Es wird ein kurzer Überblick über die Theorien der Supraleitung und die Probleme der Hochtemperatur-Supraleitung analysiert. Supraleitung – Kenntnisse der Physik und mehr – LJ Was ist die Manifestation des Phänomens der Supraleitung?

Das Wunder der Supraleitung(Autor Valery Staroshchuk)

Eine kleine Theorie

Bereits die ersten Experimente mit Elektrizität zeigten, dass Silber, Kupfer und Aluminium elektrischen Strom gut leiten, Porzellan, Glas, Gummi und Seide hingegen praktisch nicht. Dementsprechend begannen die Menschen, Leiter aus den ersten Materialien und aus den zweiten Materialien herzustellen - Isolierung für Drähte und Schutz vor Stromschlägen. Auf dem Foto sehen Sie ein modernes zweiadriges Netzwerkkabel. Jeder Kern besteht aus sieben Kupferdrähten, die von einer Kunststoffisolierung umgeben sind. Da der Draht mit einer gefährlichen Spannung von 220 V betrieben wird, sind die beiden isolierten Drähte mit einer weiteren gemeinsamen Schicht aus Kunststoffisolierung abgedeckt.

Wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, erwärmt er sich. Diese Eigenschaft wird in Heizgeräten wie Bügeleisen, Wasserkochern, elektrischen Batterien und auch in Glühlampen genutzt. Auf dem Foto sehen Sie einen Wolframfaden, der unter Stromeinfluss so heiß wurde, dass er anfing zu leuchten.

Mittlerweile kommen immer häufiger energiesparende Leuchtstofflampen zum Einsatz, die allerdings auch über einen kleinen Glühfaden zur Emission von Elektronen verfügen.

Fließt Strom durch einen Leiter, erwärmt sich dieser nicht nur, sondern erzeugt auch ein Magnetfeld um sich herum. Diese Eigenschaft wurde erstmals 1820 vom dänischen Wissenschaftler Hans Christian Oersted bemerkt und beschrieben. Auf dem Foto sehen Sie, wie sich unter dem Einfluss eines Magnetfeldes Eisenspäne um einen stromdurchflossenen Kupferleiter anordnen.

Das Magnetfeld des Stroms wird beim Betrieb eines Elektromotors, Generators und Elektromagneten genutzt.

Fließt also ein Strom durch einen Leiter, so wird die Energie der Stromquelle in thermische und elektromagnetische Feldenergie umgewandelt. Manchmal ist es notwendig und nützlich, manchmal ist es einfach schädlich. Warum brauchen wir zum Beispiel eine Heizung und das Magnetfeld des Drahtes, mit dem wir das Bügeleisen an die Steckdose angeschlossen haben? Auch die Leitungen, über die der Strom vom Kraftwerk zu unseren Häusern fließt, erwärmen sich. Um diese Energieverluste zu reduzieren, versuchen sie, den Widerstand des Leiters so klein wie möglich zu machen.

Da der elektrische Widerstand einer Probe stark vom Material, aus dem sie besteht, der Temperatur und den geometrischen Abmessungen abhängt, haben wir uns für die Messung entschieden Widerstand, also der Widerstand einer 1 m langen Probe dieses Materials mit einer Querschnittsfläche von 1 mm 2 bei 20 0 C. Beispielsweise beträgt der spezifische Widerstand von Kupfer r = 0,0125 Ohm mm 2 /m. Das heißt, wenn Sie einen Kupferleiter (Cu) mit einer Länge von 1 m und einer Querschnittsfläche von 1 mm 2 nehmen, beträgt sein Widerstand gegen elektrischen Strom 0,0125 Ohm. Mit dem Widerstand lässt sich herausfinden, wie viel Strom bei einer bestimmten Spannung durch den Leiter fließt. Wenn beispielsweise die Spannung an den Enden unserer Probe 0,1 V beträgt, fließt ein Strom I = U/R = 0,1/0,0125 = 8 A durch sie. Stellen wir uns der Klarheit halber Elektronen in Form laufender blauer Männer vor.

Dann laufen sie mit einem Strom von 8A in einer Sekunde auf den Leiter 5·10 19 (50 Milliarden Milliarden!). Das ist fast 70 Milliarden Mal mehr, als es Menschen auf der Erde gibt. Bitte beachten Sie, dass die gleiche Anzahl davon in einer Sekunde aus dem Dirigenten herausläuft. Wir waren uns einig, dass die Richtung des Stroms durch die Bewegung positiv geladener Teilchen bestimmt wird. Da in Metallen jedoch negative Elektronen Strom leiten, ist die Richtung des Stroms entgegengesetzt zur Geschwindigkeit der Elektronen dargestellt. Der Leiter enthält positive Kupferionen, mit denen unsere menschlichen Elektronen spielen, indem sie sie mit den Händen greifen. Schließlich gibt es Anziehungskräfte zwischen negativen Elektronen und positiven Ionen. Der Elektronenmensch wird das Ion nicht mitnehmen können, da Ionen viel schwerer als Elektronen sind und durch Kräfte im Kristallgitter fest miteinander verbunden sind. Aber unsere „kleinen Männer“ werden in der Lage sein, die Ionen zu pumpen. In diesem Fall verlieren die Elektronen ihre Geschwindigkeit und damit ihre Bewegungsenergie und der Leiter erwärmt sich entsprechend.

Geschichte der Entdeckung

Die niederländische Wissenschaftlerin Heike Kammerlingh Onnes (Bild rechts) beschloss, in ihren Experimenten als erste weltweit den absoluten Nullpunkt auf der Kelvin-Skala (ungefähr minus 273 Grad Celsius) zu erreichen. Wie Sie wissen, gibt es in der Natur keine niedrigere Temperatur. Der vierzigjährige Wissenschaftler nutzte seine Verbindungen zu niederländischen Industriellen und begann 1893 an der Universität Leiden mit dem Bau eines der besten Labors der Welt, das er mit modernster Ausrüstung ausstattete. Der erste Erfolg gelang am 10. Juli 1908, als es gelang, flüssiges Helium bei 5 K (das sind minus 268 Grad Celsius!) zu gewinnen. Nach 2 Jahren harter Arbeit erreichen sie eine Temperatur von 1K! Und dann wird dem Wissenschaftler klar, dass dies die Grenze ist, die mit dieser Ausrüstung erreicht werden kann, und so wird die Entscheidung getroffen, die Richtung der wissenschaftlichen Arbeit zu ändern. Nun zielten alle Bemühungen darauf ab, die physikalischen Eigenschaften verschiedener Materialien bei niedrigen Temperaturen zu untersuchen. Zu den Programmpunkten gehörte natürlich auch die Messung des elektrischen Widerstands des Materials. Viele Wissenschaftler jener Zeit schlugen vor, dass Metalle bei sehr niedrigen Temperaturen zu Dielektrika werden sollten. Angeblich verlangsamen freie Elektronen ihre Bewegung so sehr, dass sie an den Ionen „kleben bleiben“ und keinen Strom übertragen können. Aber Physik ist eine Wissenschaft, vor allem experimentell! Experimente von Heike Kamerlingh Onnes zeigten, dass der Widerstand von Platin mit sinkender Temperatur nicht zunimmt, sondern abnimmt und nach 4K konstant bleibt. Der Wissenschaftler ging davon aus, dass der Widerstand gegen Null tendieren sollte, da die Ionen ihre Schwingungsbewegung stoppen und die Bewegung freier Elektronen „nicht stören“. Als ihm klar wurde, dass Platin kleine Verunreinigungen enthielt, beschloss er, Quecksilber, das raffinierteste Metall, das er hatte, zu testen.

Am 8. April 1911 testete die Gruppe von Heike Kamerlingh Onnes zusammen mit den Assistenten Cornelis Dorsman und Gilles Holst die Funktionsweise eines neuen Kryostats (eines Geräts zur Aufrechterhaltung niedriger Temperaturen in einem bestimmten Volumen). Zuerst dachten sie nur daran, es mit flüssigem Helium zu füllen, aber dann installierten sie ein Gasthermometer und zwei Gold- und Quecksilberproben, um ihren spezifischen Widerstand zu messen. Nachdem wir den Widerstand von Metallen bei 4,3 K gemessen hatten, beschlossen wir, den Druck im Kryostaten über Helium zu reduzieren. Das Helium begann schnell zu verdampfen und die Temperatur sank auf 3 K. Das Experiment hatte bereits 9 Stunden gedauert! Bei wiederholter Messung stellte sich heraus, dass der Widerstand von Quecksilber Null war! So wurde die Supraleitung entdeckt!

Auf dem Foto sehen Sie die historische Aufzeichnung des Wissenschaftlers an diesem Tag. Gerahmt Niederländische Phrase übernommen Kwik nagenoeg nul— „Der Widerstand von Quecksilber ist nahezu Null“ (3 K). Nächstes Angebot Herhaald traf Goud bedeutet „Mit Gold wiederholt“.

Die kritische Temperatur für den Übergang von Quecksilber in den supraleitenden Zustand wurde an diesem Tag nicht bestimmt und eine solche Aufgabe wurde auch nicht gestellt. Dies wurde im nächsten Experiment am 11. Mai herausgefunden. Kamerlingh Onnes kam dann zu dem Schluss, dass Quecksilber beim Abkühlen auf 4,2 K zum Supraleiter wird.

Anschließend kamen Entdeckungen nacheinander. Im Jahr 1912 wurden zwei weitere Supraleiter entdeckt – Blei und Zinn. 1914 erkannten sie, dass ein starkes Magnetfeld die Supraleitung zerstört. Im selben Jahr wurde ein spektakuläres Experiment mit einem supraleitenden Bleiring durchgeführt. Darin wurde kurzzeitig ein Strom induziert und dann seine Zirkulation mehrere Stunden lang ohne die geringste Abschwächung beobachtet. Der Ring selbst wird zum Magneten.

1919 kam aus Leiden die Nachricht, dass auch Thallium und Uran zu Supraleitern werden würden.

Supraleitung erklärt

Es ist unmöglich, das Phänomen der Supraleitung aus der Sicht der klassischen Elektrodynamik zu erklären. Erst mit der Entwicklung der Quantenphysik im Jahr 1957 (46 Jahre nach der Entdeckung!) erklärten drei amerikanische Physiker – Bardeen, Cooper und Schrieffer – die Supraleitung durch die Paarung von Elektronen, also die Bildung von Cooper-Paaren, die aufgrund der erfolgt Schwingungsaustausch einer Kristallzelle - Phononen.

Um zu verstehen, wie Cooper-Paare gebildet werden, betrachten Sie ein sehr vereinfachtes Modell des Stromflusses in einem Supraleiter.

Rote Kreise zeigen positive Ionen des Kristallgitters an.

