Опорный конспект темы «Свойства сверхпроводники и криопроводников»

1. Основные свойства сверхпроводников

Из предыдущего известно, что электрическое сопротивле­ние любого металлического проводника уменьшается с по­нижением его температуры. У некоторых металлов и спла­вов помимо такого нормального уменьшения электрического сопротивления при их охлаждении наблюдается новое свой­ство: при температуре от 10 К ( — 263 °С) и ниже электри­ческое сопротивление у некоторых металлов и сплавов резко падает до нуля. Это явление называется сверхпроводимостью, а материалы, у которых наблюдается это явление, называют сверхпроводниками. Температура, при которой совершается переход материала в сверхпроводящее состояние, называется критической температурой Т_кр сверхпроводникового перехода.

Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 г. голландским ученым Камерглинг-Оннесом, который исследо­вал электрическое сопротивление ртути при низких темпера­турах. При этом было установлено, что при температуре 4,2 К ( —268,8 °С) электрическое сопротивление ртути резко снизилось практически до нуля и его невозможно было измерить. Если взять замкнутую цепь (кольцо) из металла в сверхпроводящем состоянии при критической температуре Т_кр и возбудить в этой цепи ток, то он будет циркули­ровать в ней бесконечно долго. К настоящему времени обнаружено 27 сверхпроводников в виде чистых металлов: алюминий, свинец, теллур, ниобий, цинк, молибден и другие и более тысячи сплавов металлов. Основные сверхпроводни­ковые материалы представлены в табл. 24.

С ледует отметить, что такие проводники электрического тока, как серебро, медь и золото, не обладают свойством сверхпроводимости. Свойством сверхпроводимости не облада­ют и ферромагнитные материалы: железо, никель, кобальт и их сплавы.

Как следует из таблицы, самой высокой критической темпе­ратурой среди чистых металлов обладает ниобий (9,22 К), а самой низкой — иридий (0,14 К).

У сплавов критические температуры перехода в сверх­проводящее состояние значительно выше, чем у

чистых металлов. Так, у сплава, состоящего из ниобия, алюминия и германия, Т_кр = 20,7 К (-252,3 °С).

Критическая температура сверхпроводников зависит от их химического состава, кристаллической структуры и других фак­торов.

Вторым характерным свойством сверхпроводников является то, что в эти материалы, находящиеся в состоянии сверх­проводимости, внешнее магнитное поле не проникает. Следо­вательно, являясь материалами парамагнитными (μ = 1), сверх­проводники становятся материалами диамагнитными, у кото­рых μ = 0 и магнитная индукция внутри сверхпроводника тоже становится равной нулю (В = 0). Таким образом, в момент перехода сверхпроводника в сверхпроводящее состояние внеш­нее магнитное поле вытолкнется из него (рис. 41). При этом магнитная индукция в сверхпроводнике становится равной нулю.

И сследования показали, что при воздействии на многие сверхпроводники даже слабого внешнего магнитного поля их сверхпроводимость исчезает. Такие сверхпроводники называют сверхпроводниками первого рода. К ним относятся все сверх­проводящие чистые металлы, за исключением ниобия (Nb), ванадия (V) и технеция (Тс). В табл. 24 приведены крити­ческие значения магнитной индукции при Т = 0 К для чистых металлов. По достижении этих значений магнитной индукции сверхпроводимость этих металлов исчезает и они ведут себя как обычные проводники. Это ограничивает их применение. Наряду со сверхпроводника­ми первого рода были открыты сверхпроводники второго рода. К ним относятся все сверхпро водящие сплавы и некоторые чистые металлы: ниобий (Nb), ванадий (V) и технеций (Тс). Сверхпроводники второго рода отличаются от сверхпроводни­ков первого рода более высоки­ми значениями критической тем­пературы Т_кр и более высокими критическими значениями маг­нитной индукции В_кр. Кроме то­го, критический ток в сверхпро­водниках второго рода может быть увеличен введением в эти сверхпроводники примесей, вызывающих изменение структуры сверхпроводников второго рода. Недостатком сверхпроводников второго рода является то, что они теряют свойство сверхпроводимости в определен­ном интервале напряженностей магнитного поля (Н_кр1 Н_кр2), воздействующего на сверхпроводник.

Этот недостаток устранен в сверхпроводниках третьего рода, отличающихся от сверхпроводников второго рода составом и неоднородностью структуры. Это позволяет достигать в них очень больших критических значений тока (плотность тока выше 10⁵ А/см²) в сильных магнитных полях с индукцией (В) от 10 до 50 Тл.

Эти свойства сверхпроводников третьего рода открывают возможности их практического применения в электротехнике. К сверхпроводникам третьего рода относятся соединения нио­бия с оловом (NbSn₃), ниобия с титаном (NbTi), ниобия с цирко­нием и титаном (NbZrTi) и др.