Механизм явления сверхпроводимости
Сверхпроводимостью называется явление снижения удельного сопротивления некоторых материалов при низких, так называемых критических температурах (tкр), до неподдающихся измерению, низких значений.
Рисунок 7.1 – Температурные зависимости удельного сопротивления проводника и сверхпроводника.
Данное явление было открыто в 1911 году голландским физиком ОннесомКамерлингом для ртути, при температурах близких к абсолютному нулю.
Критическая температура (Тк) для ртути составила 4,2 [К]. Сверхпроводящий алюминий имеет Тк = 1,2 [К]. Такие металлы как: серебро, золото, платина, медь – не являются сверхпроводниками, по крайней мере, при температурах выше 0,05 [К].
В нормальном состоянии узлы кристаллической решетки металлов колеблются, при этом отклонение от положения равновесия достигают
10-10 [см], что лишь в 100 раз меньше расстояния между соседними узлами решетки. Обычные электроны "сталкиваясь" с такими узлами изменяют либо свое направление, либо скорость, т.е. в конечном счете, меняется их энергетический импульс:
, (7.1)
где me–масса электрона, 
– вектор скорости i-го электрона.
В результате появляются потери энергии, которые и определяют сопротивление проводника R.
В сверхпроводящем состоянии кристаллическая решетка не искажена тепловыми колебаниями, поэтому условия взаимодействия электронов с решеткой будут следующими: пусть первоначальные траектории двух электронов характеризуются импульсами 
и 
. Пролетая около узла решетки, один из электронов взаимодействует с ним и отдает часть своей энергии в виде импульса.
Рисунок 7.2 – Обмен энергии между электронами и узлами кристаллической решетки в сверхпровододнике
Решетка поглощает эту энергию (возбуждается), а далее отдает эту энергию второму электрону с импульсом . В результате такого взаимодействия сумма первоначальных и конечных импульсов не меняется, то есть:
, (7.2)
где 
и 
– импульсы электронов после взаимодействия с узлом решетки.
Поэтому, сверхпроводящие электроны не испытывают сопротивления решетки. Они становятся «взаимосвязанными».
Опытные данные показывают, что при критической температуре, сопротивление уменьшается примерно на 13 порядков. Наиболее точные измерения проводились в сверхпроводящем алюминиевом кольце при Т<Тк.
Измерения магнитного поля и расчеты затухания тока I0, проведенные по формуле
, (7.3)
где R – сопротивление кольца,
L – индуктивность,
t – время затухания тока; показали, что ρ<10 – 25 [Ом·м].
В то время, как у сверхчистого алюминия при Т = 2 [К], удельное сопротивление имеет значение 
[Ом·м]. Кроме того, было обнаружено, что явление сверхпроводимости исчезает при достижении током определенного значения.
Данное явление обусловлено действием магнитного поля, которое создает ток в сверхпроводнике. Сверхпроводимость исчезает при некоторой критической напряженности магнитного поля Нкр, зависящей от температуры.
Критические параметры Нкр и Ткр зависят от структуры материала и степени его неоднородности.
До недавнего времени, "рекордсменом" среди сверхпроводников, было соединение Nb3Ge с Ткр =23,2 [К], полученное в 1973г.
Рисунок 7.3 – Зависимость критической напряженности магнитного поля сверхпроводника от температуры
Возможные области использования сверхпроводников: передача электрической энергии, сверхпроводниковые электромагниты (со сверхмощными магнитными полями), накопители энергии, обмотки трансформаторов и электрических машин (с уменьшением массы генератора в 3-4 раза и повышением мощности). Основное препятствие широкого применения: очень низкие температуры и охлаждение с помощью дорого жидкого гелия.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 311; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!