Analiziran je kratek pregled teorij superprevodnosti in problemov visokotemperaturne superprevodnosti. Superprevodnost - Poznavanje fizike in še več - LJ Kakšna je manifestacija pojava superprevodnosti

Čudež superprevodnosti(avtor Valery Staroshchuk)

Malo teorije

Že prvi poskusi z elektriko so pokazali, da srebro, baker in aluminij dobro prevajajo električni tok, porcelan, steklo, guma in svila pa ga praktično ne prevajajo. V skladu s tem so ljudje začeli izdelovati vodnike iz prvih materialov, iz drugega pa izolacijo za žice in zaščito pred električnim udarom. Na fotografiji vidite sodoben dvožilni omrežni kabel. Vsako jedro je sestavljeno iz sedmih bakrenih žic, obdanih s plastično izolacijo. Glede na to, da žica deluje pri nevarni napetosti 220 V, sta dve izolirani žici prekriti s še eno skupno plastjo plastične izolacije.

Ko gre električni tok skozi vodnik, se ta segreje. Ta lastnost se uporablja v grelnih napravah, kot so likalniki, kotlički, električne baterije in tudi v žarnicah z žarilno nitko. Na fotografiji vidite volframovo žarilno nitko, ki se je pod vplivom toka tako segrela, da je začela oddajati svetlobo.

Zdaj se vedno bolj uporabljajo varčne fluorescenčne sijalke, ki pa imajo tudi majhno žarilno nitko za oddajanje elektronov.

Če tok teče skozi prevodnik, se ta ne le segreje, ampak okoli sebe ustvari tudi magnetno polje. To lastnost je leta 1820 prvi opazil in opisal danski znanstvenik Hans Christian Oersted. Na fotografiji vidite, kako se železni opilki pod vplivom magnetnega polja zvrstijo okoli bakrenega prevodnika, po katerem teče tok.

Magnetno polje toka se uporablja pri delovanju elektromotorja, generatorja in elektromagneta.

Torej, če tok teče skozi prevodnik, se energija tokovnega vira pretvori v toplotno in elektromagnetno polje. Včasih je to potrebno in koristno, včasih pa preprosto škodljivo. Na primer, zakaj potrebujemo ogrevanje in magnetno polje žice, s katero smo likalnik priključili na vtičnico? Segrevajo se tudi žice, po katerih gre električni tok iz elektrarne v naše domove. Da bi te izgube energije zmanjšali, poskušajo narediti čim manjši upor prevodnika.

Ker je električni upor vzorca močno odvisen od materiala, iz katerega je izdelan, temperature in geometrijskih dimenzij, smo se odločili za merjenje upornost, to je upornost vzorca tega materiala dolžine 1 m, s površino prečnega prereza 1 mm 2 pri 20 0 C. Na primer, upornost bakra je r = 0,0125 Ohm mm 2 / m. To pomeni, da če vzamete bakreni (Cu) vodnik dolžine 1 m in s površino prečnega prereza 1 mm 2, bo njegova upornost na električni tok 0,0125 Ohm. Z uporom lahko ugotovimo, kolikšen tok bo šel skozi prevodnik za določeno napetost. Na primer, če je napetost na koncih našega vzorca 0,1 V, bo skozenj tekel tok I = U/R= 0,1/0,0125 = 8A. Zaradi jasnosti si predstavljajmo elektrone v obliki bežečih modrih mož.

Nato bodo s tokom 8A v eni sekundi naleteli na vodnik 5·10 19 (50 milijard milijard!). To je skoraj 70 milijard-krat več, kot je ljudi na planetu Zemlja. Upoštevajte, da jih bo enako število zmanjkalo iz vodnika v sekundi. Strinjali smo se, da je smer toka določena z gibanjem pozitivno nabitih delcev. Toda v kovinah negativni elektroni prevajajo tok, zato je smer toka prikazana nasprotno od hitrosti elektronov. Prevodnik vsebuje pozitivne bakrove ione, s katerimi se igrajo naši človeški elektroni tako, da jih grabijo z rokami. Navsezadnje obstajajo privlačne sile med negativnimi elektroni in pozitivnimi ioni. Elektronski človek iona ne bo mogel vzeti s seboj, saj so ioni veliko težji od elektronov in so tesno povezani s silami v kristalni mreži. Toda naši »možčki« bodo lahko črpali ione. V tem primeru elektroni izgubijo hitrost in s tem energijo gibanja, zato se prevodnik ustrezno segreje.

