Se analizează o scurtă trecere în revistă a teoriilor supraconductivității și a problemelor supraconductivității la temperatură înaltă. Supraconductivitate - Cunoștințe de fizică și nu numai - LJ Care este manifestarea fenomenului de supraconductivitate

Miracolul supraconductivității(autor Valery Staroshchuk)

Puțină teorie

Deja primele experimente cu electricitatea au arătat că argintul, cuprul și aluminiul conduc bine curentul electric, în timp ce porțelanul, sticla, cauciucul și mătasea practic nu îl conduc. În consecință, oamenii au început să facă conductori din primele materiale, iar din al doilea - izolație pentru fire și protecție împotriva șocurilor electrice. În fotografie vedeți un cablu modern de rețea cu două fire. Fiecare miez constă din șapte fire de cupru închise în izolație din plastic. Avand in vedere ca firul functioneaza la o tensiune periculoasa de 220V, cele doua fire izolate sunt acoperite cu un alt strat comun de izolatie din plastic.

Când un curent electric trece printr-un conductor, acesta se încălzește. Această proprietate este utilizată în dispozitivele de încălzire, cum ar fi fierele de călcat, ibricurile, bateriile electrice și, de asemenea, în lămpile cu incandescență. În fotografie vezi un filament de wolfram care a devenit atât de fierbinte sub influența curentului încât a început să emită lumină.

Acum lămpile fluorescente economisitoare de energie sunt din ce în ce mai folosite, dar au și un mic filament pentru emiterea de electroni.

Dacă curentul trece printr-un conductor, nu numai că se încălzește, dar creează și un câmp magnetic în jurul său. Această proprietate a fost observată și descrisă pentru prima dată în 1820 de omul de știință danez Hans Christian Oersted. În fotografie vezi cum, sub influența unui câmp magnetic, pilitura de fier se aliniază în jurul unui conductor de cupru care transportă curent.

Câmpul magnetic al curentului este utilizat în funcționarea unui motor electric, generator și electromagnet.

Deci, dacă un curent trece printr-un conductor, atunci energia sursei de curent este convertită în energie de câmp termic și electromagnetic. Uneori este necesar și util, iar uneori este pur și simplu dăunător. De exemplu, de ce avem nevoie de încălzire și de câmpul magnetic al firului cu care am conectat fierul de călcat la priză? Se încălzesc și firele prin care curentul electric de la centrală ajunge la casele noastre. Pentru a reduce aceste pierderi de energie, ei încearcă să facă rezistența conductorului cât mai mică posibil.

Deoarece rezistența electrică a unei probe depinde în mare măsură de materialul din care este fabricată, de temperatură și de dimensiunile geometrice, am decis să măsurăm rezistivitate, adică rezistența unei probe din acest material de 1 m lungime, cu o suprafață a secțiunii transversale de 1 mm 2 la 20 0 C. De exemplu, rezistivitatea cuprului este r = 0,0125 Ohm mm 2 /m. Aceasta înseamnă că, dacă luați un conductor de cupru (Cu) de 1 m lungime și cu o suprafață a secțiunii transversale de 1 mm 2, atunci rezistența acestuia la curentul electric va fi de 0,0125 Ohm. Rezistența face posibilă aflarea cât de mult curent va trece prin conductor pentru o anumită tensiune. De exemplu, dacă tensiunea de la capetele eșantionului nostru este de 0,1 V, atunci un curent I = U/R = 0,1/0,0125 = 8A va curge prin el. Pentru claritate, să ne imaginăm electroni sub forma unor bărbați albaștri.

Apoi, cu un curent de 8A, într-o secundă vor da peste conductorul 5·10 19 (50 de miliarde de miliarde!). Este de aproape 70 de miliarde de ori mai mult decât există oameni pe planeta Pământ. Vă rugăm să rețineți că același număr de ei se va epuiza din conductor într-o secundă. Am convenit că direcția curentului este determinată de mișcarea particulelor încărcate pozitiv. Dar în metale, electronii negativi conduc curentul, astfel încât direcția curentului este afișată opus vitezei electronilor. Conductorul conține ioni de cupru pozitivi, cu care electronii noștri umani se joacă apucând cu mâinile. La urma urmei, există forțe atractive între electronii negativi și ionii pozitivi. Omul de electroni nu va putea lua ionul cu el, deoarece ionii sunt mult mai grei decât electronii și sunt strâns legați împreună de forțele din rețeaua cristalină. Dar „oamenii noștri” vor putea pompa ionii. În acest caz, electronii își pierd viteza și, prin urmare, energia de mișcare, iar conductorul se încălzește în consecință.

Istoria descoperirii

Omul de știință olandez Heike Kammerlingh Onnes (foto dreapta) a decis să fie primul din lume care a ajuns la zero absolut pe scara Kelvin (aproximativ minus 273 de grade Celsius) în experimentele sale. După cum știți, nu există o temperatură mai scăzută în natură. Omul de știință în vârstă de patruzeci de ani, folosindu-și legăturile cu industriașii olandezi, în 1893 a început construcția la Universitatea Leiden a unuia dintre cele mai bune laboratoare din lume, pe care l-a echipat cu cele mai moderne echipamente. Primul succes a venit pe 10 iulie 1908, când a fost posibil să se obțină heliu lichid la 5K (adică minus 268 de grade Celsius!). După 2 ani de muncă grea ajung la o temperatură de 1K! Și atunci omul de știință își dă seama că aceasta este limita care poate fi atinsă cu acest echipament, așa că se ia decizia de a schimba direcția muncii științifice. Acum toate eforturile au fost îndreptate spre studierea proprietăților fizice ale diferitelor materiale la temperaturi scăzute. Desigur, unul dintre punctele programului a inclus măsurarea rezistivității electrice a materialului. Mulți oameni de știință din acea vreme au sugerat că la temperaturi foarte scăzute metalele ar trebui să devină dielectrice. Se presupune că electronii liberi își vor încetini mișcarea atât de mult încât se vor „lipi” de ioni și nu vor putea transfera electricitate. Dar fizica este o știință, în primul rând experimentală! Experimentele lui Heike Kamerlingh Onnes au arătat că rezistența platinei nu crește odată cu scăderea temperaturii, ci scade, iar după 4K rămâne constantă. Omul de știință a presupus că rezistența ar trebui să tinde spre zero, deoarece ionii își opresc mișcarea oscilativă și „nu interferează” cu mișcarea electronilor liberi. Dându-și seama că platina conține mici impurități, a decis să testeze mercurul, cel mai rafinat metal pe care îl avea.

Pe 8 aprilie 1911, grupul lui Heike Kamerlingh Onnes, cu asistenții Cornelis Dorsman și Gilles Holst, a testat funcționarea unui nou criostat (un dispozitiv pentru menținerea temperaturilor scăzute într-un volum dat). La început s-au gândit doar să-l umple cu heliu lichid, dar apoi au instalat un termometru cu gaz și două mostre de aur și mercur pentru a le măsura rezistivitatea. După ce am măsurat rezistența metalelor la 4,3 K, am decis să reducem presiunea din criostat peste heliu. Heliul a început să se evapore rapid și temperatura a scăzut la 3K. Experimentul durase deja 9 ore! La măsurători repetate, rezistența mercurului s-a dovedit a fi zero! Așa s-a descoperit supraconductivitatea!

În fotografie vezi înregistrarea istorică a omului de știință făcută în acea zi. Înrămat Fraza olandeză luată Kwik nagenoeg nul— „Rezistența mercurului este aproape zero” (3 K). Următoarea ofertă Herhaald sa întâlnit cu goudînseamnă „Repetat cu aur”.

Temperatura critică pentru trecerea mercurului la starea supraconductoare nu a fost determinată în acea zi și o astfel de sarcină nu a fost stabilită. S-a aflat în următorul experiment, desfășurat pe 11 mai. Kamerlingh Onnes a ajuns apoi la concluzia că mercurul devine un supraconductor atunci când este răcit la 4,2 K.

Ulterior, descoperirile au venit una după alta. În 1912, s-au descoperit încă doi supraconductori - plumb și staniu. În 1914 au realizat că un câmp magnetic puternic distruge supraconductivitatea. În același an, a fost efectuat un experiment spectaculos cu un inel de plumb supraconductor. Un curent a fost indus pentru scurt timp în el, iar apoi circulația lui a fost observată timp de câteva ore fără cea mai mică atenuare. Inelul în sine devine un magnet.

În 1919, din Leiden au venit vești că taliul și uraniul devin și ele supraconductori.

Supraconductivitatea explicată

Este imposibil de explicat fenomenul de supraconductivitate din punctul de vedere al electrodinamicii clasice. Abia odată cu dezvoltarea fizicii cuantice în 1957 (la 46 de ani de la descoperire!), trei fizicieni americani - Bardeen, Cooper și Schrieffer - au explicat supraconductivitatea prin împerecherea electronilor, adică formarea perechilor Cooper, care se realizează datorită schimbul de vibrații al unei celule cristaline - fononi.

Pentru a înțelege cum se formează perechile Cooper, luați în considerare un model foarte simplificat al fluxului de curent într-un supraconductor.

Cercurile roșii indică ionii pozitivi ai rețelei cristaline.