Wenn sich Elektron A unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes durch den Gitterraum bewegt, biegt es diesen leicht. Dadurch erhöht sich die Konzentration positiver Ionen dahinter. Ein Cluster positiver Ionen zieht das negative Elektron B mit einer Kraft F an. Dadurch wird die Energie, die Elektron A beim Durchgang durch das Ionenkristallgitter aufgewendet hat, durch Gitterschwingungen auf Elektron B übertragen. Es stellt sich heraus, dass die Elektronen A und B miteinander verbunden sind einander durch das Ionengitter, bilden ein Paar und verschwenden zusammen keine Energie, wenn sie sich bewegen. Der aktuelle Widerstand ist in diesem Fall Null.

Anwendungen von Supraleitern

Die moderne Wissenschaft hat bereits Materialien erhalten, die bei 165 K (minus 107 °C) Supraleitung aufweisen. Wenn Materialien gewonnen werden, die bei Raumtemperatur supraleitend sind, wäre das ein großer Entwicklungssprung für die Menschheit. Immerhin verbrauchen wir ein Drittel des Stroms für die Übertragung von der Quelle zum Verbraucher. Mittlerweile müssen Supraleiter mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden.

Andererseits ist die Arbeit des Large Hadron Collider am CERN und der Bau des thermonuklearen Reaktors ITER in Cadarache ohne sie schon kaum vorstellbar.

Die Supraleitung ist auch durch den Meissner-Effekt gekennzeichnet, der in der vollständigen Verdrängung des Magnetfelds aus dem Volumen des Supraleiters besteht. Dadurch schwebt die Probe, wie auf dem Foto zu sehen, über dem Magneten.

Basierend auf diesem Phänomen wurden bereits Magnetschwebebahnen entwickelt, die auf Geschwindigkeiten von 500 km/h beschleunigen können.

Leistungsstarke supraleitende Magnete werden in der Medizin zur Herstellung von Tomographen nach dem Prinzip der Kernspinresonanz (NMR) eingesetzt. Durch das Scannen von menschlichem Gewebe können Ärzte einen Querschnitt des Inneren auf einem Computerbildschirm sehen, ohne den Patienten operieren zu müssen. Mit dieser Methode können Sie schnell eine korrekte Diagnose stellen und so den Patienten schneller heilen.

Die moderne Quantentheorie der Supraleitung beschränkt die Temperatur, bei der dieser Effekt beobachtet wird, nicht grundsätzlich. Es geht also darum, neue Materialien und Verbindungen zu schaffen, die Sie möglicherweise in naher Zukunft entdecken werden.

Im Jahr 1911 entdeckte der niederländische Physiker H. Kamerlingh-Onnes das Phänomen der Supraleitung. Er maß den elektrischen Widerstand von Quecksilber bei niedrigen Temperaturen. Onnes wollte herausfinden, wie gering der Widerstand eines Stoffes gegenüber elektrischem Strom werden könnte, wenn der Stoff möglichst weitgehend von Verunreinigungen gereinigt und das „thermische Rauschen“ so weit wie möglich reduziert würde, d. h. Temperatur reduzieren.

Das Ergebnis dieser Studie war unerwartet: Bei Temperaturen unter 4,15 K verschwand der Widerstand fast augenblicklich. Ein Diagramm dieses Widerstandsverhaltens als Funktion der Temperatur ist in Abb. dargestellt. 1.

Elektrischer Strom ist die Bewegung geladener Teilchen. Schon damals war bekannt, dass elektrischer Strom in Festkörpern ein Elektronenfluss ist. Sie sind negativ geladen und viel leichter als die Atome, aus denen jede Substanz besteht.

Jedes Atom wiederum besteht aus einem positiv geladenen Kern und Elektronen, die gemäß dem Coulombschen Gesetz mit ihm und untereinander interagieren. Jedes Atomelektron nimmt eine bestimmte „Umlaufbahn“ ein. Je näher die „Umlaufbahn“ am Kern liegt, desto stärker wird das Elektron von ihm angezogen, desto mehr Energie ist erforderlich, um ein solches Elektron vom Kern abzureißen. Im Gegenteil: Die Elektronen, die sich am äußersten Rand des Kerns befinden, lassen sich am leichtesten von ihm lösen, obwohl dies ebenfalls Energie erfordert.

Die äußeren Elektronen werden Valenzelektronen genannt. In Stoffen, die Metalle genannt werden, lösen sie sich tatsächlich von den Atomen, wenn sie sich zu einem Feststoff verbinden und ein Gas aus nahezu freien Elektronen bilden. Dies ist ein einfaches, schönes und oft korrektes physikalisches Bild: Ein Stück Materie ist wie ein Gefäß, in dem sich ein „Gas“ aus Elektronen befindet (Abb. 2).

Wenn wir ein elektrisches Feld erzeugen und eine Spannung an das zu untersuchende Substanzstück anlegen, entsteht im Elektronengas ein Wind, als ob er unter dem Einfluss einer Druckdifferenz stünde. Dieser Wind ist ein elektrischer Strom.

Metalle

Nicht alle Stoffe leiten Strom gut. In Dielektrika bleiben die Valenzelektronen an ihre Atome „gebunden“ und können nicht so leicht durch die gesamte Probe bewegt werden.

Es ist ziemlich schwierig zu erklären, warum manche Stoffe Metalle sind, während andere Dielektrika sind. Es hängt davon ab, aus welchen Atomen sie bestehen und wie diese Atome angeordnet sind. Manchmal sind Transformationen möglich, wenn sich die Anordnung der Atome ändert, beispielsweise unter Druckeinfluss, die Atome näher zusammenrücken und das Dielektrikum zu einem Metall wird.

Durch Dielektrika fließt kein Strom, aber auch in Metallen können sich Elektronen nicht völlig frei bewegen. Sie treffen auf die atomaren „Kerne“, von denen sie sich „gelöst“ haben, und werden auf diese verstreut. In diesem Fall entsteht Reibung oder, wie man sagt, der elektrische Strom erfährt Widerstand.

Bei der Supraleitung verschwindet der Widerstand und wird gleich Null, d.h. Die Elektronenbewegung erfolgt ohne Reibung. Inzwischen zeigt die Erfahrung unseres täglichen Lebens, dass eine solche Bewegung unmöglich ist.

Die Arbeit der Physiker zielt seit Jahrzehnten darauf ab, diesen Widerspruch aufzulösen.

Die entdeckte Eigenschaft ist so ungewöhnlich, dass man sie als Metalle bezeichnet, die im Gegensatz zu Supraleitern einen Widerstand aufweisen normal.

Widerstand

Der elektrische Widerstand eines Metallstücks (z. B. Draht) wird in Ohm gemessen und durch die Größe und das Material der Probe bestimmt. In der Formel

R = ρ × l / S

R- Widerstand, l— Länge (Größe der Probe in der Richtung, in die der Strom fließt), S— Querschnitt der Probe. Nachdem wir eine solche Formel geschrieben haben, scheinen wir weiterhin Elektronen mit Gas zu vergleichen: Je breiter und kürzer das Rohr, desto einfacher ist es, Gas durchzublasen.

Wert ρ — spezifischer Widerstand, der die Eigenschaften des Materials charakterisiert, aus dem die Probe besteht.

Für reines Kupfer bei Raumtemperatur ρ = 1,75·10 -6 Ohm cm.

Kupfer ist eines der Metalle mit der höchsten Leitfähigkeit und wird häufig zur Herstellung elektrischer Leitungen verwendet. Einige andere Metalle leiten Strom bei Raumtemperatur weniger gut:

Zum Vergleich stellen wir die spezifischen Widerstände einiger Dielektrika auch bei Raumtemperatur dar:

Wenn die Temperatur sinkt T Der spezifische Widerstand von Kupfer nimmt allmählich ab und beträgt bei einer Temperatur von mehreren Kelvin 10 -9 Ohm cm, Kupfer wird jedoch nicht zum Supraleiter. Und Aluminium, Blei, Quecksilber gehen in einen supraleitenden Zustand über, und mit ihnen durchgeführte Experimente zeigen, dass der spezifische Widerstand eines Supraleiters auf keinen Fall 10 -23 Ohm cm überschreitet – einhundert Billionen Mal weniger als der von Kupfer!

Restwiderstand

Der spezifische Widerstand eines Metalls hängt von der Temperatur ab. Bedingter Graph ρ( T), sagen wir, für Kupfer, sehen Sie in Abb. 3. Je höher die Temperatur, desto größer der Widerstand, desto mehr vibrieren die Atomkerne, aus denen das Metall besteht, und desto stärker stören sie den elektrischen Strom. Wenn wir dagegen die Temperatur näher an den absoluten Nullpunkt bringen, „strebt“ der Widerstand der Probe gegen ρ 0 – den Restwiderstand. Der Restwiderstand hängt von der Perfektion und Zusammensetzung der Probe ab. In jeder Substanz gibt es fremde Verunreinigungsatome sowie alle möglichen anderen Mängel. Je weniger Defekte in der Probe vorhanden sind, desto geringer ist der Restwiderstand. Es war diese Abhängigkeit, die Onnes 1911 interessierte. Er suchte überhaupt nicht nach „Supraleitung“, sondern wollte herausfinden, wie klein der Restwiderstand durch Reinigung der Probe gemacht werden konnte. Er führte Experimente mit Quecksilber durch, weil Quecksilber zu dieser Zeit auf einen höheren Reinheitsgrad gebracht werden konnte als Platin, Gold oder Kupfer (diese Metalle sind bessere Leiter als Quecksilber, und Onnes untersuchte sie vor der Entdeckung der Supraleitung. Weder Gold noch Platin, auch nicht). Kupfer ist „supraleitend“).

Kritische Temperatur

Supraleitung tritt schlagartig auf, wenn die Temperatur sinkt. Temperatur T c, bei dessen Erreichen ein Sprung auftritt, wird als kritisch bezeichnet. Eine sorgfältige Untersuchung zeigt, dass ein solcher Übergang in einem bestimmten Temperaturbereich beobachtet wird (Abb. 4). Die Reibung bewegter Elektronen verschwindet unabhängig von der „Reinheit“ der Probe, aber je „reiner“ die Probe, desto stärker ist der Widerstandssprung; seine Breite beträgt bei den „saubersten“ Proben weniger als ein Hundertstel Grad. In diesem Fall spricht man von „guten“ Proben oder Supraleitern; Bei „schlechten“ Proben kann die Übergangsbreite mehrere zehn Grad erreichen. (Dies gilt natürlich für sogenannte Hochtemperatur-Supraleiter, bei denen T c erreicht Hunderte von Kelvin.)

Die kritische Temperatur ist für jeden Stoff unterschiedlich. Diese Temperatur und das Jahr der Entdeckung der Supraleitung (genauer gesagt das Jahr der Veröffentlichung des Artikels darüber) sind in Abb. angegeben. 5 für ein paar reine Elemente. Niob hat die höchste (bei Atmosphärendruck) kritische Temperatur aller Elemente im Periodensystem von D. I. Mendeleev, obwohl sie 10 K nicht überschreitet.