Zgodovina odkritja

Nizozemski znanstvenik Heike Kammerlingh Onnes (na sliki desno) se je odločil, da bo v svojih poskusih prvi na svetu dosegel absolutno ničlo po Kelvinovi lestvici (približno minus 273 stopinj Celzija). Kot veste, v naravi ni nižje temperature. Štiridesetletni znanstvenik je s svojimi povezavami z nizozemskimi industrialci leta 1893 na univerzi Leiden začel graditi enega najboljših laboratorijev na svetu, ki ga je opremil z najsodobnejšo opremo. Prvi uspeh je prišel 10. julija 1908, ko je bilo mogoče pridobiti tekoči helij pri 5K (to je minus 268 stopinj Celzija!). Po 2 letih trdega dela dobijo temperaturo 1K! In potem znanstvenik spozna, da je to meja, ki jo s to opremo lahko doseže, zato pride do odločitve, da spremeni smer znanstvenega dela. Zdaj so bila vsa prizadevanja usmerjena v preučevanje fizikalnih lastnosti različnih materialov pri nizkih temperaturah. Seveda je bila ena od točk programa tudi merjenje električne upornosti materiala. Mnogi znanstveniki tistega časa so predlagali, da bi kovine pri zelo nizkih temperaturah postale dielektriki. Prosti elektroni naj bi tako upočasnili svoje gibanje, da se bodo »prilepili« na ione in ne bodo mogli prenašati elektrike. Ampak fizika je znanost, najprej eksperimentalna! Eksperimenti Heike Kamerlingh Onnes so pokazali, da se odpornost platine ne poveča z nižanjem temperature, ampak se zmanjša in po 4K ostane nespremenjena. Znanstvenik je domneval, da bi se moral upor nagibati k ničli, ker ioni ustavijo svoje nihajno gibanje in "ne motijo" gibanja prostih elektronov. Ko je ugotovil, da platina vsebuje majhne primesi, se je odločil preizkusiti živo srebro, najbolj prečiščeno kovino, ki jo je imel.

8. aprila 1911 je skupina Heike Kamerlingh Onnes s pomočnikoma Cornelisom Dorsmanom in Gillesom Holstom preizkusila delovanje novega kriostata (naprava za vzdrževanje nizkih temperatur v dani prostornini). Sprva so mislili le, da bi ga napolnili s tekočim helijem, potem pa so vgradili plinski termometer ter dva vzorca zlata in živega srebra, da bi izmerili njuno upornost. Ko smo izmerili odpornost kovin pri 4,3 K, smo se odločili, da tlak v kriostatu znižamo preko helija. Helij je začel hitro izhlapevati in temperatura je padla na 3K. Eksperiment je trajal že 9 ur! Pri ponovnem merjenju se je izkazalo, da je upor živega srebra enak nič! Tako je bila odkrita superprevodnost!

Na fotografiji vidite znanstvenikov zgodovinski zapis tistega dne. Uokvirjeno Nizozemski izraz je vzet Kwik nagenoeg nul— »Odpornost živega srebra je skoraj enaka nič« (3 K). Naslednja ponudba Herhaald je srečal gouda pomeni "Ponovljeno z zlatom".

Kritična temperatura za prehod živega srebra v superprevodno stanje tisti dan ni bila določena in taka naloga ni bila postavljena. To so ugotovili v naslednjem poskusu, izvedenem 11. maja. Kamerlingh Onnes je nato prišel do zaključka, da živo srebro postane superprevodnik, ko se ohladi na 4,2 K.

Kasneje so se odkritja vrstila eno za drugim. Leta 1912 so odkrili še dva superprevodnika - svinec in kositer. Leta 1914 so ugotovili, da močno magnetno polje uniči superprevodnost. Istega leta je bil izveden spektakularen eksperiment s superprevodnim svinčenim obročem. V njem so za kratek čas sprožili tok, nato pa opazovali njegovo kroženje več ur brez najmanjšega slabljenja. Prstan sam postane magnet.

Leta 1919 je iz Leidna prišla novica, da tudi talij in uran postajata superprevodnika.

Razložena superprevodnost

Pojav superprevodnosti je nemogoče razložiti z vidika klasične elektrodinamike. Šele z razvojem kvantne fizike leta 1957 (46 let po odkritju!) so trije ameriški fiziki - Bardeen, Cooper in Schrieffer - pojasnili superprevodnost s parjenjem elektronov, torej nastajanjem Cooperjevih parov, ki se izvaja zaradi izmenjava nihanja kristalne celice – fononov.

Da bi razumeli, kako nastanejo Cooperjevi pari, razmislite o zelo poenostavljenem modelu tokovnega toka v superprevodniku.

Rdeči krogi označujejo pozitivne ione kristalne mreže.