Când electronul A se mișcă prin spațiul rețelei sub influența unui câmp electric, îl îndoaie ușor. Ca urmare, concentrația de ioni pozitivi din spatele acestuia crește. Un grup de ioni pozitivi atrage electronul negativ B cu o forță F. Drept urmare, energia pe care electronul A a cheltuit trecând prin rețeaua cristalină ionică este transferată prin vibrațiile rețelei la electronul B. Se dovedește că electronii A și B sunt conectați la unul pe altul prin rețeaua ionică, formează o pereche și împreună nu irosesc energie atunci când se mișcă. Rezistența curentului în acest caz este zero.

Aplicații ale supraconductorilor

Știința modernă a obținut deja materiale care prezintă supraconductivitate la 165K (minus 107 0 C). Dacă se obțin materiale supraconductoare la temperatura camerei, acesta va fi un salt uriaș în dezvoltarea omenirii. La urma urmei, cheltuim o treime din energie electrică în timpul transmiterii acesteia de la sursă la consumator. Între timp, supraconductorii trebuie să fie răciți cu azot lichid.

Pe de altă parte, fără ele, este deja dificil de imaginat lucrul Marelui Colizător de Hadroni de la CERN și construcția reactorului termonuclear ITER de la Cadarache.

Supraconductivitatea este caracterizată și de efectul Meissner, care constă în deplasarea completă a câmpului magnetic din volumul supraconductorului. Drept urmare, proba, așa cum se vede în fotografie, plutește deasupra magnetului.

Pe baza acestui fenomen, au fost deja create trenuri cu levitație magnetică care pot accelera până la viteze de 500 km/h.

Magneții puternici supraconductori sunt folosiți în medicină pentru a crea tomografe folosind principiul rezonanței magnetice nucleare (RMN). Scanarea țesutului uman permite medicilor să vadă o secțiune transversală a interiorului pe ecranul unui computer fără a opera pacientul. Această metodă vă permite să faceți rapid un diagnostic corect, ceea ce înseamnă că puteți vindeca pacientul mai repede.

Teoria cuantică modernă a supraconductivității nu limitează în mod fundamental temperatura la care se observă acest efect. Deci, este o chestiune de a crea noi materiale și compuși, pe care le puteți descoperi în viitorul apropiat.

În 1911, fizicianul olandez H. Kamerlingh-Onnes a descoperit fenomenul de supraconductivitate. El a măsurat rezistența electrică a mercurului la temperaturi scăzute. Onnes a vrut să afle cât de scăzută ar putea deveni rezistența unei substanțe la curentul electric dacă substanța ar fi purificată cât mai mult posibil de impurități și „zgomotul termic” ar fi redus cât mai mult posibil, adică. reduce temperatura.

Rezultatul acestui studiu a fost neașteptat: la temperaturi sub 4,15 K, rezistența a dispărut aproape instantaneu. Un grafic al acestui comportament de rezistență în funcție de temperatură este prezentat în Fig. 1.

Curentul electric este mișcarea particulelor încărcate. Deja în acel moment se știa că curentul electric din solide este un flux de electroni. Sunt încărcați negativ și sunt mult mai ușori decât atomii care alcătuiesc orice substanță.

Fiecare atom, la rândul său, constă dintr-un nucleu încărcat pozitiv și electroni care interacționează cu el și între ei, conform legii lui Coulomb. Fiecare electron atomic ocupă o „orbită” specifică. Cu cât „orbita” este mai aproape de nucleu, cu atât electronul este mai puternic atras de acesta, cu atât este necesară mai multă energie pentru a rupe un astfel de electron din nucleu. Dimpotrivă, electronii cei mai îndepărtați din nucleu sunt cel mai ușor detașați de acesta, deși acest lucru necesită și energie.

Electronii exteriori sunt numiți electroni de valență. În substanțele numite metale, ele se desprind de atomi atunci când se combină pentru a forma un solid și formează un gaz de electroni aproape liberi. Aceasta este o imagine fizică simplă, frumoasă și adesea corectă: o bucată de materie este ca un vas în care există un „gaz” de electroni (Fig. 2).

Dacă creăm un câmp electric - aplicăm o tensiune piesei de substanță studiată, în gazul de electroni va apărea un vânt, ca sub influența unei diferențe de presiune. Acest vânt este un curent electric.

Metalele

Nu toate substanțele conduc bine electricitatea. În dielectrici, electronii de valență rămân „legați” de atomii lor și nu este atât de ușor să-i faci să se miște prin întreaga probă.

Este destul de dificil de explicat de ce unele substanțe se dovedesc a fi metale, în timp ce altele sunt dielectrice. Depinde din ce atomi sunt formați și cum sunt aranjați acești atomi. Uneori sunt posibile transformări atunci când aranjarea atomilor se modifică, de exemplu, sub influența presiunii atomii se apropie și dielectricul devine un metal.

Niciun curent nu trece prin dielectrici, dar nici electronii nu se mișcă complet liber în metale. Ei întâlnesc „nucleele” atomice din care „s-au desprins” și sunt împrăștiați pe ele. În acest caz, apare frecarea sau, după cum se spune, curentul electric întâmpină rezistență.

Cu supraconductivitate, rezistența dispare și devine egală cu zero, adică. mișcarea electronilor are loc fără frecare. Între timp, experiența vieții noastre de zi cu zi arată, s-ar părea, că o astfel de mișcare este imposibilă.

Activitatea fizicienilor timp de decenii a avut ca scop rezolvarea acestei contradicții.

Proprietatea descoperită este atât de neobișnuită încât metalele care au rezistență, spre deosebire de supraconductori, sunt numite normal.

Rezistenţă

Rezistența electrică a unei bucăți de metal (de exemplu, sârmă) este măsurată în ohmi și este determinată de dimensiunea și materialul probei. În formulă

R = ρ × l / S

R- rezistenta, l— lungimea (dimensiunea eșantionului în direcția în care curge curentul); S— secțiunea transversală a probei. După ce am scris o astfel de formulă, se pare că continuăm să comparăm electronii cu gazul: cu cât conducta este mai lată și mai scurtă, cu atât este mai ușor să suflați gaz prin ea.

Valoarea ρ — rezistivitate, care caracterizează proprietățile materialului din care este realizată proba.

Pentru cuprul pur la temperatura camerei ρ = 1,75·10 -6 Ohm cm.

Cuprul este unul dintre cele mai conductoare metale și este utilizat pe scară largă pentru a face fire electrice. Unele alte metale conduc electricitatea mai puțin bine la temperatura camerei:

Pentru comparație, prezentăm rezistivitățile unor dielectrici, tot la temperatura camerei:

Când temperatura scade T Rezistivitatea cuprului scade treptat și la o temperatură de câțiva kelvin este de 10 -9 Ohm cm, dar cuprul nu devine supraconductor. Iar aluminiul, plumbul, mercurul intră într-o stare supraconductivă, iar experimentele efectuate cu ele arată că rezistivitatea unui supraconductor în orice caz nu depășește 10 -23 Ohm cm - de o sută de trilioane de ori mai puțin decât cea a cuprului!

Rezistenta reziduala

Rezistivitatea unui metal depinde de temperatură. Graficul condiționat ρ( T), să spunem, pentru cupru, vedeți în Fig. 3. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât rezistența este mai mare, cu atât „miezurile” atomice care alcătuiesc metalul vibrează mai mult și cu atât interferența pe care o produc curentului electric este mai mare. Dacă, dimpotrivă, aducem temperatura mai aproape de zero absolut, rezistența probei va „tinde” la ρ 0 - rezistența reziduală. Rezistența reziduală depinde de perfecțiunea și compoziția probei. În orice substanță există atomi de impurități străine, precum și tot felul de alte defecte. Cu cât sunt mai puține defecte în probă, cu atât rezistența reziduală este mai mică. Această dependență l-a interesat pe Onnes în 1911. Nu căuta deloc „superconductivitate”, ci încerca să afle cât de mică ar putea fi făcută rezistența reziduală prin purificarea probei. El a efectuat experimente cu mercurul pentru că la acea vreme mercurul putea fi adus la un grad de puritate mai mare decât platina, aurul sau cuprul (aceste metale sunt conductoare mai bune decât mercurul, iar Onnes le-a studiat înainte de descoperirea supraconductivității. Nici aurul, nici platina, nici cuprul este „superconductor”).

Temperatura critica

Supraconductivitatea apare brusc pe măsură ce temperatura scade. Temperatura T c, la atingerea căruia are loc un salt, se numește critic. Un studiu atent arată că o astfel de tranziție se observă într-un anumit interval de temperatură (Fig. 4). Frecarea electronilor în mișcare dispare indiferent de „puritatea” eșantionului, dar cu cât eșantionul este mai „pur”, cu atât lățimea sa în cele mai „curate” este mai mică de o sutime de grad; În acest caz, se vorbește de eșantioane „bune” sau de supraconductori; în probele „proaste”, lățimea de tranziție poate atinge zeci de grade. (Acest lucru, desigur, se aplică așa-numitelor supraconductori de temperatură înaltă, în care T c atinge sute de kelvin.)

Temperatura critică este diferită pentru fiecare substanță. Această temperatură și anul descoperirii supraconductivității (mai precis, anul publicării articolului despre aceasta) sunt indicate în Fig. 5 pentru câteva elemente pure. Niobiul are cea mai mare temperatură critică (la presiunea atmosferică) dintre toate elementele din Tabelul Periodic al lui Mendeleev, deși nu depășește 10 K.