Onnes entdeckte nicht nur die Supraleitung von Quecksilber, Zinn und Blei, sondern fand auch die ersten supraleitenden Legierungen – Legierungen aus Quecksilber mit Gold und Zinn. Seitdem wurde diese Arbeit fortgesetzt, immer mehr neue Verbindungen wurden auf Supraleitung getestet und die Klasse der Supraleiter wurde sukzessive erweitert.

Niedrige Temperaturen

Die Erforschung der Supraleitung schritt nur sehr langsam voran. Um das Phänomen zu beobachten, war es notwendig, die Metalle auf niedrige Temperaturen abzukühlen, was nicht so einfach ist. Die Probe muss ständig gekühlt werden, wofür sie in ein Kühlmittel gelegt wird. Alle uns aus der Alltagserfahrung bekannten Flüssigkeiten gefrieren und erhärten bei niedrigen Temperaturen. Daher ist es notwendig, gasförmige Stoffe bei Raumbedingungen zu verflüssigen. In Abb. Es sind 6 Siedetemperaturen angegeben T b und schmelzen T m fünf Stoffe (bei Atmosphärendruck).

Wenn Sie die Temperatur unten senken T b, die Substanz verflüssigt sich und darunter T m es härtet aus. (Helium bleibt bei atmosphärischem Druck bis zum absoluten Nullpunkt flüssig.) Für unsere Zwecke kann also jede dieser Substanzen dazwischen verwendet werden T b und T M. Bis 1986 lag die maximale bekannte kritische Temperatur der Supraleitung kaum über 20 K, so dass man bei der Untersuchung der Supraleitung nicht auf flüssiges Helium verzichten konnte. Stickstoff wird auch häufig als Kühlmittel verwendet. In aufeinanderfolgenden Kühlstufen werden Stickstoff und Helium verwendet. Beide Substanzen sind neutral und sicher.

Die Verflüssigung von Helium ist an sich schon ein sehr interessantes und faszinierendes Problem, mit dessen Lösung sich viele Physiker an der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert beschäftigten. Onnes erreichte sein Ziel im Jahr 1908. Eigens dafür richtete er ein Labor in Leiden (Niederlande) ein. 15 Jahre lang hatte das Labor das Monopol auf einzigartige Forschung in einem neuen Temperaturbereich. 1923-1925. Sie lernten, flüssiges Helium in zwei weiteren Labors auf der Welt herzustellen – in Toronto und Berlin. In der Sowjetunion tauchten solche Geräte Anfang der 1930er Jahre auf. am Charkower Institut für Physik und Technologie.

Nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelte sich in vielen Ländern nach und nach eine ganze Industrie, die Labore mit flüssigem Helium versorgte. Davor war alles „Selbstbedienung“. Technische Schwierigkeiten und die physikalische Komplexität des Phänomens führten dazu, dass sich das Wissen über die Supraleitung nur sehr langsam ansammelte. Nur 22 Jahre nach der ersten Entdeckung wurde die zweite grundlegende Eigenschaft von Supraleitern entdeckt.

Meissner-Effekt

Über seine Beobachtung berichteten die deutschen Physiker W. Meissner und R. Ochsenfeld im Jahr 1933.

Bisher nannten wir das Verschwinden des elektrischen Widerstands Supraleitung. Allerdings ist Supraleitung komplexer als nur die Abwesenheit von Widerstand. Dies ist auch eine bestimmte Reaktion auf ein äußeres Magnetfeld. Beim Meissner-Effekt wird ein konstantes, nicht zu starkes Magnetfeld aus einer supraleitenden Probe herausgedrückt. In der Dicke des Supraleiters wird das Magnetfeld auf Null abgeschwächt; Supraleitung und Magnetismus können sozusagen als gegensätzliche Eigenschaften bezeichnet werden.

Bei der Suche nach neuen Supraleitern werden beide Haupteigenschaften der Supraleitung getestet:

in einem Supraleiter verschwindet der elektrische Widerstand;
Aus dem Supraleiter wird ein Magnetfeld herausgedrückt.

In einigen Fällen kann der Widerstandsabfall mit der Temperatur bei „schmutzigen“ Supraleitern viel größer sein als in Abb. 1 für Quecksilber. In der Geschichte der Forschung ist es immer wieder vorgekommen, dass Physiker die Supraleitung mit einem Widerstandsabfall aus einem anderen Grund verwechselten, beispielsweise aufgrund eines gewöhnlichen Kurzschlusses.

Um die Existenz der Supraleitung zu beweisen, ist es notwendig, Manifestationen mindestens beider ihrer Haupteigenschaften zu beobachten. Ein sehr eindrucksvolles Experiment, das das Vorhandensein des Meissner-Effekts demonstriert, ist in Abb. dargestellt. 7: Ein Permanentmagnet schwebt über einem supraleitenden Becher. Zum ersten Mal wurde ein solches Experiment 1945 vom sowjetischen Physiker V. K. Arkadjew durchgeführt.

In einem Supraleiter entstehen Ströme, die das Magnetfeld drücken, ihr Magnetfeld stößt den Permanentmagneten ab und gleicht dessen Gewicht aus. Wichtig sind auch die Wände des Bechers, die den Magneten zur Mitte hin drücken. Über einem flachen Boden ist die Position des Magneten instabil; zufällige Stöße führen dazu, dass er sich zur Seite bewegt. Dieser schwebende Magnet erinnert an die Legenden der Levitation. Die berühmteste Legende handelt vom Grab eines religiösen Propheten. Der in einer Höhle aufgestellte Sarg schwebte dort ohne sichtbare Stütze in der Luft. Nun lässt sich nicht mit Sicherheit sagen, ob solche Geschichten auf realen Phänomenen beruhen. Mit dem Meissner-Effekt sei es nun technisch möglich, „die Legende wahr werden zu lassen“.

Ein Magnetfeld

Die moderne Physik verwendet den Begriff des Feldes, um den Einfluss eines Körpers auf einen anderen aus der Ferne ohne direkten Kontakt zu beschreiben. Somit interagieren Ladungen und Ströme durch ein elektromagnetisches Feld. Jeder, der die Gesetze des elektromagnetischen Feldes studiert hat, kennt ein visuelles Bild des Feldes – ein Bild seiner Kraftlinien. Dieses Bild wurde erstmals vom englischen Physiker M. Faraday verwendet. Zur Verdeutlichung ist es nützlich, sich an ein anderes Bild eines Feldes zu erinnern, das von einem anderen englischen Physiker – J. C. Maxwell – verwendet wurde.

Stellen Sie sich vor, dass das Feld eine sich bewegende Flüssigkeit wie Wasser ist, die entlang der Richtung der Feldlinien fließt. Versuchen wir, damit die Wechselwirkung von Ladungen nach dem Coulombschen Gesetz zu beschreiben. Der Einfachheit halber soll es einen Pool geben, flach und flach, seine Draufsicht ist in Abb. dargestellt. 8. Im Boden befinden sich zwei Löcher: Durch eines gelangt Wasser in das Becken (das ist wie eine positive Ladung) und durch das andere fließt es heraus (das ist ein Abfluss oder eine negative Ladung). Das in einem solchen Becken fließende Wasser stellt das elektrische Feld zweier stationärer Ladungen dar. Das Wasser ist transparent und sein Fließen ist für uns nicht wahrnehmbar. Aber lassen Sie uns eine „positive Testladung“ in die Düsen einführen – eine Kugel an einer Schnur. Wir werden die Kraft sofort spüren – die Flüssigkeit reißt die Kugel mit sich.

Wasser trägt die Kugel von der Quelle weg – so wie sich Ladungen abstoßen. Der Ball wird von einem Abfluss oder einer Ladung mit einem anderen Vorzeichen angezogen, und die Kraft zwischen den Ladungen hängt vom Abstand zwischen ihnen ab, wie es das Coulombsche Gesetz vorschreibt.

Ströme und Felder in Supraleitern

Um das Verhalten von Strömen und Feldern in Supraleitern zu verstehen, muss man sich das Gesetz der magnetischen Induktion merken. Für unsere Zwecke ist es sinnvoller, es allgemeiner zu formulieren als in einem Schulphysikkurs. Das Gesetz der magnetischen Induktion befasst sich tatsächlich mit der Beziehung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern. Wenn wir uns das elektromagnetische Feld als eine Flüssigkeit vorstellen, dann kann die Beziehung zwischen den elektrischen und magnetischen Komponenten des Feldes als die Beziehung zwischen ruhiger (laminarer) und wirbelnder Flüssigkeitsströmung dargestellt werden. Jeder von ihnen kann für sich allein existieren. Lassen Sie uns zum Beispiel eine ruhige, breite Strömung vor uns haben – ein gleichmäßiges elektrisches Feld. Wenn Sie versuchen, dieses Feld zu ändern, d. h. Wie um die Flüssigkeit zu verlangsamen oder zu beschleunigen, entstehen mit Sicherheit Wirbel – ein Magnetfeld. Eine Änderung eines Magnetfelds führt immer zum Auftreten eines elektrischen Feldes, und ein elektrisches Feld induziert einen Strom in einem leitenden Stromkreis. Dies ist das übliche Phänomen der magnetischen Induktion: Eine Änderung eines Magnetfelds induziert einen Strom. Es ist dieses physikalische Gesetz, das in allen Kraftwerken der Welt funktioniert und auf die eine oder andere Weise Veränderungen im Magnetfeld im Leiter verursacht. Das entstehende elektrische Feld erzeugt einen Strom, der in unsere Häuser und Industrieanlagen fließt.

Doch zurück zu den Supraleitern. Gleichstrom in einem Supraleiter erfordert kein elektrisches Feld, und in einer Gleichgewichtssituation ist das elektrische Feld in einem Supraleiter Null. Ein solches Feld würde Elektronen beschleunigen, aber es gibt keinen Widerstand oder Reibung, die die Beschleunigung in Supraleitern ausgleichen würden. Ein beliebig kleines konstantes elektrisches Feld würde zu einem unendlichen Anstieg des Stroms führen, was unmöglich ist. Das elektrische Feld entsteht nur in nicht supraleitenden Abschnitten des Stromkreises. Strom fließt in Supraleitern ohne Spannungsabfall.

Geistiges Nachdenken bringt nichts zutage, was die Existenz eines Magnetfelds in einem Supraleiter verhindern könnte. Es ist jedoch klar, dass der Supraleiter eine Änderung des Magnetfelds verhindern wird. Tatsächlich würde eine Änderung des Magnetfelds einen Strom erzeugen, der ein Magnetfeld erzeugen würde, das die ursprüngliche Änderung ausgleichen würde.

Daher muss jeder supraleitende Schaltkreis das durch ihn fließende Magnetfeld aufrechterhalten. (Der magnetische Fluss durch eine Schleife ist einfach das Produkt aus der magnetischen Feldstärke und der Fläche der Schleife.)

