Сверхпроводимость

     Федеральное агентство по образованию

Нижневартовский государственный гуманитарный университет 
 

Кафедра « Экологии и естествознания»                                    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат 

Сверхпроводимость 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнила студентка: Цимбалюк А.И

Группа 13 ЕНО 

Проверил: д.ф-м.н проф. Косьянов П.М 
 
 
 
 
 
 

Нижневартовск

2010 г. 
 
 

Содержание.

   1. Введение. стр

   2. Сверхпроводимость .

       2.1Теория сверхпроводимости. стр

       2.2 Эффект Мейснера. стр.

       2.3 Основы микроскопической теории сверхпроводимости. стр

  3.Техника сверхпроводимости.

     3.1 Применение сверхпроводимости. стр

     3.2 Магниты. стр

     3.3 Сверхпроводящие НТСП-провода. стр

     3.4 Сверхпроводящие ВТСП-провода. стр

     3.5  Применение сверхпроводящих магнитов 1. стр

     3.6  Применение сверхпроводящих магнитов 2. стр

     3.7 Эффекты Джозефсона. стр

     3.8  Применение слабой свехпроводимости – СКВИДы. стр

4. Вывод.  стр

5. Литература стр 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Введение.

 
В «кратком руководстве к физике», изданном в Санкт-Петербурге в начале 
XIX века, говорится: «Физика есть столько приятная, сколько и полезная наука, толкующая свойства тел или предметов, нас окружающих. Свойства тел познаются или через наблюдения, когда тело рассматривается в естественном состоянии, то есть так, как оно есть, или через опыты, когда тело приводят в такое состояние, до какого оно само дойти никогда не может». В общем, всё правильно. Физик тем и отличается от натуралиста, что он не только наблюдает, но и исследует природу, ставя опыты, приводя тела в такое состояние, до какого они сами дойти, не могут. Физика - приятная наука, поскольку дарит исследователю минуты вдохновения, сладость которых скрашивает годы труда и тревог. Тревог, потому что результат опыта – число, должен быть подвергнут строгой обработке, контролю и анализу на всех этапах эксперимента, потому что выбор методик неоднозначен и зависит от квалификации и интуиции исследователя, потому что появление новых экспериментальных возможностей побуждает его самого и других к постоянной проверке и уточнению уже полученных результатов.

В 1911 году голландский  физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии её сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4,15 К резко падает до нуля. Однако нулевое сопротивление — не единственная отличительная черта сверхпроводимости. Ещё из теории Друде известно, что проводимость металлов увеличивается с понижением температуры, то есть электрическое сопротивление стремится к нулю. Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый в 1933 году. Таким образом, открытие сверхпроводимости растянулось на двадцать с лишним лет. 

2. Сверхпроводимость.

 
2.1 Теория сверхпроводимости.

 
Сверхпроводимость - физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ 
(сверхпроводников), при охлаждении их ниже определенной критической температуры Tс, и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления постоянному току и выталкивания магнитного поля из объема образца (эффект 
Мейснера). Явление открыто в 1911 г. Х. Каммерлинг-Оннесом. Изучая температурный ход электросопротивления Hg, он обнаружил, что при температуре ниже 4,22К Hg практически теряет сопротивление. 
Далее оказалось, что при крайне низких температурах целый ряд веществ обладает сопротивлением, по крайней мере, в 10-12 раз меньше, чем при комнатной температуре. Эксперименты показывают, что если создать ток в замкнутом контуре из сверхпроводников, то этот ток продолжает циркулировать и без источника ЭДС. Токи Фуко в сверхпроводниках сохраняются очень долгое время и не затухают из-за отсутствия джоулева тепла (токи до 300А продолжают течь много часов подряд). Изучение прохождения тока через ряд различных проводников показало, что сопротивление контактов между сверхпроводниками также равно нулю. Отличительным свойством сверхпроводимости является отсутствие явления Холла. В то время как в обычных проводниках под влиянием магнитного поля ток в металле смещается, в сверхпроводниках это явление отсутствует. Ток в сверхпроводнике как бы закреплен на своем месте. 
Сверхпроводимость исчезает под действием следующих факторов: 
1) повышение температуры; 
2) действие достаточно сильного магнитного поля; 
3) достаточно большая плотность тока в образце; 
С повышением температуры до некоторой Tс почти внезапно появляется заметное омическое сопротивление. Переход от сверхпроводимости к проводимости тем круче и заметнее, чем однороднее образец (наиболее крутой переход наблюдается в монокристаллах). 
Переход от сверхпроводящего состояния в нормальное можно осуществить путем повышения магнитного поля при температуре ниже критической Tс. 
Минимальное поле Bс, в котором разрушается сверхпроводимость, называется критическим магнитным полем. Зависимость критического поля от температуры описывается эмпирической формулой. 
Вс = B0 [1 - (T/Tс)2], где В0 - критическое поле, экстраполированное к абсолютному нулю температуры. 
Для некоторых веществ, по-видимому, имеет место зависимость от Т1 . При действии магнитного поля на сверхпроводник наблюдается особого вида гистерезис, а именно если, повышая магнитное поле уничтожить сверхпроводимость при H=Ht (H - сила поля, Ht - повышенная сила поля:

