фазовый переход.

Разрушение сверхпроводящего состояния возможно и в результате воздействия магнитного поля достаточной величины.

Сверхпроводящее вещество можно применять для изготовления высокоэффективных магнитных экранов. Это защита от электромагнитных шумов.