Das Gleiche sollte bei der Dicke des Supraleiters passieren. Wenn wir beispielsweise einen Magneten in die Nähe einer supraleitenden Probe bringen, kann sein Magnetfeld den Supraleiter nicht durchdringen. Jeder solche „Versuch“ führt zur Entstehung eines Stroms im Supraleiter, dessen Magnetfeld das äußere Feld kompensiert. Dadurch entsteht in der Dicke des Supraleiters kein Magnetfeld und entlang der Oberfläche fließt genau der dafür erforderliche Strom. In der Dicke eines gewöhnlichen Leiters, der in ein Magnetfeld eingeführt wird, geschieht alles genauso, nur dass dort ein Widerstand herrscht und der induzierte Strom ziemlich schnell abklingt und seine Energie durch Reibung in Wärme umgewandelt wird. (Diese Wärme ist experimentell sehr leicht zu erkennen: Bringen Sie Ihre Hand in die Nähe eines funktionierenden Transformators, und Sie werden die von ihm ausgehende Wärme spüren.) In einem Supraleiter gibt es keinen Widerstand, der Strom erlischt nicht und „lässt“ nicht zu das Magnetfeld für eine beliebige Zeitspanne einwirken zu lassen. Das beschriebene Bild ist zutreffend und wurde mehrfach durch Erfahrung bestätigt.

Lassen Sie uns nun ein weiteres mentales Experiment durchführen. Nehmen wir das gleiche Stück supraleitenden Stoffes, allerdings bei ausreichend hoher Temperatur, wenn es sich noch im Normalzustand befindet. Bringen wir es in ein Magnetfeld und warten wir, bis sich alles beruhigt, die Ströme abklingen – der Stoff wird von einem magnetischen Fluss durchdrungen. Wir senken die Temperatur und warten darauf, dass die Substanz in einen supraleitenden Zustand übergeht. Es scheint, dass eine Senkung der Temperatur das Magnetfeldmuster nicht beeinflussen sollte. Der magnetische Fluss in einem Supraleiter sollte sich nicht ändern. Wenn Sie den Magneten – die Quelle des externen Magnetfelds – entfernen, sollte der Supraleiter diesem widerstehen und an der Oberfläche sollten supraleitende Ströme auftreten, die das Magnetfeld im Inneren der Substanz aufrechterhalten.

Dieses Verhalten steht jedoch völlig im Widerspruch zu den experimentellen Beobachtungen: Auch in diesem Fall tritt der Meissner-Effekt auf. Wenn man ein normales Metall in einem Magnetfeld abkühlt, wird beim Übergang in den supraleitenden Zustand das Magnetfeld aus dem Supraleiter verdrängt. Gleichzeitig entsteht auf seiner Oberfläche ein Dauerstrom, der in der Dicke des Supraleiters für ein Nullmagnetfeld sorgt. Das beschriebene Bild des supraleitenden Zustands stellt sich immer ein, unabhängig davon, wie der Übergang in diesen Zustand erfolgt.

Natürlich ist diese Beschreibung extrem idealisiert und wir werden sie im Laufe der Präsentation verkomplizieren. Nun ist es jedoch erwähnenswert, dass es zwei Arten von Supraleitern gibt, die unterschiedlich auf ein Magnetfeld reagieren. Wir begannen über die Eigenschaften von Supraleitern vom Typ I zu sprechen, mit deren Entdeckung die Supraleitung begann. Später wurden Supraleiter vom Typ II mit leicht unterschiedlichen Eigenschaften entdeckt. Sie sind hauptsächlich mit praktischen Anwendungen der Supraleitung verbunden.

Idealer Diamagnetismus

Das Ausstoßen eines Magnetfeldes ist für einen Physiker ebenso überraschend wie das Fehlen eines Widerstands. Tatsache ist, dass ein konstantes Magnetfeld normalerweise überall eindringt. Es wird nicht durch das geerdete Metall, das das elektrische Feld abschirmt, beeinträchtigt. In den meisten Fällen ist die Grenze eines Körpers für ein Magnetfeld keine Wand, die seinen „Fluss“ einschränkt, sondern eher eine kleine Stufe am Boden eines Beckens, die die Tiefe verändert und einen leichten Einfluss auf diesen „Fluss“ hat. Die magnetische Feldstärke in einem Stoff ändert sich um Hundertstel oder Tausendstel Prozent im Vergleich zu seiner Stärke außerhalb (mit Ausnahme magnetischer Stoffe wie Eisen und anderer Ferromagnete, bei denen ein großes inneres Magnetfeld zum äußeren hinzukommt). Bei allen anderen Stoffen ist das Magnetfeld entweder leicht verstärkt – und solche Stoffe nennt man paramagnetisch – oder leicht abgeschwächt – solche Stoffe nennt man diamagnetisch.

In Supraleitern ist das Magnetfeld auf Null abgeschwächt, das sind sie ideale diamagnetische Materialien.

Nur ein Schirm aus kontinuierlich aufrechterhaltenen Strömen kann das Magnetfeld „nicht durchlassen“. Der Supraleiter selbst erzeugt auf seiner Oberfläche einen solchen Schirm und hält ihn beliebig lange aufrecht. Daher ist der Meissner-Effekt oder der ideale Diamagnetismus eines Supraleiters nicht weniger überraschend als seine ideale Leitfähigkeit.

In Abb. Abbildung 9 zeigt grob, was mit einer Metallkugel passiert, wenn sich die Temperatur ändert T und Anlegen eines Magnetfeldes H(Magnetfeldlinien werden durch Pfeile angezeigt, die die Probe durchdringen oder umfließen). Ein Metall im Normalzustand ist blau markiert; geht das Metall in einen supraleitenden Zustand über, ändert sich die Farbe zu Grün. Zum Vergleich in Abb. 9, V zeigt, wie sich ein idealer Leiter (gekennzeichnet mit den Buchstaben IC) verhalten würde – ein Metall ohne Meissner-Effekt mit einem Widerstand von Null (falls vorhanden). Dieser Zustand wird rot angezeigt.

Reis. 9. Meissner-Effekt:

A- Ein normaler Leiter mit einem Widerstand ungleich Null bei jeder Temperatur (1) wird in ein Magnetfeld eingeführt. Gemäß dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion entstehen Ströme, die dem Eindringen des Magnetfelds in das Metall widerstehen (2). Wenn der Widerstand jedoch ungleich Null ist, klingen sie schnell ab. Das Magnetfeld durchdringt eine Probe aus normalem Metall und ist nahezu gleichmäßig (3);

B- vom Normalzustand bei einer Temperatur darüber T c Es gibt zwei Möglichkeiten: Erstens: Wenn die Temperatur sinkt, geht die Probe in einen supraleitenden Zustand über, dann kann ein Magnetfeld angelegt werden, das aus der Probe herausgedrückt wird. Zweitens: Legen Sie zuerst ein Magnetfeld an, das die Probe durchdringt, und senken Sie dann die Temperatur. Anschließend wird das Feld während des Übergangs herausgedrückt. Das Ausschalten des Magnetfeldes ergibt das gleiche Bild;

V- Gäbe es den Meissner-Effekt nicht, würde sich der Leiter ohne Widerstand anders verhalten. Beim Übergang in einen Zustand ohne Widerstand in einem Magnetfeld würde es ein Magnetfeld aufrechterhalten und es auch dann beibehalten, wenn das äußere Magnetfeld entfernt wird. Die Entmagnetisierung eines solchen Magneten wäre nur durch eine Temperaturerhöhung möglich. Dieses Verhalten wurde jedoch experimentell nicht beobachtet.

Eine kleine Geschichte

Im nächsten Kapitel werden wir detaillierter auf die erstaunlichen Eigenschaften von Supraleitern eingehen und möchten dieses Kapitel mit einer Auflistung der wichtigsten Arbeiten abschließen, die von Physikern im Rahmen der Erforschung der Supraleitung durchgeführt wurden.

Dies sind zunächst die bereits erwähnten Entdeckungen von H. Kamerlingh Onnes (1911) und W. Meissner und R. Ochsenfeld (1933). Die erste theoretische Erklärung des Verhaltens eines Supraleiters in einem Magnetfeld wurde in England (1935) von den aus Deutschland ausgewanderten deutschen Physikern F. London und G. London vorgeschlagen. Im Jahr 1950 verfassten L. D. Landau und einer der Autoren dieses Buches eine Arbeit, in der sie eine allgemeinere Theorie der Supraleitung aufstellten. Diese Beschreibung erwies sich als praktisch und wird auch heute noch verwendet; sie wird Ginzburg-Landau-Theorie oder ψ-Theorie der Supraleitung genannt.

Der Mechanismus des Phänomens wurde 1957 von den amerikanischen Physikern J. Bardeen, L. Cooper und J. Schrieffer entdeckt. Aufgrund der Großbuchstaben ihrer Namen wird diese Theorie als BCS-Theorie bezeichnet, und der Mechanismus selbst (das Paarverhalten von Elektronen ist dafür wesentlich) wird oft als „Cooper-Paarung“ bezeichnet, da seine Idee von L. Cooper erfunden wurde. Für die Entwicklung der Supraleitungsphysik spielte die Feststellung der Existenz zweier Arten von Supraleitern – Typ I und Typ II – eine wichtige Rolle. Quecksilber und eine Reihe anderer Supraleiter sind Supraleiter vom Typ I. Supraleiter vom Typ II sind meist Legierungen aus zwei oder mehr Elementen. Die Arbeit von L. V. Shubnikov und seinen Kollegen in Charkow in den 1930er Jahren spielte eine wichtige Rolle bei der Entdeckung der Supraleitung vom Typ II. und A.A. Abrikosov in den 1950er Jahren.

Darüber hinaus hatten Entdeckungen und Forschungen in den 1950er Jahren große Auswirkungen. Verbindungen mit relativ hohen kritischen Temperaturen, die sehr hohen Magnetfeldern standhalten und Ströme hoher Dichte in einem supraleitenden Zustand leiten können. Der Höhepunkt dieser Studien waren vielleicht die Experimente von J. Künzler und seinen Kollegen (1960). Sie zeigten, dass Nb 3 Sn-Draht bei T= 4,2 K in einem Feld von 88.000 Oe (sie hatten einfach kein stärkeres Feld zur Verfügung) lässt einen Strom mit einer Dichte von 100.000 A/cm 2 durch. Damals entdeckte Supraleiter funktionieren noch heute in technischen Geräten. Solche Materialien werden heute als eine spezielle Klasse von Supraleitern klassifiziert, die als „harte Supraleiter“ bezeichnet werden.

Im Jahr 1962 sagte der englische Physiker B. Josephson theoretisch völlig ungewöhnliche Phänomene voraus, die an den Kontakten von Supraleitern auftreten sollten. Diese Vorhersagen wurden dann vollständig bestätigt, und die Phänomene selbst wurden als schwache Supraleitung oder Josephson-Effekte bezeichnet und fanden schnell praktische Anwendung.