Onnes nu numai că a descoperit supraconductivitatea mercurului, staniului și plumbului, dar a găsit și primele aliaje supraconductoare - aliaje de mercur cu aur și staniu. De atunci, această muncă a continuat, din ce în ce mai mulți compuși noi au fost testați pentru supraconductivitate, iar clasa de supraconductori s-a extins treptat.

Temperaturi scazute

Cercetările în supraconductivitate au progresat foarte lent. Pentru a observa fenomenul, a fost necesar să se răcească metalele la temperaturi scăzute, iar acest lucru nu este atât de ușor. Proba trebuie răcită în mod constant, pentru care este introdusă într-un lichid de răcire. Toate lichidele cunoscute nouă din experiența de zi cu zi îngheață și se întăresc la temperaturi scăzute. Prin urmare, este necesar să se lichefieze substanțele care sunt gaze în condiții de cameră. În fig. Sunt indicate 6 temperaturi de fierbere T b și topirea T m cinci substanţe (la presiunea atmosferică).

Dacă scădeți temperatura mai jos T b, substanța se lichefiază și mai jos T m se intareste. (Heliul la presiunea atmosferică rămâne lichid până la temperaturile zero absolut.) Deci, în scopurile noastre, oricare dintre aceste substanțe poate fi utilizată între T grup T m. Până în 1986, temperatura critică maximă cunoscută a supraconductivității abia depășea 20 K, așa că atunci când se studia supraconductivitatea era imposibil să se facă fără heliu lichid. Azotul este, de asemenea, utilizat pe scară largă ca lichid de răcire. Azotul și heliul sunt folosite în etape succesive de răcire. Ambele substanțe sunt neutre și sigure.

Lichefierea heliului este în sine o problemă foarte interesantă și fascinantă, în soluția căreia s-au angajat mulți fizicieni la începutul secolelor XIX și XX. Onnes și-a atins scopul în 1908. Mai ales pentru asta, a creat un laborator la Leiden (Olanda). Timp de 15 ani, laboratorul a avut monopolul cercetării unice într-un nou interval de temperatură. În 1923-1925. Ei au învățat să producă heliu lichid în încă două laboratoare din lume - în Toronto și Berlin. În Uniunea Sovietică, astfel de echipamente au apărut la începutul anilor 1930. la Institutul de Fizică și Tehnologie Harkov.

După al Doilea Război Mondial, o întreagă industrie s-a dezvoltat treptat în multe țări pentru a furniza laboratoare cu heliu lichid. Înainte de aceasta, totul era „self-service”. Dificultățile tehnice și complexitatea fizică a fenomenului au făcut ca cunoștințele despre supraconductivitate să se acumuleze foarte lent. La doar 22 de ani de la prima descoperire, a fost descoperită a doua proprietate fundamentală a supraconductorilor.

efectul Meissner

Observația sa a fost raportată de fizicienii germani W. Meissner și R. Ochsenfeld în 1933.

Până acum am numit dispariția rezistenței electrice supraconductivitate. Cu toate acestea, supraconductivitatea este mai complexă decât simpla absență a rezistenței. Aceasta este, de asemenea, o anumită reacție la un câmp magnetic extern. Efectul Meissner este atunci când un câmp magnetic constant, nu prea puternic, este împins dintr-o probă supraconductoare. În grosimea supraconductorului, câmpul magnetic este slăbit la zero, iar magnetismul poate fi numit proprietăți opuse.

Când se caută supraconductori noi, sunt testate ambele proprietăți principale ale supraconductivității:

într-un supraconductor, rezistența electrică dispare;
Un câmp magnetic este împins în afara supraconductorului.

În unele cazuri, în supraconductorii „murdari”, scăderea rezistenței cu temperatura poate fi mult mai extinsă decât se arată în Fig. 1 pentru mercur. În istoria cercetării, s-a întâmplat în mod repetat ca fizicienii să confunde cu supraconductivitate o scădere a rezistenței din alt motiv, de exemplu din cauza unui scurtcircuit obișnuit.

Pentru a demonstra existența supraconductivității, este necesar să se observe manifestări ale cel puțin ambelor proprietăți principale. Un experiment foarte impresionant care demonstrează prezența efectului Meissner este prezentat în Fig. 7: Un magnet permanent plutește deasupra unei cupe supraconductoare. Pentru prima dată, un astfel de experiment a fost efectuat de fizicianul sovietic V.K. Arkadyev.

Într-un supraconductor, apar curenți care împing câmpul magnetic, câmpul lor magnetic respinge magnetul permanent și compensează greutatea acestuia. Importanti sunt si peretii cupei, care imping magnetul spre centru. Deasupra unui fund plat, poziția magnetului este instabilă; Acest magnet plutitor amintește de legendele levitației. Cea mai faimoasă legendă este despre mormântul unui profet religios. Sicriul, așezat într-o peșteră, plutea acolo în aer fără niciun suport vizibil. Acum este imposibil să spunem cu certitudine dacă astfel de povești se bazează pe vreun fenomen real. Acum este posibil din punct de vedere tehnic să „facem legenda să devină realitate” folosind efectul Meissner.

Un câmp magnetic

Fizica modernă folosește conceptul de câmp pentru a descrie influența unui corp asupra altuia la distanță, fără contact direct. Astfel, sarcinile și curenții interacționează printr-un câmp electromagnetic. Toți cei care au studiat legile câmpului electromagnetic cunoaște o imagine vizuală a câmpului - o imagine a liniilor sale de forță. Această imagine a fost folosită pentru prima dată de fizicianul englez M. Faraday. Pentru claritate, este util să amintim o altă imagine a unui câmp, folosită de un alt fizician englez - J. C. Maxwell.

Imaginează-ți că câmpul este un fluid în mișcare, cum ar fi apa, care curge de-a lungul direcțiilor liniilor câmpului. Să încercăm să descriem cu ajutorul ei interacțiunea sarcinilor conform legii lui Coulomb. Să existe o piscină, pentru simplitate, plată și puțin adâncă, vedere de sus este prezentată în Fig. 8. În fund sunt două găuri: printr-una, apa intră în piscină (aceasta este ca o sarcină pozitivă), iar prin cealaltă curge afară (aceasta este o scurgere, sau o sarcină negativă). Apa care curge într-un astfel de bazin reprezintă câmpul electric a două sarcini staționare. Apa este transparentă, iar curgerea ei este imperceptibilă pentru noi. Dar să introducem o „încărcare pozitivă de test” în jeturi – o minge pe o sfoară. Vom simți imediat forța - lichidul poartă mingea împreună cu el.

Apa duce mingea departe de sursă - precum încărcăturile se resping. Mingea este atrasă de o scurgere sau de o încărcătură de alt semn, iar forța dintre sarcini depinde de distanța dintre ele, așa cum este cerut de legea lui Coulomb.

Curenți și câmpuri în supraconductori

Pentru a înțelege comportamentul curenților și câmpurilor în supraconductori, trebuie să vă amintiți legea inducției magnetice. Acum, pentru scopurile noastre, este mai util să îi oferim o formulare mai generală decât într-un curs de fizică școlar. Legea inducției magnetice vorbește de fapt despre relația dintre câmpurile electrice și magnetice. Dacă ne imaginăm câmpul electromagnetic ca un fluid, atunci relația dintre componentele electrice și magnetice ale câmpului poate fi reprezentată ca relația dintre calm (laminar) și fluxul de fluid vortex. Fiecare dintre ele poate exista de la sine. Să avem, de exemplu, un flux larg calm în fața noastră - un câmp electric uniform. Dacă încercați să schimbați acest câmp, de ex. Ca și cum ar fi să încetinească sau să accelereze lichidul, vor apărea cu siguranță vortexuri - un câmp magnetic. O modificare a unui câmp magnetic duce întotdeauna la apariția unui câmp electric, iar un câmp electric induce un curent într-un circuit conductor, acesta este fenomenul obișnuit al inducției magnetice: o modificare a unui câmp magnetic induce un curent. Este această lege fizică care funcționează la toate centralele electrice din lume, într-un fel sau altul provocând modificări ale câmpului magnetic din conductor. Câmpul electric rezultat generează un curent care curge în casele și fabricile noastre industriale.

Dar să revenim la supraconductori. Curentul continuu într-un supraconductor nu necesită prezența unui câmp electric, iar într-o situație de echilibru câmpul electric dintr-un supraconductor este zero. Un astfel de câmp ar accelera electronii, dar nu există rezistență sau frecare care să echilibreze accelerația în supraconductori. Un câmp electric constant în mod arbitrar mic ar duce la o creștere infinită a curentului, ceea ce este imposibil. Câmpul electric apare numai în secțiunile nesuperconductoare ale circuitului. Curentul curge în supraconductori fără cădere de tensiune.

Raționamentul mental nu dezvăluie nimic care ar putea împiedica existența unui câmp magnetic într-un supraconductor. Cu toate acestea, este clar că supraconductorul va împiedica modificarea câmpului magnetic. Într-adevăr, o modificare a câmpului magnetic ar genera un curent, care ar crea un câmp magnetic care ar compensa modificarea inițială.

Deci, orice circuit supraconductor trebuie să mențină câmpul magnetic care curge prin el. (Fluxul magnetic printr-o buclă este pur și simplu produsul dintre intensitatea câmpului magnetic și aria buclei.)