Ko se elektron A premika skozi mrežni prostor pod vplivom električnega polja, le-to rahlo upogne. Posledično se poveča koncentracija pozitivnih ionov za njim. Grozd pozitivnih ionov privlači negativni elektron B s silo F. Posledično se energija, ki jo je elektron A porabil za prehod skozi ionsko kristalno mrežo, preko mrežnih vibracij prenese na elektron B. Izkaže se, da sta elektrona A in B povezana z drug drugega skozi ionsko mrežo, tvorita par in skupaj ne trošita energije pri gibanju. Trenutni upor je v tem primeru enak nič.

Uporaba superprevodnikov

Sodobna znanost je že pridobila materiale, ki kažejo superprevodnost pri 165 K (minus 107 0 C). Če bodo pridobljeni materiali, ki bodo pri sobni temperaturi superprevodni, bo to velik preskok v razvoju človeštva. Navsezadnje tretjino električne energije porabimo med njenim prenosom od vira do porabnika. Medtem je treba superprevodnike hladiti s tekočim dušikom.

Po drugi strani pa si brez njih že težko predstavljamo delo velikega hadronskega trkalnika v CERN-u in gradnjo termonuklearnega reaktorja ITER v Cadaracheju.

Za superprevodnost je značilen tudi Meissnerjev učinek, ki je sestavljen iz popolnega izpodrivanja magnetnega polja iz prostornine superprevodnika. Kot rezultat, vzorec, kot je razvidno iz fotografije, lebdi nad magnetom.

Na podlagi tega pojava so že bili ustvarjeni magnetni levitacijski vlaki, ki lahko pospešijo do hitrosti 500 km/h.

Zmogljivi superprevodniški magneti se v medicini uporabljajo za izdelavo tomografov po principu jedrske magnetne resonance (NMR). Skeniranje človeškega tkiva omogoča zdravnikom, da vidijo prerez notranjosti na računalniškem zaslonu, ne da bi bolnika operirali. Ta metoda vam omogoča hitro postavitev pravilne diagnoze, kar pomeni, da lahko bolnika hitreje pozdravite.

Sodobna kvantna teorija superprevodnosti bistveno ne omejuje temperature, pri kateri se opazi ta učinek. Gre torej za ustvarjanje novih materialov in spojin, ki jih boste morda odkrili v bližnji prihodnosti.

Leta 1911 je nizozemski fizik H. Kamerlingh-Onnes odkril pojav superprevodnosti. Izmeril je električni upor živega srebra pri nizkih temperaturah. Onnes je želel ugotoviti, kako nizek bi lahko postal upor snovi proti električnemu toku, če bi snov čim bolj očistili nečistoč in čim bolj zmanjšali »toplotni šum«, tj. znižati temperaturo.

Rezultat te študije je bil nepričakovan: pri temperaturah pod 4,15 K je odpornost skoraj v trenutku izginila. Graf tega vedenja odpornosti kot funkcije temperature je prikazan na sl. 1.

Električni tok je gibanje nabitih delcev. Že takrat je bilo znano, da je električni tok v trdnih snoveh tok elektronov. So negativno nabiti in veliko lažji od atomov, ki sestavljajo katero koli snov.

Vsak atom je sestavljen iz pozitivno nabitega jedra in elektronov, ki medsebojno delujejo z njim in drug z drugim v skladu s Coulombovim zakonom. Vsak atomski elektron zaseda določeno "orbito". Bližje kot je »orbita« jedru, močneje jo privlači elektron, več energije je potrebno, da se tak elektron odtrga od jedra. Nasprotno, elektroni, ki so najbolj oddaljeni od jedra, se najlažje ločijo od jedra, čeprav tudi to zahteva energijo.

Zunanji elektroni se imenujejo valenčni elektroni. V snoveh, imenovanih kovine, se dejansko ločijo od atomov, ko se združijo v trdno snov in tvorijo plin skoraj prostih elektronov. To je preprosta, lepa in pogosto pravilna fizična slika: kos snovi je kot posoda, v kateri je »plin« elektronov (slika 2).

Če ustvarimo električno polje - na preučevano snov dodamo napetost, se bo v elektronskem plinu pojavil veter, kot da bi bil pod vplivom razlike v tlaku. Ta veter je električni tok.

Kovine

Vse snovi ne prevajajo dobro elektrike. V dielektrikih ostanejo valenčni elektroni "vezani" na svoje atome in jih ni tako enostavno pripraviti do premikanja skozi celoten vzorec.

Precej težko je razložiti, zakaj se nekatere snovi izkažejo za kovine, druge pa za dielektrike. Odvisno je od tega, iz katerih atomov so sestavljeni in kako so ti atomi razporejeni. Včasih so možne transformacije, ko se spremeni razporeditev atomov, na primer pod vplivom pritiska se atomi zbližajo in dielektrik postane kovina.