Schließlich markierte ein Artikel (1986) der in Zürich tätigen Physiker, des Schweizers A. Müller und des Deutschen G. Bednorz, die Entdeckung einer neuen Klasse supraleitender Substanzen – Hochtemperatur-Supraleiter – und löste eine Lawine neuer Forschungen aus in dieser Gegend.

Die Grade der Kelvin-Skala werden üblicherweise mit dem Großbuchstaben K bezeichnet; sie entsprechen den üblichen Grad Celsius, werden aber vom absoluten Nullpunkt der Temperatur aus gezählt. Auf der Celsius-Skala beträgt die absolute Nulltemperatur -273,16 °C, sodass die erwähnte Temperatur von 4,15 K -269,01 °C entspricht. Im Folgenden versuchen wir, gerundete Werte anzugeben.

Das Bild des Auftretens des elektrischen Widerstands ist natürlich komplexer und wir werden es später genauer betrachten.

Eine Methode der „Destillation“, ähnlich dem Prozess der Wasserdestillation.

Im Jahr 1911 entdeckte der niederländische Wissenschaftler Kamerlingh Onnes bei der Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit von Quecksilber bei sehr niedrigen Temperaturen ein interessantes Phänomen – die Supraleitung. Das Phänomen der Supraleitung besteht darin, dass Quecksilber, Blei, Zink, Aluminium und einige andere Metalle bei tiefer Abkühlung auf eine sehr niedrige Temperatur plötzlich bei 2–8 °K ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber elektrischem Strom vollständig verlieren.

Der elektrische Widerstand nimmt mit abnehmender Temperatur und im Bereich sehr niedriger Temperaturen normalerweise gleichmäßig ab

mit einer gewissen Verzögerung (Abb. 97). Bei einigen Metallen nimmt der Widerstand jedoch bei einer für jedes Metall charakteristischen Temperatur – am „Punkt der Umwandlung in einen Supraleiter“ – plötzlich abrupt um mindestens das Zehnmilliardenfache ab, wahrscheinlich bis er vollständig verschwindet (Abb. 98). Trotz der außergewöhnlichen Empfindlichkeit der verwendeten Messmethoden erweist sich der elektrische Widerstand im supraleitenden Zustand jedenfalls als nicht nachweisbar klein und möglicherweise Null.

Reis. 97. Die übliche Natur der Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur im Niedertemperaturbereich.

Reis. 98. Sprung in das Verschwinden des Widerstands eines Supraleiters.

Wenn ein Strom von Tausenden Ampere pro Quadratzentimeter durch einen dünnen, supraleitenden Leitungsdraht fließt, ist zwischen den Enden des Drahtes kein Spannungsabfall zu bemerken. Es gibt auch keine spürbare Wärmeentwicklung durch den Strom.

Der Wert des Stroms, der einmal in einem geschlossenen supraleitenden Ring angeregt wurde, nimmt zig Stunden lang nicht ab – solange der Zustand der Tiefenkühlung, der die Supraleitung gewährleistet, aufrechterhalten wird.

Der Übergang in den Zustand der Supraleitung geht nicht mit plötzlichen Änderungen anderer Eigenschaften des Metalls einher (mit Ausnahme der magnetischen). Untersuchungen von Keesom und de Haas ergaben, dass der Übergang in den Zustand der Supraleitung nicht mit Veränderungen in der Struktur des Kristallgitters verbunden ist. Es wurde festgestellt, dass im Moment der Supraleitung (in einem nicht magnetisierten Metall) keine Wärmeabgabe oder -aufnahme stattfindet; der Wärmeausdehnungskoeffizient ändert sich nicht; Lediglich die Wärmekapazität (bei niedrigen Temperaturen sehr gering) erfährt einen kleinen Sprung in Richtung Anstieg.

Von Schönberg (1937) durchgeführte Experimente zeigten, dass eine starke Magnetisierung eines Supraleiters seine Supraleitung zerstören kann. Dieser Umstand führt zu einer Begrenzung der zulässigen Stromdichte in einem Supraleiter: Das Magnetfeld eines zu hohen Stroms führt zum Verschwinden der Supraleitung. Allerdings, wenn der Strom abnimmt oder wenn mehr

Bei tiefer Abkühlung wird der Zustand der Supraleitung wieder hergestellt.

Eine Reihe von Studien hat gezeigt, dass in einem völlig reinen Metall im Zustand der Supraleitung der gesamte Strom durch die Oberfläche des Metalls fließt, während das Metall selbst für magnetische und elektrische Felder undurchdringlich wird. Daher stellte sich heraus, dass der Begriff „Supraleitung“ sogar eine geometrische Bedeutung haben kann, nämlich die Bedeutung eines solchen Zustands des Metalls, wenn der Strom „über“ (oder „auf der Oberseite“) des Metalls fließt, ohne einzudringen innen. Natürlich manifestieren sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Metalls nicht in Form eines Widerstands gegen den Strom, der „oben“ auf dem Metall fließt. Aber das erklärt natürlich noch nicht das Wesen des Phänomens.

Subtile Experimente, durchgeführt von korrespondierenden Mitgliedern. Akademie der Wissenschaften der UdSSR A. I. Shalnikov, bewies, dass die Eindringtiefe des Magnetfelds in einen Supraleiter Zehntausendstel Millimeter beträgt. Nachfolgende Experimente von A. I. Shalnikov (1947) entdeckten, dass der Übergang eines Metallstücks zur Supraleitung während der Tiefenkühlung über einen Zwischenzustand erfolgt, wenn (gemäß der Theorie des Akademiemitglieds L. D. Landau) das Metall in dünne supraleitende Schichten getrennt wird. abwechselnd mit Schichten normaler Leitfähigkeit.

Das Phänomen der Supraleitung wurde in 23 Metallen und vielen Legierungen entdeckt. Die Temperaturen, bei denen ein Metall beim Abkühlen plötzlich Supraleitung zeigt – den Punkt der Umwandlung in einen Supraleiter – sind für einige Metalle in der hier enthaltenen Tabelle angegeben.

Punkte der Umwandlung in einen Supraleiter auf der absoluten Temperaturskala

(siehe Scan)

Reis. 99 zeigt, wie der Widerstandsabfall auftritt, wenn ein Metall so weit abgekühlt wird, dass es zum Supraleiter wird.

Metalle, die bei tiefer Abkühlung supraleitend werden, sind bei Raumtemperatur keineswegs die besten Leiter. Im Gegenteil, die besten Leiter sind Kupfer,

Silber und Gold – der Zustand der Supraleitung wurde nicht festgestellt, obwohl sie auf Temperaturen extrem nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wurden,

Alle Metalle, die sich bei tiefer Abkühlung in Supraleiter umwandeln, bilden eine kompakte Gruppe im Periodensystem der Elemente von D. I. Mendelejew, dargestellt in Abb. 100 gerahmt.

Reis. 99. Temperaturschwankung des spezifischen Widerstands von Metallen nahe dem absoluten Nullpunkt (Supraleitung).

Reis. 100. Position supraleitender Elemente im Periodensystem von Mendelejew. Die Zahlen unter den Symbolen der Elemente geben die Übergangstemperaturen in den supraleitenden Zustand an.

Das Phänomen der Supraleitung wird auch bei vielen Legierungen beobachtet. Es ist bemerkenswert, dass supraleitende Legierungen bei niedrigen Temperaturen nicht nur Legierungen supraleitender Metalle sind, sondern auch einige Legierungen mit einem überwiegenden Anteil an Metall, das in seiner reinen Form keine Supraleitung aufweist. Es gibt sogar supraleitende Legierungen und Verbindungen, die ausschließlich aus Elementen bestehen, die nicht zu den Supraleitern gehören. Dabei handelt es sich um Legierungen aus Wismut und Gold, Molybdän und Wolframcarbiden. Ein Halbleiter wird bei 1,6 K zum Supraleiter.

Die höchsten Punkte der Umwandlung in den Zustand der Supraleitung haben: Niob, Niobkarbid, eine Legierung aus Zinn und Niob, und der höchste Punkt ist Niobnitrid

Fast ein halbes Jahrhundert lang blieb das Phänomen der Supraleitung kaum verstanden. Erst 1957 gelang es den amerikanischen Physikern Bardeen, Cooper, Schriefer und in vollständigerer Form dem Akademiker Nikolai Nikolaevich Bogolyubov schließlich, eine zufriedenstellende Theorie der Supraleitung zu entwickeln.

Es stellte sich heraus, dass die Supraleitung in vielerlei Hinsicht auf ähnliche Weise erklärt wird wie das Phänomen der Supraflüssigkeit von Flüssigkeiten. Wie in Band I auf Seite 367 erwähnt, wird bei flüssigem Helium II bei Temperaturen unter 2,18 °C Supraflüssigkeit beobachtet; flüssiges Helium hat aufgrund der Supraflüssigkeit eine ungewöhnlich hohe Wärmeleitfähigkeit (fast eineinhalb Millionen Mal größer als die von Wasser, zweitausend). mal größer als Kupfer bei Raumtemperatur).

In einem seiner Artikel (1958) schreibt N. N. Bogolyubov:

„...Es ergibt sich folgendes Bild der Bewegung einer supraflüssigen Flüssigkeit: Im Gegensatz zur Bewegung einer gewöhnlichen Flüssigkeit oder eines gewöhnlichen Gases, in dem sich einzelne Teilchen zufällig bewegen, weist die Bewegung einer supraflüssigen Flüssigkeit einen hohen Grad an Ordnung auf. Dies liegt daran, dass die Teilchen einer supraflüssigen Flüssigkeit stark miteinander interagieren. Diese Wechselwirkung ist besonders stark für Teilchen mit entgegengesetzt gerichteten Geschwindigkeiten. Die korrekte Berücksichtigung dieser Wechselwirkung stellte eine besondere Schwierigkeit bei der Erstellung der Theorie der Supraflüssigkeit dar. Eine ähnliche Schwierigkeit war mit der Theorie der Supraleitung verbunden ...

Bisher herrschte in der Physik die allgemeine Meinung vor, dass eine tiefe Ähnlichkeit im Verhalten eines Systems aus Heliumatomen und eines Systems aus Elektronen kaum möglich sei. Tatsache ist, dass die statistischen Eigenschaften dieser Teilchen, die das Verhalten der aus ihnen zusammengesetzten Systeme bestimmen, sehr unterschiedlich sind: Heliumkerne gehorchen der Bose-Statistik und Elektronen gehorchen der Fermi-Statistik.