Același lucru ar trebui să se întâmple și în grosimea supraconductorului. De exemplu, dacă aducem un magnet aproape de o probă supraconductoare, câmpul său magnetic nu poate pătrunde în supraconductor. Orice astfel de „încercare” duce la apariția unui curent în supraconductor, al cărui câmp magnetic compensează câmpul extern. Ca urmare, nu există un câmp magnetic în grosimea supraconductorului și exact curentul necesar pentru aceasta curge de-a lungul suprafeței. În grosimea unui conductor obișnuit, care este introdus într-un câmp magnetic, totul se întâmplă exact în același mod, dar acolo există rezistență și curentul indus scade destul de repede, iar energia sa se transformă în căldură din cauza frecării. (Această căldură este foarte ușor de detectat experimental: aduceți mâna aproape de un transformator care funcționează și veți simți căldura care emană din acesta.) Într-un supraconductor nu există rezistență, curentul nu se stinge și nu „permite” câmpul magnetic pentru orice perioadă de timp. Imaginea descrisă este corectă și a fost confirmată în mod repetat de experiență.

Acum să facem un alt experiment mental. Să „luăm” aceeași bucată de substanță supraconductoare, dar la o temperatură suficient de ridicată, când este încă în starea sa normală. Să-l aducem într-un câmp magnetic și să așteptăm până când totul se calmează, curenții se sting - substanța este pătrunsă de un flux magnetic. Vom scădea temperatura, așteptând ca substanța să intre în stare supraconductoare. Se pare că scăderea temperaturii nu ar trebui să afecteze modelul câmpului magnetic. Fluxul magnetic într-un supraconductor nu ar trebui să se schimbe. Dacă îndepărtați magnetul - sursa câmpului magnetic extern, atunci supraconductorul ar trebui să reziste la aceasta și curenții supraconductori ar trebui să apară la suprafață, menținând câmpul magnetic în interiorul substanței.

Totuși, acest comportament este complet inconsecvent cu ceea ce se observă experimental: efectul Meissner va apărea și în acest caz. Dacă răciți un metal normal într-un câmp magnetic, atunci când trece la o stare supraconductivă, câmpul magnetic este împins în afara supraconductorului. În același timp, pe suprafața sa apare un curent continuu, care asigură un câmp magnetic nul în grosimea supraconductorului. Imaginea descrisă a stării supraconductoare este întotdeauna observată, indiferent de modul în care se face trecerea la această stare.

Desigur, această descriere este extrem de idealizată și o vom complica pe măsură ce prezentarea avansează. Dar acum merită menționat că există două tipuri de supraconductori care reacționează diferit la un câmp magnetic. Am început să vorbim despre proprietățile supraconductoarelor de tip I, odată cu descoperirea cărora a început supraconductivitatea. Ulterior, au fost descoperiți supraconductori de tip II cu proprietăți ușor diferite. Ele sunt asociate în principal cu aplicații practice ale supraconductivității.

Diamagnetism ideal

Împingerea unui câmp magnetic este la fel de surprinzătoare pentru un fizician ca și absența rezistenței. Faptul este că un câmp magnetic constant pătrunde de obicei peste tot. Nu este interferat cu metalul împământat care protejează câmpul electric. În cele mai multe cazuri, limita unui corp pentru un câmp magnetic nu este un perete care îi limitează „curgerea”, ci mai degrabă o mică treaptă în fundul unei piscine, schimbând adâncimea și influențând ușor acest „curgere”. Intensitatea câmpului magnetic dintr-o substanță se modifică cu sutimi sau miimi de procent în comparație cu puterea sa din exterior (cu excepția substanțelor magnetice precum fierul și alți feromagneți, unde celui extern se adaugă un câmp magnetic intern mare). În toate celelalte substanțe, câmpul magnetic este fie ușor întărit - și astfel de substanțe sunt numite paramagnetice, fie ușor slăbit - astfel de substanțe se numesc diamagnetice.

În supraconductori, câmpul magnetic este slăbit la zero, ei sunt materiale diamagnetice ideale.

Doar un ecran de curenți menținuți continuu poate „nu lăsa să treacă” câmpul magnetic. Supraconductorul însuși creează un astfel de ecran pe suprafața sa și îl menține atât timp cât se dorește. Prin urmare, efectul Meissner, sau diamagnetismul ideal al unui supraconductor, nu este mai puțin surprinzător decât conductivitatea sa ideală.

În fig. Figura 9 arată aproximativ ce se întâmplă cu o minge de metal atunci când temperatura se schimbă Tși aplicarea unui câmp magnetic H(liniile câmpului magnetic sunt indicate de săgeți care străpung sau curg în jurul probei). Un metal în starea sa normală este marcat cu albastru dacă metalul intră într-o stare supraconductivă, culoarea se schimbă în verde. Pentru comparație, în fig. 9, V arată cum s-ar comporta un conductor ideal (notat cu literele IC) - un metal fără efect Meissner cu rezistență zero (dacă ar exista). Această condiție este indicată cu roșu.

Orez. 9. Efectul Meissner:

A- un conductor normal cu rezistență diferită de zero la orice temperatură (1) este introdus într-un câmp magnetic. În conformitate cu legea inducției electromagnetice, apar curenți care rezistă pătrunderii câmpului magnetic în metal (2). Cu toate acestea, dacă rezistența este diferită de zero, acestea se degradează rapid. Câmpul magnetic pătrunde într-o probă de metal normal și este aproape uniform (3);

b- din starea normală la o temperatură peste T c există două moduri: În primul rând: când temperatura scade, proba intră într-o stare supraconductoare, apoi se poate aplica un câmp magnetic, care este împins în afara eșantionului. În al doilea rând: aplicați mai întâi un câmp magnetic care pătrunde în eșantion, apoi reduceți temperatura, apoi câmpul va fi împins afară în timpul tranziției. Oprirea câmpului magnetic oferă aceeași imagine;

V- daca nu ar exista efectul Meissner, conductorul fara rezistenta s-ar comporta diferit. Când trece la o stare fără rezistență într-un câmp magnetic, ar menține un câmp magnetic și l-ar reține chiar și atunci când câmpul magnetic extern este îndepărtat. Un astfel de magnet ar putea fi demagnetizat doar prin creșterea temperaturii. Acest comportament, însă, nu a fost observat experimental.

Puțină istorie

În capitolul următor vom vorbi mai în detaliu despre proprietățile uimitoare ale supraconductorilor și am dori să încheiem acest capitol prin enumerarea celor mai importante lucrări efectuate de fizicieni în timpul studiului supraconductivității.

În primul rând, acestea sunt descoperirile deja menționate ale lui H. Kamerlingh Onnes (1911) și W. Meissner și R. Ochsenfeld (1933). Prima explicație teoretică a comportamentului unui supraconductor într-un câmp magnetic a fost propusă în Anglia (1935) de către fizicienii germani F. London și G. London care au emigrat din Germania. În 1950, L. D. Landau și unul dintre autorii acestei cărți au scris o lucrare în care au construit o teorie mai generală a supraconductivității. Această descriere s-a dovedit a fi convenabilă și este folosită și astăzi se numește teoria Ginzburg-Landau sau teoria ψ a supraconductivității.

Mecanismul fenomenului a fost descoperit în 1957 de către fizicienii americani J. Bardeen, L. Cooper și J. Schrieffer. Pe baza literelor majuscule ale numelor lor, această teorie se numește teoria BCS, iar mecanismul în sine (comportamentul perechii de electroni este esențial pentru acesta) este adesea numit „împerechere Cooper”, deoarece ideea sa a fost inventată de L. Cooper. Pentru dezvoltarea fizicii supraconductivității, stabilirea existenței a două tipuri de supraconductori — tipurile I și II — a jucat un rol major. Mercurul și o serie de alți supraconductori sunt supraconductori de tip I. Supraconductorii de tip II sunt în mare parte aliaje de două sau mai multe elemente. Lucrarea lui L.V Shubnikov și a colegilor săi din Harkov în anii 1930 a jucat un rol major în descoperirea supraconductivității de tip II. și A.A. Abrikosov în anii ’50.

În plus, descoperirile și cercetările din anii 1950 au avut un impact major. compuși cu temperaturi critice relativ ridicate, capabili să reziste la câmpuri magnetice foarte mari și să treacă curenți de mare densitate în stare supraconductoare. Poate că punctul culminant al acestor studii au fost experimentele lui J. Künzler și colegii săi (1960). Au demonstrat că Nb 3 Sn fir la T= 4,2 K într-un câmp de 88.000 Oe (pur și simplu nu aveau un câmp mai puternic la dispoziție) trece un curent cu o densitate de 100 mii A/cm 2 . Supraconductorii descoperiți la acea vreme încă funcționează în dispozitivele tehnice. Astfel de materiale sunt acum clasificate ca o clasă specială de supraconductori, care se numesc „superconductori duri”.

În 1962, fizicianul englez B. Josephson a prezis teoretic fenomene complet neobișnuite care ar trebui să apară la contactele supraconductorilor. Aceste predicții au fost apoi pe deplin confirmate, iar fenomenele în sine au fost numite supraconductivitate slabă sau efecte Josephson și au găsit rapid aplicare practică.

În cele din urmă, un articol (1986) al unor fizicieni care lucrează la Zurich, elvețianul A. Müller și germanul G. Bednorz, a marcat descoperirea unei noi clase de substanțe supraconductoare - supraconductorii de temperatură înaltă - și a dat naștere unei avalanșe de noi cercetări. in aceasta zona.