Skozi dielektrike tok ne teče, vendar se elektroni tudi v kovinah ne gibljejo popolnoma prosto. Naletijo na atomska »jedra«, od katerih so se »odcepila«, in se raztresejo po njih. V tem primeru pride do trenja ali, kot pravijo, električni tok doživi upor.

S superprevodnostjo upor izgine in postane enak nič, tj. gibanje elektronov poteka brez trenja. Medtem pa izkušnje našega vsakdanjega življenja kažejo, da se zdi, da je takšno gibanje nemogoče.

Delo fizikov je desetletja usmerjeno v razrešitev tega protislovja.

Odkrita lastnost je tako nenavadna, da imenujemo kovine, ki imajo odpornost, v nasprotju s superprevodniki normalno.

Odpornost

Električna upornost kosa kovine (na primer žice) se meri v ohmih in je določena z velikostjo in materialom vzorca. V formuli

R = ρ × l / S

R- odpornost, l— dolžina (velikost vzorca v smeri toka), S— presek vzorca. Ko smo napisali takšno formulo, se zdi, da še naprej primerjamo elektrone s plinom: širša in krajša je cev, lažje je pihati plin skozi njo.

Vrednost ρ — upornost, ki označuje lastnosti materiala, iz katerega je izdelan vzorec.

Za čisti baker pri sobni temperaturi ρ = 1,75·10 -6 Ohm cm.

Baker je ena izmed najbolj prevodnih kovin in se pogosto uporablja za izdelavo električnih žic. Nekatere druge kovine slabše prevajajo elektriko pri sobni temperaturi:

Za primerjavo navajamo upornost nekaterih dielektrikov, tudi pri sobni temperaturi:

Ko temperatura pade T Upornost bakra se postopoma zmanjšuje in pri temperaturi nekaj kelvinov znaša 10 -9 Ohm cm, vendar baker ne postane superprevodnik. In aluminij, svinec, živo srebro preidejo v superprevodno stanje in poskusi, opravljeni z njimi, kažejo, da upornost superprevodnika v nobenem primeru ne presega 10 -23 Ohm cm - sto trilijonov krat manj kot pri bakru!

Preostala odpornost

Upornost kovine je odvisna od temperature. Pogojni graf ρ( T), recimo za baker, vidite na sl. 3. Višja kot je temperatura, večji je upor, bolj atomska "jedra", ki sestavljajo kovino, vibrirajo in večjo motnjo povzročajo električnemu toku. Če, nasprotno, temperaturo približamo absolutni ničli, se bo upor vzorca "nagibal" k ρ 0 - preostali upor. Preostala odpornost je odvisna od popolnosti in sestave vzorca. V kateri koli snovi so tuji atomi nečistoč, pa tudi vse vrste drugih napak. Manj kot je napak v vzorcu, manjši je preostali upor. Ta odvisnost je leta 1911 zanimala Onnesa. Sploh ni iskal "superprevodnosti", ampak je poskušal ugotoviti, kako majhen bi preostali upor lahko naredili s čiščenjem vzorca. Izvajal je poskuse z živim srebrom, ker je bilo takrat živo srebro mogoče pripeljati do višje stopnje čistosti kot platina, zlato ali baker (te kovine so boljši prevodniki kot živo srebro in Onnes jih je preučeval pred odkritjem superprevodnosti. Niti zlato niti platina, niti baker je "superprevoden").

Kritična temperatura

Superprevodnost se pojavi nenadoma, ko se temperatura zniža. Temperatura T c, pri doseganju katerega pride do skoka, se imenuje kritičen. Natančna študija kaže, da je tak prehod opazen v določenem temperaturnem območju (slika 4). Trenje gibajočih se elektronov izgine ne glede na »čistost« vzorca, a »čistejši« kot je vzorec, močnejši je skok upora, njegova širina v »najčistejših« vzorcih je manjša od stotinke stopinje. V tem primeru govorimo o "dobrih" vzorcih ali superprevodnikih; v "slabih" vzorcih lahko širina prehoda doseže več deset stopinj. (To seveda velja za tako imenovane visokotemperaturne superprevodnike, pri katerih T c doseže stotine kelvinov.)

Kritična temperatura je za vsako snov drugačna. Ta temperatura in leto odkritja superprevodnosti (natančneje, leto objave članka o tem) sta prikazana na sl. 5 za nekaj čistih elementov. Niobij ima najvišjo (pri atmosferskem tlaku) kritično temperaturo od vseh elementov v periodnem sistemu D. I. Mendelejeva, čeprav ne presega 10 K.