Ht = a*(Tс2 - T2)) , то с понижением интенсивности поля сверхпроводимость появится вновь при поле Ht(< Ht, dH = Ht - Ht( меняется от образца к образцу и обычно составляет 10( Ht. Повышение силы тока также приводит к исчезновению сверхпроводимости, то есть при этом понижается Tс. 
Чем ниже температура, тем выше та предельная сила тока it при которой сверхпроводимость уступает место обычной проводимости. 
Сверхпроводимость наблюдается как у элементов, так и у сплавов и металлических соединений. Сверхпроводимость есть у Hg, Sn(белое), Pb, Tl, 
Tn, Ga, Ta, Th, Ti, Nb (иногда Cd).

 
2.2 Эффект Мейснера.

 
Для анализа поведения идеального проводника в магнитном поле рассмотрим контур, помещенный в поле с индукцией  Ba . Если площадь, ограниченная кольцом равна А, то поток, пронизывающий кольцо, можно описать по формуле 
Ф=А(Вa. 
При изменении приложенного поля в кольце, согласно закону Ленца, индуцируются токи. Они направлены так, что созданный ими внутри кольца поток стремится компенсировать изменение потока, вызванное переменной приложенного поля. Между индуцированным током и электродвижущей силой (- 
А(dBа/dt) справедливо следующее соотношение: 
-А(dBа/dt=Ri+L(di/dt, где R и L - полное сопротивление и индуктивность контура. 
В обычном кольце наведенные токи из-за конечного сопротивления быстро затухают и поток, пронизывающий контур принимает новое значение. В случае идеальной проводимости R=0, последнее соотношение принимает вид 
-А(dBа/dt=L(di/dt или 
Li+ABа=const. 
Таким образом, полный магнитный поток через контур без сопротивления 
(Li+ABа) не может измениться. Даже при снижении внешнего поля до нуля, внутренний поток сохраняется благодаря циркулирующему в замкнутом кольце индуцированного незатухающего тока. 
Все вышеизложенное относилось к условию, при котором кольцо, находясь в приложенном магнитном поле, охлаждалось ниже температуры Тс, при которой исчезало сопротивление. Если же контур сначала охладить, а затем приложить внешне поле, то результирующий внутренний поток останется равным нулю, несмотря на наличие внешнего поля. 
Рассмотрим поведение идеального проводника в магнитном поле. Предположим, что образец из идеального проводника проходит следующие стадии: сначала охлаждается ниже некоторой температуры, когда падает сопротивление, а затем накладывается магнитное поле. Сопротивление по любому произвольно выбранному замкнутому контуру внутри металла равно нулю. Следовательно, величина магнитного потока, заключенного внутри этого кольца, остается равной нулю. Произвольность выбора контура позволяет заключить, что магнитный поток равен нулю по всему объему образца. Это связано с индуцированными магнитным полем незатухающими токами по поверхности образца. Они создают магнитный поток, плотность которого Вi повсюду внутри металла точно равна по величине и противоположна по плотности потока приложенного магнитного поля Вa. Таким образом, возникает ситуация, когда поверхностные токи, часто называемые экранирующими, препятствуют проникновению в образец магнитного потока приложенного поля. Если внутри вещества, находящегося во внешнем поле, магнитный поток равен нулю, то говорят, что он проявляет идеальный диамагнетизм. При снижении плотности приложенного поля до нуля образец остается в своем не намагниченном состоянии. 