Gradele scalei Kelvin sunt de obicei notate cu litera majusculă K sunt egale cu grade Celsius obișnuite, dar sunt numărate de la temperatura zero absolut. Pe scara Celsius, temperatura zero absolut este de -273,16°C, deci temperatura menționată de 4,15 K este egală cu -269,01°C. În cele ce urmează, vom încerca să furnizăm valori rotunjite.

Imaginea apariției rezistenței electrice este, desigur, mai complexă și o vom analiza mai detaliat mai târziu.

O metodă de „distilare” similară cu procesul de distilare a apei.

În 1911, omul de știință olandez Kamerlingh Onnes, în timp ce studia conductivitatea electrică a mercurului la temperaturi foarte scăzute, a descoperit un fenomen interesant - supraconductibilitatea. Fenomenul de supraconductivitate este că mercurul, plumbul, zincul, aluminiul și alte metale, atunci când sunt răcite profund la o temperatură foarte scăzută, brusc, la 2-8 ° K, își pierd complet rezistența la curentul electric.

Rezistența electrică scade ușor odată cu scăderea temperaturii și, de obicei, în zona temperaturilor foarte scăzute

cu o anumită decelerare (Fig. 97). Dar pentru unele metale, la o temperatură caracteristică fiecăruia dintre ele - în „punctul de transformare într-un supraconductor” - rezistența scade brusc brusc de cel puțin zeci de miliarde de ori, probabil până când dispare complet (Fig. 98). În orice caz, în ciuda sensibilității excepționale a metodelor de măsurare utilizate, rezistența electrică în starea supraconductoare se dovedește a fi nedetectabil de mică și posibil zero.

Orez. 97. Natura obișnuită a dependenței rezistenței de temperatură în regiunea de temperatură scăzută.

Orez. 98. Salt în dispariția rezistenței pentru un supraconductor.

Când un curent de mii de amperi pe centimetru pătrat trece printr-un fir de plumb subțire în stare de supraconductivitate, nu se observă nicio scădere a potențialului între capetele firului. De asemenea, nu există o generare vizibilă de căldură din curent.

Curentul, odată excitat într-un inel supraconductor închis, nu scade în valoare timp de zeci de ore – atâta timp cât se menține starea de răcire profundă care asigură supraconductibilitatea.

Trecerea la starea de supraconductivitate nu este însoțită de modificări bruște ale altor proprietăți ale metalului (fără a lua în considerare cele magnetice). Cercetările lui Keesom și de Haas au stabilit că trecerea la starea de supraconductivitate nu este asociată cu nicio modificare a structurii rețelei cristaline. S-a stabilit că în momentul supraconductivității (într-un metal nemagnetizat) nu are loc degajare sau absorbție de căldură; coeficientul de dilatare termică nu se modifică; doar capacitatea termică (foarte mică la temperaturi scăzute) experimentează un mic salt în direcția creșterii.

Experimentele conduse de Schoenberg (1937) au arătat că magnetizarea intensă a unui supraconductor poate distruge supraconductibilitatea acestuia. Această împrejurare impune o limitare a densității admisibile de curent într-un supraconductor: câmpul magnetic al unui curent excesiv de mare determină dispariția supraconductivității. Totuși, când curentul scade sau când mai mult

La răcirea profundă, starea de supraconductivitate este restabilită.

O serie de studii au arătat că într-un metal complet pur în stare de supraconductivitate, tot curentul trece prin suprafața metalului, în timp ce metalul însuși devine impenetrabil câmpurilor magnetice și electrice. Astfel, termenul „supraconductivitate” s-a dovedit a fi posibil de considerat ca având chiar și un sens geometric, și anume sensul unei astfel de stări a metalului atunci când curentul trece „deasupra” (sau „pe deasupra”) a metalului fără a pătrunde. interior. Desigur, caracteristicile fizice și chimice ale metalului nu se manifestă sub formă de rezistență la curentul care curge „pe deasupra” metalului. Dar acest lucru, desigur, încă nu explică esența fenomenului.

Experimente subtile efectuate de membrul corespunzător. Academia de Științe a URSS A.I Shalnikov, a demonstrat că adâncimea de penetrare a câmpului magnetic într-un supraconductor este de zece miimi de milimetru. Experimentele ulterioare ale lui A.I Shalnikov (1947) au descoperit că trecerea la supraconductivitate a unei bucăți de metal în timpul răcirii profunde are loc printr-o stare intermediară, când (în conformitate cu teoria dezvoltată de academicianul L.D. Landau) metalul este separat în straturi subțiri de supraconductivitate, alternând cu straturi de conductivitate normală.

Fenomenul de supraconductivitate a fost descoperit în 23 de metale și multe aliaje. Temperaturile la care un metal, atunci când este răcit, prezintă brusc supraconductivitate - punctul de transformare într-un supraconductor - sunt date pentru unele metale în tabelul inclus aici.

Puncte de transformare într-un supraconductor pe scara de temperatură absolută

(vezi scanare)

Orez. 99 arată cum are loc scăderea rezistenței atunci când un metal este răcit până la punctul de a deveni supraconductor.

Metalele care devin supraconductoare atunci când sunt răcite profund nu sunt în niciun caz cei mai buni conductori la temperatura camerei. Dimpotrivă, cei mai buni conductori sunt cuprul,

argint și aur - starea de supraconductivitate nu a fost detectată, în ciuda faptului că au fost răcite la temperaturi extrem de apropiate de zero absolut,

Toate metalele care se transformă în supraconductori la răcirea profundă formează un grup compact în sistemul periodic de elemente al lui Mendeleev, prezentat în Fig. 100 inramat.

Orez. 99. Variația de temperatură a rezistivității metalelor aproape de zero absolut (superconductivitate).

Orez. 100. Poziția elementelor supraconductoare în tabelul periodic al lui Mendeleev. Numerele de sub simbolurile elementelor sunt temperaturile de tranziție la starea supraconductoare.

Fenomenul de supraconductivitate se observă și în multe aliaje. Este remarcabil faptul că aliajele supraconductoare la temperaturi scăzute nu sunt doar aliaje ale metalelor supraconductoare, ci și unele aliaje cu predominanța metalului, care în forma sa pură nu prezintă supraconductivitate. Există chiar și aliaje și compuși supraconductori care constau în întregime din elemente care nu aparțin supraconductorilor. Acestea sunt aliaje de bismut și aur, molibden și carburi de tungsten. Un semiconductor la 1,6 K devine supraconductor.

Cele mai înalte puncte de transformare în starea de supraconductivitate au: niobiu carbură de niobiu un aliaj de staniu și niobiu iar punctul cel mai înalt - nitrură de niobiu

Timp de aproape o jumătate de secol, fenomenul de supraconductivitate a rămas prost înțeles. Abia în 1957 fizicienii americani Bardeen, Cooper, Schriefer și, într-o formă mai completă, academicianul Nikolai Nikolaevich Bogolyubov au reușit în sfârșit să creeze o teorie satisfăcătoare a supraconductivității.

S-a dovedit că supraconductivitatea este explicată în multe privințe într-un mod similar cu fenomenul de suprafluiditate a lichidelor. După cum s-a menționat în volumul I la pagina 367, superfluiditatea se observă în heliul lichid II la temperaturi sub 2,18 ° heliul lichid, datorită superfluidității, are o conductivitate termică anormal de mare (de aproape un milion și jumătate de ori mai mare decât apa, de două mii); ori mai mare decât cuprul luat la temperatura camerei).

Într-unul dintre articolele sale (1958), N. N. Bogolyubov scrie:

„... A apărut următoarea imagine a mișcării unui lichid superfluid: spre deosebire de mișcarea unui lichid sau gaz obișnuit, în care particulele individuale se mișcă aleatoriu, mișcarea unui lichid superfluid prezintă un grad ridicat de ordine. Acest lucru se datorează faptului că particulele unui lichid superfluid interacționează puternic între ele. Această interacțiune este deosebit de puternică pentru particulele cu viteze direcționate opus. Luarea corectă în considerare a acestei interacțiuni a fost o dificultate deosebită la crearea teoriei superfluidității. O dificultate similară a fost plină de teoria supraconductivității...

Până acum, a existat o opinie generală în fizică conform căreia o asemănare profundă în comportamentul unui sistem format din atomi de heliu și a unui sistem format din electroni era cu greu posibilă. Cert este că proprietățile statistice ale acestor particule, care determină comportamentul sistemelor compuse din ele, sunt foarte diferite: nucleele de heliu se supun statisticilor Bose, iar electronii se supun statisticilor Fermi.

Imaginea generală a comportamentului electronilor în starea supraconductoare poate fi imaginată după cum urmează. Electronii liberi ai metalului formează un „colectiv” conectat în această stare, similar în proprietăți cu cel care în teoria superfluidității se numește condensat... Mișcarea unui astfel de colectiv în ansamblu este stabilă. Cu o stabilizare suplimentară prin acțiunea unui câmp magnetic, această mișcare (curent electric în metal) nu întâmpină rezistență.”

N.N. Bogolyubov, care în anii precedenți a îmbunătățit teoria superfluidității lichidelor, a aplicat metoda matematică pe care a creat-o pentru a analiza condițiile de apariție și natura mișcării „colectiv-condensului” menționat. N. N. Bogolyubov a arătat că, deși repulsia electrică a electronilor îi împiedică să se alăture într-un „colectiv” conectat, este într-o măsură mai mică decât credeau Bardeen, Cooper și Schriefer. Fizicienii americani, aderând la presupunerea că electronii sunt grupați în perechi, au obținut o serie de formule pentru mărimile care caracterizează starea de supraconductivitate; aceleași formule, alături de unele concluzii noi, sunt date de teoria mai riguroasă a lui N. N. Bogolyubov.