Das allgemeine Bild des Verhaltens von Elektronen im supraleitenden Zustand kann man sich wie folgt vorstellen. Freie Elektronen des Metalls bilden in diesem Zustand ein verbundenes „Kollektiv“, das in seinen Eigenschaften dem ähnelt, was in der Theorie der Superfluidität als Kondensat bezeichnet wird... Die Bewegung eines solchen Kollektivs als Ganzes ist stabil. Bei zusätzlicher Stabilisierung durch die Einwirkung eines Magnetfeldes stößt diese Bewegung (elektrischer Strom im Metall) auf keinen Widerstand.“

N. N. Bogolyubov, der in früheren Jahren die Theorie der Superfluidität von Flüssigkeiten verbesserte, wandte die von ihm entwickelte mathematische Methode an, um die Bedingungen für die Entstehung und Art der Bewegung des erwähnten „Kollektivkondensats“ von Elektronen zu analysieren. N. N. Bogolyubov zeigte, dass die elektrische Abstoßung von Elektronen zwar verhindert, dass sie sich zu einem verbundenen „Kollektiv“ verbinden, dies jedoch in geringerem Maße geschieht, als Bardeen, Cooper und Schriefer glaubten. Amerikanische Physiker, die an der Annahme festhalten, dass Elektronen paarweise gruppiert sind, haben eine Reihe von Formeln für Größen erhalten, die den Zustand der Supraleitung charakterisieren; Die gleichen Formeln, zusammen mit einigen neuen Schlussfolgerungen, liefert die strengere Theorie von N. N. Bogolyubov.

(77 K), eine viel billigere kryogene Flüssigkeit.

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✪ Lektion 296. Temperaturabhängigkeit des Widerstands von Metallen. Supraleitung

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✪ Elektrische Leitfähigkeit verschiedener Stoffe | Physik Klasse 10 #57 | Info-Lektion

Untertitel

Geschichte der Entdeckung

Grundlage für die Entdeckung des Phänomens der Supraleitung war die Entwicklung von Technologien zur Kühlung von Materialien auf extrem niedrige Temperaturen. Im Jahr 1877 kühlten der französische Ingenieur Louis Cayette und der Schweizer Physiker Raoul Pictet unabhängig voneinander Sauerstoff auf einen flüssigen Zustand ab. Im Jahr 1883 führten Zygmunt Wróblewski und Karol Olszewski die Stickstoffverflüssigung durch. Im Jahr 1898 gelang es James Dewar, flüssigen Wasserstoff zu gewinnen.

Im Jahr 1893 begann die niederländische Physikerin Heike Kamerlingh Onnes, das Problem extrem niedriger Temperaturen zu untersuchen. Es gelang ihm, das beste kryogene Labor der Welt zu schaffen, in dem er am 10. Juli 1908 flüssiges Helium gewann. Später gelang es ihm, die Temperatur auf 1 Kelvin zu bringen. Kamerlingh Onnes untersuchte mit flüssigem Helium die Eigenschaften von Metallen, insbesondere um die Abhängigkeit ihres elektrischen Widerstands von der Temperatur zu messen. Nach den damals existierenden klassischen Theorien sollte der Widerstand mit sinkender Temperatur gleichmäßig abnehmen, es gab jedoch auch die Meinung, dass bei zu niedrigen Temperaturen die Elektronen praktisch aufhören würden und das Metall völlig aufhören würde, Strom zu leiten. Experimente, die Kamerlingh Onnes mit seinen Assistenten Cornelis Dorsman und Gilles Holst durchführte, bestätigten zunächst die Schlussfolgerung über einen sanften Widerstandsabfall. Am 8. April 1911 entdeckte er jedoch unerwartet, dass der elektrische Widerstand bei 3 Kelvin (ca. −270 °C) praktisch Null war. Das nächste Experiment, das am 11. Mai durchgeführt wurde, zeigte, dass bei einer Temperatur von etwa 4,2 K ein starker Abfall des Widerstands auf Null auftritt (später ergaben genauere Messungen, dass diese Temperatur 4,15 K beträgt). Dieser Effekt war völlig unerwartet und konnte mit den damals existierenden Theorien nicht erklärt werden.

Der Nullwiderstand ist nicht das einzige Unterscheidungsmerkmal von Supraleitern. Einer der Hauptunterschiede zwischen Supraleitern und idealen Leitern ist der Meissner-Effekt, der 1933 von Walter Meissner und Robert Oxenfeld entdeckt wurde.

Später wurde entdeckt, dass Supraleiter in zwei große Familien unterteilt werden: Supraleiter vom Typ I (zu denen insbesondere Quecksilber gehört) und Supraleiter vom Typ II (normalerweise Legierungen verschiedener Metalle). Die Arbeiten von L. V. Shubnikov in den 1930er Jahren und A. A. Abrikosov in den 1950er Jahren spielten eine bedeutende Rolle bei der Entdeckung der Supraleitung vom Typ II.

Von großer Bedeutung für die praktische Anwendung von Hochleistungselektromagneten war in den 1950er Jahren die Entdeckung von Supraleitern, die starken Magnetfeldern standhalten und hohe Stromdichten übertragen können. So wurde 1960 unter der Leitung von J. Künzler das Material Nb 3 Sn entdeckt, ein Draht, der bei einer Temperatur von 4,2 K einen Strom mit einer Dichte von bis zu 100 kA/cm² leiten kann ein Magnetfeld von 8,8 T.

Im Jahr 2015 wurde ein neuer Rekord für die Temperatur aufgestellt, bei der Supraleitung erreicht wird. Für H 2 S (Schwefelwasserstoff) bei einem Druck von 100 GPa wurde ein supraleitender Übergang bei einer Temperatur von 203 K (-70 °C) aufgezeichnet.

Einstufung

Für die Klassifizierung von Supraleitern gibt es mehrere Kriterien. Hier sind die wichtigsten:

Eigenschaften von Supraleitern

Null elektrischer Widerstand

Bei Gleichstrom ist der elektrische Widerstand eines Supraleiters Null. Dies wurde in einem Experiment demonstriert, bei dem in einem geschlossenen Supraleiter ein elektrischer Strom induziert wurde, der 2,5 Jahre lang ohne Abschwächung darin floss (das Experiment wurde durch einen Streik von Arbeitern unterbrochen, die kryogene Flüssigkeiten lieferten).

Supraleiter im Hochfrequenzfeld

Streng genommen gilt die Aussage, dass der Widerstand von Supraleitern Null ist, nur für elektrischen Gleichstrom. In einem elektrischen Wechselfeld ist der Widerstand eines Supraleiters ungleich Null und steigt mit zunehmender Feldfrequenz. Dieser Effekt wird in der Sprache des Zwei-Fluid-Modells eines Supraleiters durch das Vorhandensein gewöhnlicher Elektronen neben dem supraleitenden Elektronenanteil erklärt, deren Anzahl jedoch gering ist. Wenn man einen Supraleiter in ein konstantes Feld bringt, wird dieses Feld innerhalb des Supraleiters zu Null, da sonst die supraleitenden Elektronen ins Unendliche beschleunigen würden, was unmöglich ist. Bei einem Wechselfeld ist das Feld im Inneren des Supraleiters jedoch ungleich Null und beschleunigt auch normale Elektronen, womit sowohl ein endlicher elektrischer Widerstand als auch Joulesche Wärmeverluste verbunden sind. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt bei solchen Lichtfrequenzen, für die die Quantenenergie gilt h ν (\displaystyle h\nu ) ausreichend, um ein supraleitendes Elektron in die Gruppe der normalen Elektronen zu übertragen. Diese Frequenz liegt normalerweise im Infrarotbereich (ca. 10 11 Hz), daher unterscheiden sich Supraleiter im sichtbaren Bereich praktisch nicht von gewöhnlichen Metallen.

Phasenübergang in den supraleitenden Zustand

Derzeit hat die Phase HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) den höchsten bekannten Wert der kritischen Temperatur – 135 K, und bei einem Außendruck von 350.000 Atmosphären steigt die Übergangstemperatur auf 164 K ist nur 19 K niedriger als die minimale Temperatur, die unter natürlichen Bedingungen auf der Erdoberfläche gemessen wird. So sind Supraleiter in ihrer Entwicklung von metallischem Quecksilber (4,15 K) zu quecksilberhaltigen Hochtemperatursupraleitern (164 K) übergegangen. Im Jahr 2000 wurde gezeigt, dass eine leichte Fluorierung der oben genannten Quecksilberkeramiken es ermöglicht, die kritische Temperatur bei Normaldruck auf 138 K zu erhöhen.

Der Übergang eines Stoffes in den supraleitenden Zustand geht mit einer Änderung seiner thermischen Eigenschaften einher. Diese Änderung hängt jedoch von der Art der jeweiligen Supraleiter ab. Dies gilt für Supraleiter vom Typ I in Abwesenheit eines Magnetfelds bei der Übergangstemperatur T c Die Übergangswärme (Absorption oder Freisetzung) geht auf Null und erleidet daher einen Sprung in der Wärmekapazität, der für einen Phasenübergang vom Typ ΙΙ charakteristisch ist. Diese Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität des elektronischen Subsystems eines Supraleiters weist auf das Vorhandensein einer Energielücke in der Elektronenverteilung zwischen dem Grundzustand des Supraleiters und dem Niveau elementarer Anregungen hin. Wenn der Übergang vom supraleitenden Zustand in den Normalzustand durch Änderung des angelegten Magnetfelds erfolgt, muss Wärme absorbiert werden (wenn die Probe beispielsweise thermisch isoliert ist, sinkt ihre Temperatur). Und dies entspricht einem Phasenübergang 1. Ordnung. Bei Supraleitern vom Typ II ist der Übergang vom supraleitenden in den Normalzustand unter allen Bedingungen ein Phasenübergang vom Typ II.

Meissner-Effekt

Eine noch wichtigere Eigenschaft eines Supraleiters als der elektrische Widerstand Null ist der sogenannte Meissner-Effekt, der in der Verschiebung eines konstanten Magnetfelds von einem Supraleiter besteht. Aus dieser experimentellen Beobachtung lässt sich schließen, dass es im Inneren des Supraleiters anhaltende Ströme gibt, die ein inneres Magnetfeld erzeugen, das dem von außen angelegten Magnetfeld entgegengesetzt ist und dieses kompensiert.

Isotopischer Effekt

Isotopischer Effekt für Supraleiter sind das Temperaturen T s sind umgekehrt proportional zu den Quadratwurzeln der Atommassen der Isotope desselben supraleitenden Elements. Dadurch unterscheiden sich monoisotope Präparate in den kritischen Temperaturen etwas von der natürlichen Mischung und voneinander.

Londoner Moment

Der rotierende Supraleiter erzeugt ein Magnetfeld, das genau auf die Rotationsachse ausgerichtet ist. Das resultierende magnetische Moment wird „London-Moment“ genannt. Es wurde insbesondere im Wissenschaftssatelliten Gravity Probe B eingesetzt, wo die Magnetfelder von vier supraleitenden Gyroskopen gemessen wurden, um deren Rotationsachsen zu bestimmen. Da die Rotoren von Gyroskopen nahezu vollkommen glatte Kugeln waren, war die Verwendung des Londoner Moments eine der wenigen Möglichkeiten, ihre Rotationsachse zu bestimmen.