В другом случае, когда магнитное поле приложено к образцу, находящемуся выше переходной температуры, конечная картина заметно изменится. Для большинства металлов (кроме ферромагнетиков) значение относительной магнитной проницаемости близко к единице. Поэтому плотность магнитного потока внутри образца практически равна плотности потока приложенного поля. 
Исчезновение электросопротивления после охлаждения не оказывает влияния на намагниченность, и распределение магнитного потока не меняется. Если теперь снизить приложенное поле до нуля, то плотность магнитного потока внутри сверхпроводника не может меняться, на поверхности образца возникают незатухающие токи, поддерживающие внутри магнитный поток. В результате образец остается все время намагниченным. Таким образом, намагниченность идеального проводника зависит от последовательности изменения внешних условий. 
В течение почти четверти века считали, что единственным характеристическим свойством сверхпроводящего состояния является отсутствие электрического сопротивления. Это означает, что сверхпроводник в магнитном поле будет вести себя так, как описано выше. Однако такой подход приводит к неоднозначному описанию сверхпроводящей фазы. 
Эксперимент, иллюстрирующий переход из сверхпроводящего состояния в обычное продемонстрировал, что сверхпроводники - нечто большее, чем идеальные проводники. Они обладают дополнительным свойством, отсутствующим от металла, просто лишенного сопротивления: металл в серхпроводящем состоянии никогда не позволяет магнитному потоку проникнуть внутрь, всегда 
Вi=0. 
Когда сверхпроводник охлаждается в слабом магнитном поле, то при температуре перехода на его поверхности возникает незатухающий ток, циркуляция которого обращает внутренний магнитный поток в нуль. Это явление, заключающееся в том, что внутри сверхпроводника плотность магнитного потока всегда, даже во внешнем магнитном поле, равна нулю, называется эффектом Мейснера. 
Эффект выталкивания магнитного поля из сверхпроводника можно пояснить на основе представлений о намагниченности. Если экранирующие токи, полностью компенсирующие внешнее магнитное поле, сообщают образцу магнитный момент m, то намагниченность M выражается соотношением 
M=m/V, где V - объем образца. Можно говорить о том, что экранирующие токи приводят к появлению намагниченности, соответствующей намагниченности идеального ферромагнетика с магнитной восприимчивостью, равной минус единице. 

2.3 Основы микроскопической теории сверхпроводимости.