(77 K), un lichid criogenic mult mai ieftin.

YouTube enciclopedic

1 / 5

✪ Lecția 296. Dependența de temperatură a rezistenței metalelor. Supraconductivitate

✪ Supraconductivitate. Curentul electric în diverse medii. Film educativ

✪ SUPERCONDUCTOR ȘI LEVITAȚIE CUANTICA!

✪ Superconductivitate (povestită de fizicianul Boris Fain)

✪ Conductivitatea electrică a diferitelor substanțe | Fizica nota 10 #57 | Lecție de informații

Subtitrări

Istoria descoperirii

Baza descoperirii fenomenului de supraconductivitate a fost dezvoltarea tehnologiilor de răcire a materialelor la temperaturi ultra-scăzute. În 1877, inginerul francez Louis Cayette și fizicianul elvețian Raoul Pictet au răcit independent oxigenul la o stare lichidă. În 1883, Zygmunt Wróblewski și Karol Olszewski au efectuat lichefierea azotului. În 1898, James Dewar a reușit să obțină hidrogen lichid.

În 1893, fizicianul olandez Heike Kamerlingh Onnes a început să studieze problema temperaturilor ultra-scăzute. A reușit să creeze cel mai bun laborator criogenic din lume, în care a obținut heliu lichid la 10 iulie 1908. Mai târziu a reușit să-i aducă temperatura la 1 Kelvin. Kamerlingh Onnes a folosit heliu lichid pentru a studia proprietățile metalelor, în special pentru a măsura dependența rezistenței lor electrice de temperatură. Conform teoriilor clasice care existau la acea vreme, rezistența ar trebui să scadă lin odată cu scăderea temperaturii, dar exista și părerea că la temperaturi prea scăzute electronii se vor opri practic și metalul va înceta complet să conducă curentul. Experimentele efectuate de Kamerlingh Onnes cu asistenții săi Cornelis Dorsman și Gilles Holst au confirmat inițial concluzia despre o scădere lină a rezistenței. Cu toate acestea, pe 8 aprilie 1911, el a descoperit în mod neașteptat că la 3 Kelvin (aproximativ -270 °C) rezistența electrică era practic zero. Următorul experiment, efectuat pe 11 mai, a arătat că o scădere bruscă a rezistenței la zero are loc la o temperatură de aproximativ 4,2 K (mai târziu, măsurători mai precise au arătat că această temperatură este de 4,15 K). Acest efect a fost complet neașteptat și nu a putut fi explicat prin teoriile existente atunci.

Rezistența zero nu este singura trăsătură distinctivă a supraconductoarelor. Una dintre principalele diferențe dintre supraconductori și conductorii ideali este efectul Meissner, descoperit de Walter Meissner și Robert Oxenfeld în 1933.

S-a descoperit ulterior că supraconductorii sunt împărțiți în două mari familii: supraconductori de tip I (care includ, în special, mercur) și tip II (care sunt de obicei aliaje de diferite metale). Lucrarea lui L.V Shubnikov în anii 1930 și A.A Abrikosov în anii 1950 a jucat un rol semnificativ în descoperirea supraconductivității de tip II.

De mare importanță pentru aplicațiile practice în electromagneții de mare putere a fost descoperirea în anii 1950 a supraconductorilor capabili să reziste la câmpuri magnetice puternice și să transmită densități mari de curent. Astfel, în 1960, sub conducerea lui J. Künzler, a fost descoperit materialul Nb 3 Sn, un fir din care este capabil să treacă un curent cu o densitate de până la 100 kA/cm² la o temperatură de 4,2 K, fiind în un câmp magnetic de 8,8 T.

În 2015, a fost stabilit un nou record pentru temperatura la care se atinge supraconductibilitatea. Pentru H2S (hidrogen sulfurat) la o presiune de 100 GPa, s-a înregistrat o tranziție supraconductoare la o temperatură de 203 K (-70 ° C).

Clasificare

Există mai multe criterii pentru clasificarea supraconductorilor. Iată pe cele principale:

Proprietățile supraconductoarelor

Rezistență electrică zero

Pentru curentul electric continuu, rezistența electrică a unui supraconductor este zero. Acest lucru a fost demonstrat într-un experiment în care a fost indus un curent electric într-un supraconductor închis, care a circulat în el fără atenuare timp de 2,5 ani (experimentul a fost întrerupt de o grevă a muncitorilor care livrau lichide criogenice).

Supraconductori într-un câmp de înaltă frecvență

Strict vorbind, afirmația că rezistența supraconductoarelor este zero este adevărată numai pentru curentul electric continuu. Într-un câmp electric alternativ, rezistența unui supraconductor este diferită de zero și crește odată cu creșterea frecvenței câmpului. Acest efect, în limbajul modelului cu două fluide al unui supraconductor, se explică prin prezența, împreună cu fracția supraconductoare a electronilor, a electronilor obișnuiți, al căror număr este însă mic. Când un supraconductor este plasat într-un câmp constant, acest câmp din interiorul supraconductorului devine zero, deoarece în caz contrar electronii supraconductori ar accelera la infinit, ceea ce este imposibil. Totuși, în cazul unui câmp alternativ, câmpul din interiorul supraconductorului este diferit de zero și accelerează, de asemenea, electronii normali, cu care sunt asociate atât rezistența electrică finită, cât și pierderile termice Joule. Acest efect este deosebit de pronunțat pentru astfel de frecvențe de lumină pentru care energia cuantică h ν (\displaystyle h\nu ) suficient pentru a transfera un electron supraconductor în grupul de electroni normali. Această frecvență se află de obicei în regiunea infraroșu (aproximativ 10 11 Hz), prin urmare, în domeniul vizibil, supraconductorii nu sunt practic diferiti de metalele obișnuite.

Tranziție de fază la starea supraconductoare

În prezent, faza HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) are cea mai mare valoare cunoscută a temperaturii critice - 135 K, iar la o presiune externă de 350 mii atmosfere temperatura de tranziție crește la 164 K, ceea ce este cu doar 19 K mai mică decât temperatura minimă înregistrată în condiții naturale pe suprafața Pământului. Astfel, supraconductorii în dezvoltarea lor au trecut de la mercur metalic (4,15 K) la supraconductori de temperatură înaltă care conțin mercur (164 K). În 2000, s-a demonstrat că o ușoară fluorurare a ceramicii cu mercur menționate mai sus permite creșterea temperaturii critice la presiune normală la 138 K.

Trecerea unei substanțe la starea supraconductoare este însoțită de o modificare a proprietăților sale termice. Cu toate acestea, această schimbare depinde de tipul de supraconductori în cauză. Astfel, pentru supraconductorii de tip I în absența unui câmp magnetic la temperatura de tranziție T c căldura de tranziție (absorbție sau eliberare) ajunge la zero și, prin urmare, suferă un salt în capacitatea termică, care este caracteristică unei tranziții de fază de tip ΙΙ. Această dependență de temperatură a capacității termice a subsistemului electronic al unui supraconductor indică prezența unui decalaj de energie în distribuția electronilor între starea fundamentală a supraconductorului și nivelul excitațiilor elementare. Când trecerea de la starea supraconductivă la starea normală se realizează prin modificarea câmpului magnetic aplicat, atunci căldura trebuie absorbită (de exemplu, dacă proba este izolată termic, atunci temperatura acesteia scade). Și aceasta corespunde unei tranziții de fază de ordinul 1. Pentru supraconductorii de tip II, trecerea de la starea supraconductoare la starea normală în orice condiții va fi o tranziție de fază de tip II.

efectul Meissner

O proprietate și mai importantă a unui supraconductor decât rezistența electrică zero este așa-numitul efect Meissner, care constă în deplasarea unui câmp magnetic constant dintr-un supraconductor. Din această observație experimentală, se ajunge la concluzia că în interiorul supraconductorului există curenți continui, care creează un câmp magnetic intern care este opus câmpului magnetic extern aplicat și îl compensează.

Efect izotopic

Efect izotopic pentru supraconductori este că temperaturile T s sunt invers proporționale cu rădăcinile pătrate ale maselor atomice ale izotopilor aceluiași element supraconductor. Ca urmare, preparatele monoizotopice diferă oarecum la temperaturi critice de amestecul natural și unele de altele.

Moment londonez

Supraconductorul rotativ generează un câmp magnetic aliniat precis cu axa de rotație, momentul magnetic rezultat fiind numit „momentul Londra”. A fost folosit, în special, în satelitul științific Gravity Probe B, unde s-au măsurat câmpurile magnetice a patru giroscoape supraconductoare pentru a determina axele lor de rotație. Deoarece rotoarele giroscoapelor erau sfere aproape perfect netede, utilizarea momentului Londra a fost una dintre puținele modalități de a determina axa lor de rotație.

Momentul gravitomagnetic al Londrei

Un inel de supraconductor rotativ și în același timp accelerat, adică crescând frecvența rotațiilor, generează un câmp gravitațional. Experimentele legate de momentul gravitomagnetic din Londra au fost efectuate de Martin Tajmar de la compania austriacă ARC Seibersdorf Research și Clovis de Matos de la Agenția Spațială Europeană (ESA) în 2006. Experimentatorii au măsurat pentru prima dată un câmp gravitomagnetic creat artificial în acest fel. Tajmar și de Matos consideră că acest efect explică misterul diferenței dintre masa perechilor Cooper măsurată anterior cu mare precizie (aceștia sunt electroni care asigură conductivitate într-un supraconductor) și aceeași masă obținută pe hârtie - conform calculelor teoriei cuantice .