Londons gravitomagnetischer Moment

Ein rotierender und gleichzeitig beschleunigender, also die Umdrehungsfrequenz erhöhender Ring aus Supraleiter erzeugt ein Gravitationsfeld. Experimente im Zusammenhang mit dem Londoner gravitomagnetischen Moment wurden 2006 von Martin Tajmar vom österreichischen Unternehmen ARC Seibersdorf Research und Clovis de Matos von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) durchgeführt. Experimentatoren haben erstmals ein auf diese Weise künstlich erzeugtes gravitomagnetisches Feld gemessen. Tajmar und de Matos glauben, dass dieser Effekt das Geheimnis des Unterschieds zwischen der zuvor mit hoher Genauigkeit gemessenen Masse von Cooper-Paaren (das sind Elektronen, die in einem Supraleiter für Leitfähigkeit sorgen) und derselben auf dem Papier erhaltenen Masse erklärt – nach Berechnungen der Quantentheorie .

Den experimentell entdeckten Gravitationseffekt nannten die Forscher „Gravitomagnetisches London-Moment“, in Analogie zu einem ähnlichen magnetischen Effekt: der Entstehung eines Magnetfeldes während der Rotation eines Supraleiters, dem sogenannten „London-Moment“.

Das dadurch verursachte Feld war 100 Millionen Mal schwächer als das Schwerefeld der Erde. Und obwohl dieser Effekt von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wurde, erwies sich diese Feldstärke als 20 Größenordnungen stärker als der berechnete Wert.

Theoretische Erklärung des Supraleitungseffekts

Eine völlig zufriedenstellende mikroskopische Theorie der Supraleitung fehlt derzeit.

Bereits in einem relativ frühen Stadium der Erforschung der Supraleitung, zumindest nach der Entstehung der Ginzburg-Landau-Theorie, wurde klar, dass Supraleitung eine Folge der Vereinigung einer makroskopischen Anzahl von Leitungselektronen in einem einzigen quantenmechanischen Zustand ist. Die Besonderheit der in einem solchen Ensemble gebundenen Elektronen besteht darin, dass sie nicht in kleinen Mengen Energie mit dem Gitter austauschen können, die geringer ist als ihre Bindungsenergie im Ensemble. Das heißt, wenn sich Elektronen in einem Kristallgitter bewegen, ändert sich die Energie der Elektronen nicht und die Substanz verhält sich wie ein Supraleiter ohne Widerstand. Die quantenmechanische Analyse zeigt, dass in diesem Fall keine Streuung der Elektronenwellen durch thermische Schwingungen des Gitters oder Verunreinigungen erfolgt. Und das bedeutet, dass kein elektrischer Widerstand vorhanden ist. Eine solche Kombination von Teilchen ist in einem Ensemble von Fermionen unmöglich. Es ist charakteristisch für ein Ensemble identischer Bosonen. Die Tatsache, dass Elektronen in Supraleitern zu Bosonenpaaren kombiniert werden, geht aus Experimenten hervor, bei denen die Größe des magnetischen Flussquantums gemessen wurde, das in hohlen supraleitenden Zylindern „eingefroren“ ist. Daher bestand die Hauptaufgabe bei der Erstellung der Theorie der Supraleitung bereits Mitte des 20. Jahrhunderts in der Entwicklung eines Mechanismus zur Elektronenpaarung. Die erste Theorie, die den Anspruch erhob, eine mikroskopische Erklärung der Ursachen der Supraleitung zu liefern, war die von ihnen in den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts aufgestellte Theorie von Bardeen-Cooper-Schrieffer. Diese Theorie erlangte unter dem Namen BCS weltweite Anerkennung und wurde 1972 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Bei der Erstellung ihrer Theorie stützten sich die Autoren auf den Isotopeneffekt, also den Einfluss der Masse des Isotops auf die kritische Temperatur des Supraleiters. Es wurde angenommen, dass seine Existenz direkt auf die Bildung eines supraleitenden Zustands aufgrund der Wirkung des Phononenmechanismus hinweist.

Die BCS-Theorie ließ einige Fragen unbeantwortet. Auf dieser Grundlage erwies es sich als unmöglich, das Hauptproblem zu lösen – zu erklären, warum bestimmte Supraleiter die eine oder andere kritische Temperatur haben. Darüber hinaus zeigten weitere Experimente mit Isotopensubstitutionen, dass aufgrund der Anharmonizität der Nullpunktschwingungen von Ionen in Metallen ein direkter Einfluss der Ionenmasse auf die interionischen Abstände im Gitter und damit direkt auf die Fermi-Energie von besteht das Metall. Daher wurde klar, dass die Existenz des Isotopeneffekts kein Beweis für den Phononenmechanismus ist, da er der einzig mögliche ist, der für die Paarung von Elektronen und das Auftreten von Supraleitung verantwortlich ist. Die Unzufriedenheit mit der BCS-Theorie führte in späteren Jahren zu Versuchen, andere Modelle zu entwickeln, beispielsweise das Spinfluktuationsmodell und das Bipolaron-Modell. Obwohl sie verschiedene Mechanismen für die Verbindung von Elektronen zu Paaren betrachteten, führten diese Entwicklungen jedoch auch nicht zu Fortschritten beim Verständnis des Phänomens der Supraleitung.

Das Hauptproblem der BCS-Theorie ist die Existenz von , die durch diese Theorie nicht beschrieben werden kann.

Anwendungen der Supraleitung

Bei der Erlangung der Hochtemperatursupraleitung wurden erhebliche Fortschritte erzielt. Basierend auf Metallkeramiken, beispielsweise der Zusammensetzung YBa 2 Cu 3 O x , wurden Stoffe gewonnen, für die die Temperatur gilt T c Der Übergang in den supraleitenden Zustand überschreitet 77 K (Stickstoffverflüssigungstemperatur). Leider sind fast alle Hochtemperatursupraleiter technologisch nicht ausgereift (spröde, haben keine stabilen Eigenschaften etc.), weshalb in der Technik immer noch überwiegend Supraleiter auf Basis von Nioblegierungen eingesetzt werden.

Das Phänomen der Supraleitung wird genutzt, um starke Magnetfelder zu erzeugen (zum Beispiel in Zyklotronen), da es keinen Wärmeverlust gibt, wenn starke Ströme durch einen Supraleiter fließen und starke Magnetfelder erzeugen. Da das Magnetfeld jedoch den Zustand der Supraleitung zerstört, werden zur Erzielung starker Magnetfelder sogenannte sogenannte Magnetfelder eingesetzt. Supraleiter vom Typ II, bei denen die Koexistenz von Supraleitung und einem Magnetfeld möglich ist. In solchen Supraleitern verursacht ein Magnetfeld das Auftreten dünner Filamente aus normalem Metall, die die Probe durchdringen und von denen jedes ein magnetisches Flussquantum trägt (Abrikosov-Wirbel). Die Substanz zwischen den Fäden bleibt supraleitend. Da es in einem Supraleiter vom Typ II keinen vollständigen Meissner-Effekt gibt, besteht Supraleitung bis zu viel höheren Magnetfeldwerten H C 2. In der Technik werden vor allem folgende Supraleiter eingesetzt:

In wichtigen Anwendungen finden supraleitende Miniatur-Ringgeräte – SQUIDS, deren Wirkung auf dem Zusammenhang zwischen Änderungen des magnetischen Flusses und der Spannung beruht. Sie sind Teil hochempfindlicher Magnetometer, die das Erdmagnetfeld messen, und werden auch in der Medizin zur Erstellung von Magnetogrammen verschiedener Organe eingesetzt.

Supraleiter werden auch in Magnetschwebebahnen eingesetzt.

Das Phänomen der Abhängigkeit der Übergangstemperatur in den supraleitenden Zustand von der Stärke des Magnetfeldes wird in Kryotrons genutzt – gesteuerte Widerstände.

siehe auch

Anmerkungen

Die Entdeckung der Supraleitung – ein Kapitel aus dem Buch von J. Trigg „Physik des 20. Jahrhunderts: Schlüsselexperimente“
Dirk van Delft und Peter Kes.

Supraleitung

Supraleitung- die Eigenschaft einiger Materialien zu haben streng genommen Null elektrischen Widerstand, wenn sie eine Temperatur unter einem bestimmten Wert (kritische Temperatur) erreichen. Es sind mehrere Dutzend reine Elemente, Legierungen und Keramiken bekannt, die in einen supraleitenden Zustand übergehen. Supraleitung ist ein Quantenphänomen. Es zeichnet sich außerdem durch den Meissner-Effekt aus, der in der vollständigen Verdrängung des Magnetfelds aus dem Volumen des Supraleiters besteht. Die Existenz dieses Effekts zeigt, dass Supraleitung nicht einfach als beschrieben werden kann perfekte Leitfähigkeit im klassischen Sinne.

Im Jahr 1893 begann die niederländische Physikerin Heike Kamerlingh Onnes, das Problem extrem niedriger Temperaturen zu untersuchen. Es gelang ihm, das beste kryogene Labor der Welt zu schaffen, in dem er am 10. Juli 1908 flüssiges Helium gewann. Später gelang es ihm, die Temperatur auf 1 Kelvin zu bringen. Kamerlingh Onnes untersuchte mit flüssigem Helium die Eigenschaften von Metallen, insbesondere um die Abhängigkeit ihres elektrischen Widerstands von der Temperatur zu messen. Nach den damals existierenden klassischen Theorien sollte der Widerstand mit sinkender Temperatur allmählich sinken, es gab jedoch auch die Meinung, dass die Elektronen bei zu niedrigen Temperaturen praktisch aufhören würden, Strom zu leiten. Experimente, die Kamerlingh Onnes mit seinen Assistenten Cornelis Dorsman und Gilles Holst durchführte, bestätigten zunächst die Schlussfolgerung über einen sanften Widerstandsabfall. Am 8. April 1911 entdeckte er jedoch unerwartet, dass der elektrische Widerstand bei 3 Kelvin (ca. −270 °C) praktisch Null ist. Das nächste Experiment, das am 11. Mai durchgeführt wurde, zeigte, dass bei einer Temperatur von etwa 4,2 K ein starker Widerstandssprung gegen Null auftritt (später ergaben genauere Messungen, dass diese Temperatur 4,15 K beträgt). Dieser Effekt war völlig unerwartet und konnte mit den damals existierenden Theorien nicht erklärt werden.

Von großer Bedeutung für die praktische Anwendung von Hochleistungselektromagneten war in den 1950er Jahren die Entdeckung von Supraleitern, die starken Magnetfeldern standhalten und hohe Stromdichten tragen können. So wurde 1960 unter der Leitung von J. Künzler das Material Nb 3 Sn entdeckt, ein Draht, der bei einer Temperatur von 4,2 K einen Strom mit einer Dichte von bis zu 100 kA/cm² leiten kann ein Magnetfeld von 8,8 T.