 
Взаимодействие электронов с фотонами

Ранее было показано, что переход о нормального  к сверхпроводящему состоянию связан с определенным упорядочиванием  в электронной системе твердого тела. На основании этого можно  предположить, что переход в сверхпроводящее  состояние обусловлен взаимодействием  электронов друг с другом. 
В принципе можно предположить различные механизмы такого взаимодействия. 
Были попытки объяснить упорядочение системы с помощью механизма кулоновского отталкивания электронов. Рассматривалось магнитное взаимодействие электронов, которые, пролетая через решетку с большими скоростями, создают магнитное поле и с помощью него взаимодействия между собой. Однако эти и другие подходы не позволяют построить теорию сверхпроводимости и объяснить электрические, магнитные и тепловые свойства сверхпроводников. 
Конструктивной основой для создания такой теории стала идея о взаимодействии электронов через колебания решетки, сформулированная в 1950- 
51 гг. практически независимо друг от друга Г. Фрелихом и Дж. Бардиным. 
Такое рассмотрение позволило уже в 1957 г. Дж. Бардину, Л. Куперу и Дж. 
Шифферу создать микроскопическую теорию сверхпроводимости, получившая название БКШ (по начальным буквам фамилий авторов). 
Рассмотрим качественно механизм меж электронного взаимодействия через колебания решетки. Как известно, ионы в кристаллической структуре совершают колебания около положений равновесия. Если в такую решетку поместить всего два электрона и пренебречь всеми остальными, то положительно заряженные ионы, расположенные вблизи этих электронов, будут притягиваться к ним. 
Образуются две области поляризации решетки, то есть скопления положительного заряда ионов вблизи оказывающих поляризующее действие отрицательно заряженных электронов. Второй электрон и поляризованная им область решетки могут реагировать на поляризацию, вызванную первым электроном. При этом второй электрон испытывает притяжение к месту поляризации первого электрона, а, следовательно, и к нему самому. 
Рассмотренная выше модель имеет весьма существенный недостаток - она является статической. Реально электроны в металле имеют очень большие скорости (порядка 106 м/c) . Поэтому можно предположить, что электрон, перемещаясь по кристаллу, притягивает ионы и создает область избыточного положительного заряда. Такая динамическая поляризация является относительно устойчивой, поскольку масса ионов значительно больше, чем масса электронов. 
Таким образом, второй электрон, пролетая сквозь решетку, притягивается к этому сгустку положительного заряда, а, следовательно, и к первому электрону. Отметим, что при высоких температурах (больше критической) интенсивное тепловое движение узлов кристалла делает поляризацию решетки слабой, а, следовательно, практически невозможным взаимодействие между электронами.

Энергетические  щели

Для развития динамической модели будем полагать, что второй электрон движется по поляризованному  следу первого электрона. При  этом возможны две ситуации: первая - импульсы электронов одинаковы по величине и направлению, то есть они  образуют пару частиц с удвоенным  импульсом, вторая - импульсы электронов одинаковы по величине и противоположны по направлению. Такую корреляцию электронов также можно рассматривать, как  пару с нулевым импульсом. Если электроны, кроме того, будут иметь противоположные  спины, то такая пара будет обладать уникальными свойствами. 
Чрезвычайно интересным с точки зрения понимания механизма сверхпроводимости является вопрос о процессах энергообмена в сверхпроводящем состоянии. В принципе ясно, что эти процессы связаны с разрушением куеперовских пар и энергетическими переходами в системе свободных электронов, причем как первое, так и второе определяется совокупностью свободных состояний, в которые могут перейти электроны. 
Сложность рассматриваемой задачи связана с тем, что образование куперовских пар приводит к изменению квантово - механических состояний, не спаренных электронов. 
Распределение электронов в нормальном металле описывается функцией Ферми- 
Дирака f(E)=(e (E-()/(kT)+ 1)-1. 
Где k - постоянная Больцмана; ( - химический потенциал. 
При температуре Т=0 К полная функция распределения N(E)=f(E)g(E), определяющая число частиц с энергией Е, равна плотности числа состояний g(E), так как f(E)=1: g(E)=((4(V)/ n3)(2m)3/2Е1/2. 
Взаимодействие электронов в сверхпроводнике с образованием куперовских пар приводит к тому, что небольшая область энергии вблизи уровня Ферми становится запрещенной для электронов - возникает энергетическая щель. В пределах этой щели нет ни одного разрешенного для не спаренных электронов энергетического уровня. Под влиянием взаимодействия между электронами, имеющими энергию, близкую к Еf, они оказываются как бы сдвинутыми относительно уровня Ферми.

При Т=0 К ширина щели максимальна (2d0(10-2 - 10-3 эВ), а все  свободные (не спаренные) электроны  находятся под щелью (на уровне с  энергией меньше Еf). При повышении температуры часть куперовских пар разрушается, а некоторые, не спаренные электроны “перескакивают” щель и заполняют состояния с энергией больше Еf. Ширина щели 2d(T) при этом уменьшается.

Между максимальной (при Т=0 К) шириной щели 2d0 и критической  температурой Тc существует прямая зависимость. По теории БКШ, удовлетворительно согласующейся с экспериментальными данными для большого числа сверхпроводников (кроме Nb, Ta, Pb, Hg): 
2d0=3,5 kTс. 
Ширина щели по этому соотношению определяется в эВ.