Cercetătorii au numit efectul gravitațional descoperit experimental „momentul Londra gravitomagnetic”, prin analogie cu un efect magnetic similar: apariția unui câmp magnetic în timpul rotației unui supraconductor, numit „momentul Londra”.

Câmpul provocat în acest fel a fost de 100 de milioane de ori mai slab decât câmpul gravitațional al Pământului. Și deși acest efect a fost prezis de Teoria Generală a Relativității, această intensitate a câmpului s-a dovedit a fi cu 20 de ordine de mărime mai puternică decât valoarea calculată.

Explicația teoretică a efectului de supraconductivitate

În prezent lipsește o teorie microscopică complet satisfăcătoare a supraconductivității.

Deja într-un stadiu relativ timpuriu al studiului supraconductivității, cel puțin după crearea teoriei Ginzburg-Landau, a devenit evident că supraconductivitatea este o consecință a unificării unui număr macroscopic de electroni de conducție într-o singură stare mecanică cuantică. Particularitatea electronilor legați într-un astfel de ansamblu este că nu pot face schimb de energie cu rețeaua în porțiuni mici, mai puțin decât energia lor de legare în ansamblu. Aceasta înseamnă că atunci când electronii se mișcă într-o rețea cristalină, energia electronilor nu se modifică, iar substanța se comportă ca un supraconductor cu rezistență zero. Analiza mecanică cuantică arată că în acest caz nu există o împrăștiere a undelor de electroni prin vibrațiile termice ale rețelei sau impurități. Și asta înseamnă absența rezistenței electrice. O astfel de combinație de particule este imposibilă într-un ansamblu de fermioni. Este caracteristic unui ansamblu de bosoni identici. Faptul că electronii din supraconductori sunt combinați în perechi bosonice rezultă din experimentele de măsurare a mărimii cuantumului fluxului magnetic care este „înghețat” în cilindrii supraconductori goali. Prin urmare, deja la mijlocul secolului al XX-lea, principala sarcină a creării teoriei supraconductivității a fost dezvoltarea unui mecanism pentru împerecherea electronilor. Prima teorie care pretindea că oferă o explicație microscopică a cauzelor supraconductivității a fost teoria lui Bardeen - Cooper - Schrieffer, creată de ei în anii 50 ai secolului XX. Această teorie a primit recunoaștere universală sub numele de BCS și a fost distinsă cu Premiul Nobel în 1972. Atunci când și-au creat teoria, autorii s-au bazat pe efectul izotopic, adică pe influența masei izotopului asupra temperaturii critice a supraconductorului. Se credea că existența sa indică în mod direct formarea unei stări supraconductoare datorită funcționării mecanismului fonon.

Teoria BCS a lăsat câteva întrebări fără răspuns. Pe baza ei, s-a dovedit a fi imposibil de rezolvat problema principală - pentru a explica de ce supraconductorii specifici au una sau alta temperatură critică. În plus, experimente ulterioare cu substituții izotopice au arătat că, datorită anarmonicității vibrațiilor de punct zero ale ionilor din metale, există un efect direct al masei ionice asupra distanțelor interionice din rețea și, prin urmare, direct asupra energiei Fermi a metalul. Prin urmare, a devenit clar că existența efectului izotopic nu este o dovadă a mecanismului fonon, ca singurul posibil responsabil pentru împerecherea electronilor și apariția supraconductivității. Nemulțumirea cu teoria BCS în anii următori a condus la încercări de a crea alte modele, cum ar fi modelul de fluctuație a spinului și modelul bipolaron. Cu toate acestea, deși au luat în considerare diferite mecanisme de combinare a electronilor în perechi, aceste evoluții nu au condus nici la progrese în înțelegerea fenomenului de supraconductivitate.

Principala problemă pentru teoria BCS este existența lui , care nu poate fi descrisă de această teorie.

Aplicații ale supraconductivității

S-au făcut progrese semnificative în obținerea supraconductivității la temperatură ridicată. Pe baza ceramicii metalice, de exemplu, compozitia YBa 2 Cu 3 O x , s-au obtinut substante pentru care temperatura T c trecerea la starea supraconductoare depășește 77 K (temperatura de lichefiere a azotului). Din păcate, aproape toți supraconductorii de înaltă temperatură nu sunt avansați din punct de vedere tehnologic (fragili, nu au proprietăți stabile etc.), drept urmare supraconductorii pe bază de aliaje de niobiu sunt încă utilizați în principal în tehnologie.

Fenomenul de supraconductivitate este folosit pentru a produce câmpuri magnetice puternice (de exemplu, în ciclotroni), deoarece nu există pierderi termice atunci când curenții puternici trec prin supraconductor, creând câmpuri magnetice puternice. Totuși, datorită faptului că câmpul magnetic distruge starea de supraconductivitate, așa-numitele așa-numite câmpuri magnetice sunt folosite pentru a obține câmpuri magnetice puternice. Supraconductori de tip II, în care este posibilă coexistența supraconductivității și a unui câmp magnetic. În astfel de supraconductori, un câmp magnetic provoacă apariția unor filamente subțiri de metal normal care pătrund în eșantion, fiecare dintre ele purtând un cuantum de flux magnetic (vârtejuri Abrikosov). Substanța dintre fire rămâne supraconductoare. Deoarece nu există un efect Meissner complet într-un supraconductor de tip II, supraconductivitate există până la valori mult mai mari ale câmpului magnetic H c 2. Următorii supraconductori sunt utilizați în principal în tehnologie:

Dispozitivele inelare supraconductoare miniaturale - SQUIDS, a căror acțiune se bazează pe legătura dintre modificările fluxului magnetic și tensiune, se găsesc în aplicații importante. Ele fac parte din magnetometrele ultra-sensibile care măsoară câmpul magnetic al Pământului și sunt, de asemenea, folosite în medicină pentru a obține magnetograme ale diferitelor organe.

Supraconductorii sunt, de asemenea, folosiți în maglevs.

Fenomenul de dependență a temperaturii de tranziție la starea supraconductoare de mărimea câmpului magnetic este utilizat în criotroni - rezistențe controlate.

Vezi si

Note

Descoperirea supraconductivității - un capitol din cartea lui J. Trigg „Fizica secolului 20: experimente cheie”
Dirk van Delft și Peter Kes.

Supraconductivitate

Supraconductivitate- proprietatea unor materiale de a avea strict zero rezistenta electrica cand ajung la o temperatura sub o anumita valoare (temperatura critica). Sunt cunoscute câteva zeci de elemente pure, aliaje și ceramică care se transformă în stare supraconductoare. Supraconductivitatea este un fenomen cuantic. De asemenea, se caracterizează prin efectul Meissner, care constă în deplasarea completă a câmpului magnetic din volumul supraconductorului. Existența acestui efect arată că supraconductivitatea nu poate fi descrisă simplu ca conductivitate perfectăîn sensul clasic.

În 1893, fizicianul olandez Heike Kamerlingh Onnes a început să studieze problema temperaturilor ultra-scăzute. A reușit să creeze cel mai bun laborator criogenic din lume, în care a obținut heliu lichid la 10 iulie 1908. Mai târziu a reușit să-i aducă temperatura la 1 Kelvin. Kamerlingh Onnes a folosit heliu lichid pentru a studia proprietățile metalelor, în special pentru a măsura dependența rezistenței lor electrice de temperatură. Conform teoriilor clasice care existau la acea vreme, rezistența ar trebui să scadă treptat odată cu scăderea temperaturii, dar exista și părerea că la temperaturi prea scăzute electronii practic s-ar opri și s-ar opri cu totul să conducă curentul. Experimentele efectuate de Kamerlingh Onnes cu asistenții săi Cornelis Dorsman și Gilles Holst au confirmat inițial concluzia despre o scădere lină a rezistenței. Cu toate acestea, pe 8 aprilie 1911, el a descoperit în mod neașteptat că la 3 Kelvin (aproximativ -270 °C) rezistența electrică este practic zero. Următorul experiment, efectuat pe 11 mai, a arătat că un salt brusc al rezistenței la zero are loc la o temperatură de aproximativ 4,2 K (mai târziu, măsurători mai precise au arătat că această temperatură este de 4,15 K). Acest efect a fost complet neașteptat și nu a putut fi explicat prin teoriile existente atunci.

De mare importanță pentru aplicațiile practice în electromagneții de mare putere a fost descoperirea în anii 1950 a supraconductorilor capabili să reziste la câmpuri magnetice puternice și să poarte densități mari de curent. Astfel, în 1960, sub conducerea lui J. Künzler, a fost descoperit materialul Nb 3 Sn, un fir din care este capabil să treacă un curent cu o densitate de până la 100 kA/cm² la o temperatură de 4,2 K, fiind în un câmp magnetic de 8,8 T.