Eigenschaften von Supraleitern

Null elektrischer Widerstand

Supraleiter im Hochfrequenzfeld

Streng genommen gilt die Aussage, dass der Widerstand von Supraleitern Null ist, nur für elektrischen Gleichstrom. In einem elektrischen Wechselfeld ist der Widerstand eines Supraleiters ungleich Null und steigt mit zunehmender Feldfrequenz. Dieser Effekt wird in der Sprache des Zwei-Fluid-Modells eines Supraleiters durch das Vorhandensein gewöhnlicher Elektronen neben dem supraleitenden Elektronenanteil erklärt, deren Anzahl jedoch gering ist. Wenn ein Supraleiter in ein konstantes Feld gebracht wird, wird dieses Feld im Inneren des Supraleiters zu Null, da sonst die supraleitenden Elektronen ins Unendliche beschleunigen würden, was unmöglich ist. Bei einem Wechselfeld ist das Feld im Inneren des Supraleiters jedoch ungleich Null und beschleunigt auch normale Elektronen, womit sowohl ein endlicher elektrischer Widerstand als auch Joulesche Wärmeverluste verbunden sind. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei solchen Lichtfrequenzen, bei denen die Quantenenergie ausreicht, um ein supraleitendes Elektron in die Gruppe normaler Elektronen zu übertragen. Diese Frequenz liegt normalerweise im Infrarotbereich (ca. 10 11 Hz), daher unterscheiden sich Supraleiter im sichtbaren Bereich praktisch nicht von gewöhnlichen Metallen.

Phasenübergang in den supraleitenden Zustand

Die Art der Änderung der Wärmekapazität (c v, blaue Grafik) und des spezifischen Widerstands (ρ, grün) während des Phasenübergangs in den supraleitenden Zustand

Der Temperaturbereich des Übergangs in den supraleitenden Zustand für reine Proben überschreitet nicht Tausendstel Kelvin und daher ist ein bestimmter Wert sinnvoll T s- Übergangstemperatur in den supraleitenden Zustand. Diese Menge heißt kritische Übergangstemperatur. Die Breite des Übergangsintervalls hängt von der Heterogenität des Metalls ab, hauptsächlich vom Vorhandensein von Verunreinigungen und inneren Spannungen. Aktuelle bekannte Temperaturen T s variieren von 0,0005 K für Magnesium (Mg) bis 23,2 K für die intermetallische Verbindung von Niob und Germanium (Nb 3 Ge, im Film) und 39 K für Magnesiumdiborid (2) für Niedertemperatursupraleiter ( T s(unter 77 K, dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff), bis etwa 135 K für quecksilberhaltige Hochtemperatursupraleiter. Derzeit hat die Phase HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) den höchsten bekannten Wert der kritischen Temperatur – 135 K, und bei einem Außendruck von 350.000 Atmosphären steigt die Übergangstemperatur auf 164 K ist nur 19 K niedriger als die minimale Temperatur, die unter natürlichen Bedingungen auf der Erdoberfläche gemessen wird. So sind Supraleiter in ihrer Entwicklung von metallischem Quecksilber (4,15 K) zu quecksilberhaltigen Hochtemperatursupraleitern (164 K) übergegangen.

Der Übergang eines Stoffes in den supraleitenden Zustand geht mit einer Änderung seiner thermischen Eigenschaften einher. Diese Änderung hängt jedoch von der Art der jeweiligen Supraleiter ab. Dies gilt für Supraleiter vom Typ I in Abwesenheit eines Magnetfelds bei der Übergangstemperatur T c Die Übergangswärme (Absorption oder Freisetzung) wird Null und erfährt daher einen Sprung in der Wärmekapazität, der für einen Phasenübergang vom Typ ΙΙ charakteristisch ist. Diese Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität des elektronischen Subsystems eines Supraleiters weist auf das Vorhandensein einer Energielücke in der Elektronenverteilung zwischen dem Grundzustand des Supraleiters und dem Niveau elementarer Anregungen hin. Wenn der Übergang vom supraleitenden Zustand in den Normalzustand durch Änderung des angelegten Magnetfelds erfolgt, muss Wärme absorbiert werden (wenn die Probe beispielsweise thermisch isoliert ist, sinkt ihre Temperatur). Und dies entspricht einem Phasenübergang 1. Ordnung. Bei Supraleitern vom Typ II ist der Übergang vom supraleitenden in den Normalzustand unter allen Bedingungen ein Phasenübergang vom Typ II.

Meissner-Effekt

Eine noch wichtigere Eigenschaft eines Supraleiters als der elektrische Widerstand Null ist der sogenannte Meissner-Effekt, der darin besteht, dass der Supraleiter einen magnetischen Fluss verdrängt. Aus dieser experimentellen Beobachtung lässt sich schließen, dass im Inneren des Supraleiters kontinuierliche Ströme herrschen, die ein inneres Magnetfeld erzeugen, das dem von außen angelegten Magnetfeld entgegengesetzt ist und dieses kompensiert.

Isotopischer Effekt

Isotopischer Effekt für Supraleiter sind das Temperaturen T s sind umgekehrt proportional zu den Quadratwurzeln der Atommassen der Isotope desselben supraleitenden Elements.

Londoner Moment

Der rotierende Supraleiter erzeugt ein Magnetfeld, das genau auf die Rotationsachse ausgerichtet ist. Das resultierende magnetische Moment wird als „London-Moment“ bezeichnet. Es wurde insbesondere im Wissenschaftssatelliten „Gravity Probe B“ eingesetzt, wo die Magnetfelder von vier supraleitenden Gyroskopen gemessen wurden, um deren Rotationsachsen zu bestimmen. Da die Rotoren von Gyroskopen nahezu vollkommen glatte Kugeln waren, war die Verwendung des Londoner Moments eine der wenigen Möglichkeiten, ihre Rotationsachse zu bestimmen.

Theoretische Erklärung des Supraleitungseffekts

Bereits in einem relativ frühen Stadium der Erforschung der Supraleitung, zumindest nach der Entstehung der Ginzburg-Landau-Theorie, wurde klar, dass Supraleitung eine Folge der Vereinigung einer makroskopischen Anzahl von Leitungselektronen in einem einzigen quantenmechanischen Zustand ist. Die Besonderheit der in einem solchen Ensemble gebundenen Elektronen besteht darin, dass sie nicht in kleinen Mengen Energie mit dem Gitter austauschen können, die geringer ist als ihre Bindungsenergie im Ensemble. Das heißt, wenn sich Elektronen in einem Kristallgitter bewegen, ändert sich die Energie der Elektronen nicht und die Substanz verhält sich wie ein Supraleiter ohne Widerstand. Die quantenmechanische Analyse zeigt, dass in diesem Fall keine Streuung der Elektronenwellen durch thermische Schwingungen des Gitters oder Verunreinigungen erfolgt. Und das bedeutet, dass kein elektrischer Widerstand vorhanden ist. Eine solche Kombination von Teilchen ist in einem Ensemble von Fermionen unmöglich. Es ist charakteristisch für ein Ensemble identischer Bosonen. Die Tatsache, dass Elektronen in Supraleitern zu Bosonenpaaren kombiniert werden, geht aus Experimenten hervor, bei denen die Größe des magnetischen Flussquantums gemessen wurde, das in hohlen supraleitenden Zylindern „eingefroren“ ist. Daher bestand die Hauptaufgabe bei der Erstellung der Theorie der Supraleitung bereits Mitte des letzten Jahrhunderts in der Entwicklung eines Mechanismus zur Elektronenpaarung. Die erste Theorie, die den Anspruch erhob, eine mikroskopische Erklärung der Ursachen der Supraleitung zu liefern, war die von ihnen in den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts entwickelte Bardeen-Cooper-Schrieffer-Theorie. Diese Theorie erlangte unter dem Namen BCS weltweite Anerkennung und wurde 1972 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Bei der Erstellung ihrer Theorie stützten sich die Autoren auf den Isotopeneffekt, also den Einfluss der Masse des Isotops auf die kritische Temperatur des Supraleiters. Es wurde angenommen, dass seine Existenz direkt auf die Bildung eines supraleitenden Zustands aufgrund der Wirkung des Phononenmechanismus hinweist.

Vergleich berechneter Werte kritischer Temperaturen von Supraleitern mit Messdaten.

Nach einer der neuesten Theorien von B.V. Vasiliev ist die Elektronenpaarung eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung für die Existenz eines supraleitenden Zustands. Darüber hinaus ist es nicht so wichtig, welcher spezifische Mechanismus zu einer solchen Paarung führt. Es ist wichtig, dass ein solcher Mechanismus existiert und über den gesamten Temperaturbereich funktioniert, in dem der supraleitende Zustand vorliegt.

Der Grund dafür lässt sich wie folgt erklären: Durch die Paarung erzeugen Elektronen Bosonen, die nicht zu einem einzigen identischen Ensemble zusammengefasst werden. Sie zeichnen sich durch unkorrelierte Nullschwingungen aus. Damit Bosonen in einen identischen Zustand übergehen, ist es notwendig, ihre Nullpunktschwingungen zu ordnen. Aus diesem Grund erweisen sich die Parameter, die den Ordnungsmechanismus der Nullpunktschwingungen in einem Elektronengas charakterisieren, als entscheidend für die Eigenschaften von Supraleitern.

Anwendungen der Supraleitung

Das Phänomen der Supraleitung wird genutzt, um starke Magnetfelder zu erzeugen, da es keinen Wärmeverlust gibt, wenn starke Ströme durch einen Supraleiter fließen und so starke Magnetfelder erzeugen. Da das Magnetfeld jedoch den Zustand der Supraleitung zerstört, werden zur Erzielung starker Magnetfelder sogenannte sogenannte Magnetfelder eingesetzt. Supraleiter vom Typ II, bei denen die Koexistenz von Supraleitung und einem Magnetfeld möglich ist. In solchen Supraleitern verursacht ein Magnetfeld die Entstehung dünner Fäden aus normalem Metall, die die Probe durchdringen und von denen jeder ein magnetisches Flussquantum trägt. Die Substanz zwischen den Fäden bleibt supraleitend. Da es in einem Supraleiter vom Typ II keinen vollständigen Meissner-Effekt gibt, besteht Supraleitung bis zu viel höheren Magnetfeldwerten H C 2. In der Technik werden vor allem folgende Supraleiter eingesetzt:

siehe auch

Supraleitung und Nullpunktsschwingungen

Anmerkungen

Dirk van Delft und Peter Kes Die Entdeckung der Supraleitung (Englisch) // Physik heute. - 2010. - Bd. 63. - S. 38-43.
Alexey Levin Die Supraleitung feiert ihr 100-jähriges Jubiläum. Elements.ru (8. April 2011). Archiviert vom Original am 23. August 2011. Abgerufen am 8. April 2011.
V. L. Ginzburg, E. A. Andryushin Kapitel 1. Entdeckung der Supraleitung // Supraleitung. - 2. Auflage, überarbeitet und erweitert. - Alpha-M, 2006. - 112 S. - 3000 Exemplare. - ISBN 5-98281-088-6

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