Onnes ni le odkril superprevodnosti živega srebra, kositra in svinca, temveč je našel tudi prve superprevodne zlitine – zlitine živega srebra z zlatom in kositrom. Od takrat se je to delo nadaljevalo, vse več novih spojin je bilo testiranih na superprevodnost, razred superprevodnikov pa se je postopoma razširil.

Nizke temperature

Raziskave superprevodnosti so napredovale zelo počasi. Za opazovanje pojava je bilo treba kovine ohladiti na nizke temperature, kar pa ni tako enostavno. Vzorec mora biti stalno ohlajen, za kar se postavi v hladilno tekočino. Vse tekočine, ki jih poznamo iz vsakdanjih izkušenj, pri nizkih temperaturah zmrznejo in se strdijo. Zato je potrebno snovi, ki so plini, utekočiniti pri sobnih pogojih. Na sl. Navedenih je 6 temperatur vrelišča T b in taljenje T m pet snovi (pri atmosferskem tlaku).

Če znižate temperaturo pod T b , snov se utekočini in spodaj T m se strdi. (Helij pri atmosferskem tlaku ostane tekoč do temperature absolutne ničle.) Za naše namene lahko torej katero koli od teh snovi uporabimo med T b in T m. Do leta 1986 je najvišja znana kritična temperatura superprevodnosti komaj presegla 20 K, zato pri proučevanju superprevodnosti ni bilo mogoče brez tekočega helija. Dušik se pogosto uporablja tudi kot hladilno sredstvo. V zaporednih stopnjah hlajenja se uporabljata dušik in helij. Obe snovi sta nevtralni in varni.

Utekočinjenje helija je že samo po sebi zelo zanimiv in fascinanten problem, z reševanjem katerega so se na prelomu 19. in 20. stoletja ukvarjali številni fiziki. Onnes je dosegel svoj cilj leta 1908. Posebej za to je ustvaril laboratorij v Leidnu (Nizozemska). Laboratorij je imel 15 let monopol nad edinstvenimi raziskavami v novem temperaturnem območju. V letih 1923-1925. Tekoči helij so se učili proizvajati še v dveh laboratorijih na svetu – v Torontu in Berlinu. V Sovjetski zvezi se je takšna oprema pojavila v zgodnjih tridesetih letih prejšnjega stoletja. na Inštitutu za fiziko in tehnologijo v Harkovu.

Po drugi svetovni vojni se je v številnih državah postopoma razvila cela industrija za oskrbo laboratorijev s tekočim helijem. Pred tem je bilo vse "samopostrežno". Tehnične težave in fizikalna zapletenost pojava so povzročile, da se je znanje o superprevodnosti nabiralo zelo počasi. Le 22 let po prvem odkritju je bila odkrita druga temeljna lastnost superprevodnikov.

Meissnerjev učinek

O njegovem opazovanju sta leta 1933 poročala nemška fizika W. Meissner in R. Ochsenfeld.

Doslej smo izginotje električnega upora imenovali superprevodnost. Vendar je superprevodnost bolj zapletena kot preprosto odsotnost upora. To je tudi določena reakcija na zunanje magnetno polje. Meissnerjev učinek je, ko konstantno, ne premočno magnetno polje potisnemo iz superprevodnega vzorca. V debelini superprevodnika je magnetno polje oslabljeno na nič; superprevodnost in magnetizem lahko imenujemo tako rekoč nasprotni lastnosti.

Pri iskanju novih superprevodnikov se testirata obe glavni lastnosti superprevodnosti:

v superprevodniku električni upor izgine;
Iz superprevodnika se potisne magnetno polje.

V nekaterih primerih je lahko v "umazanih" superprevodnikih padec upora s temperaturo veliko daljši, kot je prikazano na sliki 2. 1 za živo srebro. V zgodovini raziskovanja se je večkrat zgodilo, da so fiziki za superprevodnost zamenjali padec upora iz kakšnega drugega razloga, na primer zaradi navadnega kratkega stika.

Da bi dokazali obstoj superprevodnosti, je treba opazovati manifestacije vsaj obeh njenih glavnih lastnosti. Zelo impresiven poskus, ki dokazuje prisotnost Meissnerjevega učinka, je predstavljen na sliki 1. 7: Trajni magnet lebdi nad superprevodno skodelico. Prvič je tak eksperiment leta 1945 izvedel sovjetski fizik V. K. Arkadjev.

V superprevodniku nastanejo tokovi, ki potiskajo magnetno polje, njihovo magnetno polje odbija trajni magnet in kompenzira njegovo težo. Pomembne so tudi stene skodelice, ki magnet potiskajo proti sredini. Nad ravnim dnom je položaj magneta nestabilen; zaradi naključnih sunkov se bo premaknil vstran. Ta lebdeči magnet spominja na legende o levitaciji. Najbolj znana legenda je o grobnici verskega preroka. Krsta, postavljena v votlino, je lebdela v zraku brez vidne podpore. Zdaj je nemogoče z gotovostjo trditi, ali takšne zgodbe temeljijo na resničnih pojavih. Zdaj je tehnično mogoče "uresničiti legendo" z uporabo Meissnerjevega učinka.

Magnetno polje

Sodobna fizika uporablja koncept polja za opis vpliva enega telesa na drugo na daljavo, brez neposrednega stika. Tako naboji in tokovi medsebojno delujejo skozi elektromagnetno polje. Vsakdo, ki je študiral zakone elektromagnetnega polja, pozna vizualno podobo polja - sliko njegovih silnic. To sliko je prvi uporabil angleški fizik M. Faraday. Zaradi jasnosti je koristno spomniti se še ene slike polja, ki jo je uporabil drug angleški fizik - J. C. Maxwell.

Predstavljajte si, da je polje gibljiva tekočina, kot je voda, ki teče vzdolž smeri silnic polja. Poskusimo z njegovo pomočjo opisati interakcijo nabojev po Coulombovem zakonu. Naj bo bazen, zaradi preprostosti, raven in plitev, njegov pogled od zgoraj je prikazan na sl. 8. Na dnu sta dve luknji: skozi eno voda vstopa v bazen (to je kot pozitiven naboj), skozi drugo pa odteka (to je odtok ali negativni naboj). Voda, ki teče v takem bazenu, predstavlja električno polje dveh stacionarnih nabojev. Voda je prozorna, njen tok pa nam je neopazen. Toda v curke vpeljimo "testni pozitivni naboj" - kroglico na vrvici. Takoj bomo začutili silo – tekočina nosi kroglico s seboj.

Voda odnese žogo stran od vira - tako kot se naboji odbijajo. Žogico privlači odtok ali naboj drugačnega predznaka, sila med nabojema pa je odvisna od razdalje med njima, kot zahteva Coulombov zakon.

Tokovi in polja v superprevodnikih

Da bi razumeli obnašanje tokov in polj v superprevodnikih, se morate spomniti zakona magnetne indukcije. Zdaj je za naše namene bolj uporabno dati bolj splošno formulacijo kot v šolskem tečaju fizike. Zakon magnetne indukcije pravzaprav govori o razmerju med električnim in magnetnim poljem. Če si elektromagnetno polje predstavljamo kot tekočino, potem lahko razmerje med električno in magnetno komponento polja predstavimo kot razmerje med mirnim (laminarnim) in vrtinčnim tokom tekočine. Vsak od njih lahko obstaja sam zase. Naj imamo na primer pred seboj miren širok tok - enakomerno električno polje. Če poskušate spremeniti to polje, tj. Kot da bi upočasnili ali pospešili tekočino, se bodo zagotovo pojavili vrtinci - magnetno polje. Sprememba magnetnega polja vedno vodi do pojava električnega polja, električno polje pa inducira tok v prevodnem vezju, to je običajen pojav magnetne indukcije: sprememba magnetnega polja inducira tok. Ta fizikalni zakon deluje v vseh elektrarnah na svetu, tako ali drugače povzroča spremembe v magnetnem polju v prevodniku. Nastalo električno polje ustvarja tok, ki teče v naše domove in industrijske obrate.

A vrnimo se k superprevodnikom. Enosmerni tok v superprevodniku ne zahteva prisotnosti električnega polja, v ravnotežni situaciji pa je električno polje v superprevodniku nič. Takšno polje bi pospešilo elektrone, vendar ni upora ali trenja, ki bi uravnotežilo pospešek v superprevodnikih. Poljubno majhno konstantno električno polje bi povzročilo neskončno povečanje toka, kar je nemogoče. Električno polje nastane le v nesuperprevodnih delih vezja. Tok teče v superprevodnikih brez padca napetosti.

Miselno razmišljanje ne razkrije ničesar, kar bi lahko preprečilo obstoj magnetnega polja v superprevodniku. Vendar je jasno, da bo superprevodnik preprečil spreminjanje magnetnega polja. Dejansko bi sprememba magnetnega polja ustvarila tok, ki bi ustvaril magnetno polje, ki bi nadomestilo prvotno spremembo.

Torej mora vsako superprevodniško vezje vzdrževati magnetno polje, ki teče skozenj. (Magnetni tok skozi zanko je preprosto produkt jakosti magnetnega polja in površine zanke.)