Proprietățile supraconductoarelor

Rezistență electrică zero

Supraconductori într-un câmp de înaltă frecvență

Strict vorbind, afirmația că rezistența supraconductoarelor este zero este adevărată numai pentru curentul electric continuu. Într-un câmp electric alternativ, rezistența unui supraconductor este diferită de zero și crește odată cu creșterea frecvenței câmpului. Acest efect, în limbajul modelului cu două fluide al unui supraconductor, se explică prin prezența, împreună cu fracția supraconductoare a electronilor, a electronilor obișnuiți, al căror număr este însă mic. Când plasați un supraconductor într-un câmp constant, acest câmp în interiorul supraconductorului devine zero, deoarece în caz contrar electronii supraconductori ar accelera la infinit, ceea ce este imposibil. Totuși, în cazul unui câmp alternativ, câmpul din interiorul supraconductorului este diferit de zero și accelerează, de asemenea, electronii normali, cu care sunt asociate atât rezistența electrică finită, cât și pierderile termice Joule. Acest efect este deosebit de pronunțat pentru astfel de frecvențe de lumină pentru care energia cuantică este suficientă pentru a transfera un electron supraconductor în grupul de electroni normali. Această frecvență se află de obicei în regiunea infraroșu (aproximativ 10 11 Hz), prin urmare, în domeniul vizibil, supraconductorii nu sunt practic diferiti de metalele obișnuite.

Tranziție de fază la starea supraconductoare

Natura modificării capacității termice (cv, grafic albastru) și rezistivității (ρ, verde) în timpul tranziției de fază la starea supraconductoare

Intervalul de temperatură de tranziție la starea supraconductoare pentru probele pure nu depășește miimi de Kelvin și, prin urmare, o anumită valoare are sens T s- temperatura de trecere la starea supraconductoare. Această cantitate se numește temperatura critică de tranziție. Lățimea intervalului de tranziție depinde de eterogenitatea metalului, în primul rând de prezența impurităților și a tensiunilor interne. Temperaturile curente cunoscute T s variază de la 0,0005 K pentru magneziu (Mg) la 23,2 K pentru compusul intermetalic de niobiu și germaniu (Nb 3 Ge, în peliculă) și 39 K pentru diborura de magneziu (2) pentru supraconductori la temperatură joasă ( T s sub 77 K, punctul de fierbere al azotului lichid), până la aproximativ 135 K pentru supraconductorii de temperatură înaltă care conțin mercur. În prezent, faza HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) are cea mai mare valoare cunoscută a temperaturii critice - 135 K, iar la o presiune externă de 350 mii atmosfere temperatura de tranziție crește la 164 K, ceea ce este cu doar 19 K mai mică decât temperatura minimă înregistrată în condiții naturale pe suprafața Pământului. Astfel, supraconductorii în dezvoltarea lor au trecut pe calea de la mercur metalic (4,15 K) la supraconductori de temperatură înaltă care conțin mercur (164 K).

Trecerea unei substanțe la starea supraconductoare este însoțită de o modificare a proprietăților sale termice. Cu toate acestea, această schimbare depinde de tipul de supraconductori în cauză. Astfel, pentru supraconductorii de tip I în absența unui câmp magnetic la temperatura de tranziție T c căldura de tranziție (absorbție sau eliberare) devine zero și, prin urmare, suferă un salt în capacitatea termică, care este caracteristică unei tranziții de fază de tipul ΙΙ. Această dependență de temperatură a capacității termice a subsistemului electronic al unui supraconductor indică prezența unui decalaj de energie în distribuția electronilor între starea fundamentală a supraconductorului și nivelul excitațiilor elementare. Când trecerea de la starea supraconductivă la starea normală se realizează prin modificarea câmpului magnetic aplicat, atunci căldura trebuie absorbită (de exemplu, dacă proba este izolată termic, atunci temperatura acesteia scade). Și aceasta corespunde unei tranziții de fază de ordinul 1. Pentru supraconductorii de tip II, trecerea de la starea supraconductoare la starea normală în orice condiții va fi o tranziție de fază de tip II.

efectul Meissner

O proprietate și mai importantă a unui supraconductor decât rezistența electrică zero este așa-numitul efect Meissner, care constă în supraconductorul împingând fluxul magnetic. Din această observație experimentală, se ajunge la concluzia că în interiorul supraconductorului există curenți persistenti, care creează un câmp magnetic intern care este opus câmpului magnetic extern aplicat și îl compensează.

Efect izotopic

Efect izotopic pentru supraconductori este că temperaturile T s sunt invers proporționale cu rădăcinile pătrate ale maselor atomice ale izotopilor aceluiași element supraconductor.

Moment londonez

Supraconductorul care se rotește generează un câmp magnetic aliniat precis cu axa de rotație, momentul magnetic rezultat fiind numit „momentul Londra”. A fost folosit, în special, în satelitul științific „Gravity Probe B”, unde s-au măsurat câmpurile magnetice a patru giroscoape supraconductoare pentru a le determina axele de rotație. Deoarece rotoarele giroscoapelor erau sfere aproape perfect netede, utilizarea momentului Londra a fost una dintre puținele modalități de a determina axa lor de rotație.

Explicația teoretică a efectului de supraconductivitate

Deja într-un stadiu relativ timpuriu al studiului supraconductivității, cel puțin după crearea teoriei Ginzburg-Landau, a devenit evident că supraconductivitatea este o consecință a unificării unui număr macroscopic de electroni de conducție într-o singură stare mecanică cuantică. Particularitatea electronilor legați într-un astfel de ansamblu este că nu pot face schimb de energie cu rețeaua în porțiuni mici, mai puțin decât energia lor de legare în ansamblu. Aceasta înseamnă că atunci când electronii se mișcă într-o rețea cristalină, energia electronilor nu se modifică, iar substanța se comportă ca un supraconductor cu rezistență zero. Analiza mecanică cuantică arată că în acest caz nu există o împrăștiere a undelor de electroni prin vibrațiile termice ale rețelei sau impurități. Și asta înseamnă absența rezistenței electrice. O astfel de combinație de particule este imposibilă într-un ansamblu de fermioni. Este caracteristic unui ansamblu de bosoni identici. Faptul că electronii din supraconductori sunt combinați în perechi bosonice rezultă din experimentele de măsurare a mărimii cuantumului fluxului magnetic care este „înghețat” în cilindrii supraconductori goali. Prin urmare, deja la mijlocul secolului trecut, sarcina principală a creării teoriei supraconductivității a fost dezvoltarea unui mecanism de împerechere a electronilor. Prima teorie care pretindea că oferă o explicație microscopică a cauzelor supraconductivității a fost teoria Bardeen-Cooper-Schrieffer, creată de ei în anii 50 ai secolului trecut. Această teorie a primit recunoaștere universală sub numele de BCS și a fost distinsă cu Premiul Nobel în 1972. Atunci când și-au creat teoria, autorii s-au bazat pe efectul izotop, adică pe influența masei izotopului asupra temperaturii critice a supraconductorului. Se credea că existența sa indică în mod direct formarea unei stări supraconductoare datorită funcționării mecanismului fonon.

Compararea valorilor calculate ale temperaturilor critice ale supraconductoarelor cu datele de măsurare.

Conform uneia dintre cele mai recente teorii propuse de B.V. Vasiliev, împerecherea electronilor este o condiție necesară, dar nu suficientă, pentru existența unei stări supraconductoare. Mai mult, ce mecanism specific duce la o astfel de împerechere nu este atât de important. Este important ca un astfel de mecanism să existe și să fie funcțional pe întregul interval de temperatură în care există starea supraconductoare.

Motivul pentru aceasta este explicat astfel: prin combinarea în perechi, electronii creează bosoni care nu sunt combinați într-un singur ansamblu identic. Ele se disting prin oscilații zero necorelate. Pentru trecerea bosonilor la o stare identică, este necesar să ordonați vibrațiile lor de punct zero. Din acest motiv, parametrii care caracterizează mecanismul de ordonare a oscilațiilor în punctul zero într-un gaz de electroni se dovedesc a fi decisivi pentru proprietățile supraconductoarelor.

Aplicații ale supraconductivității

Fenomenul de supraconductivitate este folosit pentru a produce câmpuri magnetice puternice, deoarece nu există pierderi de căldură atunci când curenții puternici trec printr-un supraconductor, creând câmpuri magnetice puternice. Totuși, datorită faptului că câmpul magnetic distruge starea de supraconductivitate, așa-numitele așa-numite câmpuri magnetice sunt folosite pentru a obține câmpuri magnetice puternice. Supraconductori de tip II, în care este posibilă coexistența supraconductivității și a unui câmp magnetic. În astfel de supraconductori, un câmp magnetic determină apariția unor fire subțiri de metal normal care pătrund în eșantion, fiecare purtând un cuantum de flux magnetic. Substanța dintre fire rămâne supraconductoare. Deoarece nu există un efect Meissner complet într-un supraconductor de tip II, supraconductivitate există până la valori mult mai mari ale câmpului magnetic H c 2. Următorii supraconductori sunt utilizați în principal în tehnologie:

Vezi si

Supraconductivitate și oscilații în punctul zero

Note

Dirk van Delft și Peter Kes Descoperirea supraconductivității (engleză) // Fizica azi. - 2010. - Vol. 63. - p. 38-43.
Alexey Levin Supraconductivitatea își sărbătorește centenarul. Elements.ru (8 aprilie 2011). Arhivat din original pe 23 august 2011. Consultat la 8 aprilie 2011.
V. L. Ginzburg, E. A. Andryushin Capitolul 1. Descoperirea supraconductivității // Supraconductivitate. - Ediția a II-a, revizuită și extinsă. - Alpha-M, 2006. - 112 p. - 3000 de exemplare. - ISBN 5-98281-088-6

Ar putea fi util să citiți: