Виды сверхпроводящих материалов
Явление сверхпроводимости при криогенных температурах достаточно широко распространено в природе. Сверхпроводимостью обладают 26 металлов. Большинство из них являются сверхпроводниками I рода с критическими температурами перехода ниже 4,2 [К]. В этом заключается одна из причин того, что большинство сверхпроводящих металлов для электротехнических целей применить не удается. Еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях. Среди них такие полупроводники, как кремний, германий, селен, теллур, сурьма и др. Следует заметить, что сверхпроводимостью не обладают металлы, являющиеся наилучшими проводниками в нормальных условиях, каковыми являются золото, медь и серебро. Малое сопротивление этих материалов указывает на слабое взаимодействие электронов с решеткой. Такое слабое взаимодействие не создает вблизи абсолютного нуля достаточного межэлектронного притяжения, способного преодолевать кулоновское отталкивание. Поэтому и не происходит их переход в сверхпроводящее состояние.
Кроме чистых металлов сверхпроводимостью обладают многие интерметаллические соединения и сплавы. Общее количество наименований известных в настоящее время сверхпроводников составляет около 2000. Среди них самыми высокими критическими параметрами обладают сплавы и соединения ниобия. Некоторые из них позволяют использовать для достижения сверхпроводящего состояния вместо жидкого гелия более дешёвый хладагент – жидкий водород. Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода. Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например, у чистого олова Тк=3,7 [К], но если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастет до 9 [К], а критическая напряженность магнитного поля увеличится в 70 раз.
|
|
|
Сверхпроводимость никогда не наблюдается в системах, в которых существует ферро- или антиферромагнетизм. Образованию сверхпроводящего состояния в полупроводниках и диэлектриках препятствует малая концентрация свободных электронов. Однако в материалах с большой диэлектрической проницаемостью силы кулоновского отталкивания между электронами в значительной мере ослаблены. Поэтому некоторые из них также проявляют свойства сверхпроводников при низких температурах. Примером может служить титанат стронция (SrTiО3), относящийся к группе сегнетоэлектриков. Ряд полупроводников удается перевести в сверхпроводящее состояние добавкой легирующих примесей (GeTe, SnTe, CuS, и др.) в больших концентрациях.
|
|
|
В настоящее время промышленность выпускает широкий ассортимент сверхпроводящих проволок и лент для самых различных целей. Изготовление таких проводников связано с большими технологически трудностями. Они обусловлены плохими механическими свойствами многих сверхпроводников, их низкой теплопроводностью и сложной структурой проводов. Особенно большой хрупкостью отличаются интерметаллические соединения с высокими критическими параметрами. Поэтому вместо простых проволок и лент приходится создавать композиции из двух (обычно сверхпроводник с медью) и даже нескольких металлов. Для получения многожильных проводов из хрупких интерметаллидов особенно перспективен бронзовый метод (или метод твердофазной диффузии), освоенный промышленностью. По этому методу прессованием и волочением создается композиция из тонких нитей ниобия в матрице из оловянной бронзы. При нагреве олово из бронзы диффундирует в ниобий, образуя на его поверхности тонкую сверхпроводящую пленку станнида ниобия Nb3Sn. Такой жгут может изгибаться, но пленки остаются целыми.
|
|
|
Переход в сверхпроводящее состояние
Рассмотрим явление перехода металла из нормального в сверхпроводящее состояние, пользуясь методом Семенченко.
Опыт показывает, что если металл охлаждается ниже точки перехода его в сверхпроводящее состояние, то магнитное поле, в котором находится металл, не проникает внутрь него. Можно сказать, что магнитная индукция внутри проводника, приведённого в сверхпроводящее состояние, равна 0. Говорят, что линии магнитной индукции выталкиваются из металла, находящегося в сверхпроводящем состоянии.
Данное обстоятельство позволяет считать, что магнитная проницаемость проводника (μ) в сверхпроводящем состоянии равна 0:
μ = 0. (7.4)
Если привлечь известную из электродинамики связь между магнитной проницаемостью (μ) и магнитной восприимчивостью (χ)
, (7.5)
то, учитывая, что μ = 0, получим
, (7.6)
т. е. проводник в сверхпроводящем состоянии ведёт себя как диамагнетик (χ<0).
С точки зрения термодинамики мы имеем дело с системой, обладающей двумя степенями свободы: тепловой и магнитной. Поэтому
|
|
|
(7.7)
(7.8)
где M – магнитный момент металла,
Н – напряжённость поля, причём M = χ H.
Если привлечь для решения вопроса о скачке теплоёмкости в точке перехода положения метода Семенченко, то мы должны принять, что в точке перехода
(7.9)
Для определения скачка теплоёмкости воспользуемся уравнением
(7.10)
заменив в нём величину v– координату, соответствующую механической степени свободы, координатой M, отнесённой к единице массы металла, и потенциал p потенциалом H.
Произведя замену указанных величин, получаем
(7.11)
где индекс H означает, что рассматривается теплоёмкость при постоянной напряжённости магнитного поля.
В совокупности с зависимостями
μ = 0; (7.12)
(7.13)
(7.14)
, (7.15)
уравнение
, (7.16)
определяет скачок теплоёмкости сН при переходе металла в сверхпроводящее состояние.
Лабораторные работы
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 261; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!