Enako bi se moralo zgoditi v debelini superprevodnika. Na primer, če približamo magnet superprevodnemu vzorcu, njegovo magnetno polje ne more prodreti skozi superprevodnik. Vsak tak "poskus" povzroči nastanek toka v superprevodniku, katerega magnetno polje kompenzira zunanje polje. Posledično v debelini superprevodnika ni magnetnega polja in po površini teče točno tolikšen tok, ki je za to potreben. V debelini navadnega prevodnika, ki ga vpeljemo v magnetno polje, se vse dogaja popolnoma enako, le da je tam upor in inducirani tok precej hitro upade, njegova energija pa se zaradi trenja spremeni v toploto. (To toploto je zelo enostavno eksperimentalno zaznati: približajte roko delujočemu transformatorju in začutili boste toploto, ki izhaja iz njega.) V superprevodniku ni upora, tok ne ugasne in ne "pusti" magnetno polje za poljubno dolgo časa. Opisana slika je točna in večkrat potrjena z izkušnjami.

Zdaj pa izvedimo še en miselni poskus. »Vzemimo« isti kos superprevodne snovi, vendar pri dovolj visoki temperaturi, ko je še v normalnem stanju. Pripeljemo ga v magnetno polje in počakamo, da se vse umiri, tokovi ugasnejo - snov prežema magnetni tok. Znižali bomo temperaturo in počakali, da snov preide v superprevodno stanje. Zdi se, da znižanje temperature ne bi smelo vplivati na vzorec magnetnega polja. Magnetni tok v superprevodniku se ne sme spreminjati. Če odstranite magnet - vir zunanjega magnetnega polja, se mora superprevodnik temu upreti in na površini se morajo pojaviti superprevodni tokovi, ki ohranjajo magnetno polje znotraj snovi.

Vendar je to vedenje popolnoma v nasprotju s tem, kar smo opazili eksperimentalno: v tem primeru se bo pojavil tudi Meissnerjev učinek. Če normalno kovino ohladite v magnetnem polju, potem ko preide v superprevodno stanje, se magnetno polje potisne iz superprevodnika. Hkrati se na njegovi površini pojavi neprekinjen tok, ki zagotavlja ničelno magnetno polje v debelini superprevodnika. Opisana slika superprevodnega stanja je opazna vedno, ne glede na to, kako se izvede prehod v to stanje.

Seveda je ta opis skrajno idealiziran in ga bomo zapletali, ko bo predstavitev napredovala. Zdaj pa je vredno omeniti, da obstajata dve vrsti superprevodnikov, ki različno reagirata na magnetno polje. Začeli smo govoriti o lastnostih superprevodnikov tipa I, z odkritjem katerih se je začela superprevodnost. Kasneje so odkrili superprevodnike tipa II z nekoliko drugačnimi lastnostmi. Povezani so predvsem s praktičnimi aplikacijami superprevodnosti.

Idealni diamagnetizem

Iztiskanje magnetnega polja je za fizike prav tako presenetljivo kot odsotnost upora. Dejstvo je, da konstantno magnetno polje običajno prodre povsod. Ozemljena kovina, ki ščiti električno polje, ga ne moti. V večini primerov meja telesa za magnetno polje ni stena, ki omejuje njegov "tok", temveč majhna stopnica na dnu bazena, ki spreminja globino in rahlo vpliva na ta "tok". Moč magnetnega polja v snovi se spremeni za stotinke ali tisočinke odstotka v primerjavi z njeno jakostjo zunaj (z izjemo magnetnih snovi, kot so železo in drugi feromagneti, kjer se zunanjemu doda veliko notranje magnetno polje). V vseh drugih snoveh je magnetno polje bodisi rahlo okrepljeno - in takšne snovi imenujemo paramagnetne, bodisi rahlo oslabljeno - takšne snovi imenujemo diamagnetne.

V superprevodnikih je magnetno polje oslabljeno na nič, so idealni diamagnetni materiali.

Samo zaslon stalno vzdrževanih tokov ne more "prepustiti" magnetnega polja. Superprevodnik sam ustvari takšen zaslon na svoji površini in ga vzdržuje poljubno dolgo. Zato Meissnerjev učinek ali idealni diamagnetizem superprevodnika ni nič manj presenetljiv kot njegova idealna prevodnost.

Na sl. Slika 9 približno prikazuje, kaj se zgodi s kovinsko kroglico, ko se temperatura spremeni T in uporaba magnetnega polja H(črte magnetnega polja so označene s puščicami, ki prebadajo ali tečejo okoli vzorca). Kovina v normalnem stanju je označena z modro; če kovina preide v superprevodno stanje, se barva spremeni v zeleno. Za primerjavo na sl. 9, V prikazuje, kako bi se obnašal idealen prevodnik (označen s črkama IC) - kovina brez Meissnerjevega učinka z ničelnim uporom (če bi obstajal). Ta pogoj je označen z rdečo barvo.

riž. 9. Meissnerjev učinek:

A- normalni prevodnik z neničelnim uporom pri kateri koli temperaturi (1) se vnese v magnetno polje. V skladu z zakonom elektromagnetne indukcije nastanejo tokovi, ki se upirajo prodiranju magnetnega polja v kovino (2). Če pa je upor različen od nič, hitro propadejo. Magnetno polje prodre skozi vzorec običajne kovine in je skoraj enakomerno (3);

b- iz normalnega stanja pri temperaturi nad T c obstajata dva načina: Prvič: ko se temperatura zniža, vzorec preide v superprevodno stanje, nato se lahko uporabi magnetno polje, ki se potisne iz vzorca. Drugič: najprej uporabite magnetno polje, ki prodre v vzorec, in nato znižajte temperaturo, nato pa bo polje med prehodom potisnjeno ven. Izklop magnetnega polja daje isto sliko;

V- če ne bi bilo Meissnerjevega učinka, bi se prevodnik brez upora obnašal drugače. Pri prehodu v stanje brez upora v magnetnem polju bi ohranil magnetno polje in bi ga obdržal tudi, ko bi zunanje magnetno polje odstranili. Takšen magnet bi bilo mogoče razmagnetiti le s povišanjem temperature. Vendar tega vedenja eksperimentalno niso opazili.

Malo zgodovine

V naslednjem poglavju bomo podrobneje govorili o neverjetnih lastnostih superprevodnikov, to poglavje pa bi radi zaključili z navedbo najpomembnejših del, ki so jih opravili fiziki med študijem superprevodnosti.

Najprej so to že omenjena odkritja H. Kamerlingha Onnesa (1911) ter W. Meissnerja in R. Ochsenfelda (1933). Prvo teoretično razlago obnašanja superprevodnika v magnetnem polju sta v Angliji (1935) predlagala nemška fizika F. London in G. London, ki sta emigrirala iz Nemčije. Leta 1950 sta L. D. Landau in eden od avtorjev te knjige napisala članek, v katerem sta zgradila bolj splošno teorijo superprevodnosti. Ta opis se je izkazal za priročnega in se uporablja še danes; imenujemo ga Ginzburg–Landauova teorija ali ψ teorija superprevodnosti.

Mehanizem pojava so leta 1957 odkrili ameriški fiziki J. Bardeen, L. Cooper in J. Schrieffer. Glede na velike začetnice njihovih imen se ta teorija imenuje teorija BCS, sam mehanizem (zanj je bistveno parno obnašanje elektronov) pa se pogosto imenuje "Cooperjevo združevanje", saj je njegovo idejo izumil L. Cooper. Za razvoj fizike superprevodnosti je imela pomembno vlogo ugotovitev obstoja dveh vrst superprevodnikov - tipa I in II. Živo srebro in številni drugi superprevodniki so superprevodniki tipa I. Superprevodniki tipa II so večinoma zlitine dveh ali več elementov. Delo L. V. Shubnikova in njegovih kolegov v Harkovu v tridesetih letih prejšnjega stoletja je imelo pomembno vlogo pri odkritju superprevodnosti tipa II. in A. A. Abrikosov v petdesetih letih prejšnjega stoletja.

Poleg tega so imela velik vpliv odkritja in raziskave v petdesetih letih. spojine z relativno visokimi kritičnimi temperaturami, ki lahko prenesejo zelo visoka magnetna polja in prepuščajo tokove visoke gostote v superprevodnem stanju. Morda so bili vrhunec teh študij poskusi J. Künzlerja in njegovih sodelavcev (1960). Dokazali, da Nb 3 Sn žica pri T= 4,2 K v polju 88.000 Oe (močnejšega polja preprosto niso imeli na razpolago) prehaja tok z gostoto 100 tisoč A/cm 2 . Takrat odkriti superprevodniki še vedno delujejo v tehničnih napravah. Takšni materiali so zdaj razvrščeni kot poseben razred superprevodnikov, ki se imenujejo "trdi superprevodniki".

Leta 1962 je angleški fizik B. Josephson teoretično napovedal povsem nenavadne pojave, ki naj bi se zgodili na stikih superprevodnikov. Te napovedi so bile nato v celoti potrjene, same pojave pa so poimenovali šibka superprevodnost ali Josephsonovi učinki in hitro našli praktično uporabo.

Končno je članek (1986) v Zürichu delujočih fizikov, Švicarja A. Müllerja in Nemca G. Bednorza, zaznamoval odkritje novega razreda superprevodnih snovi - visokotemperaturnih superprevodnikov - in sprožil plaz novih raziskav. v tem območju.

Stopinje Kelvinove lestvice običajno označujemo z veliko črko K, enake so običajnim stopinjam Celzija, vendar se štejejo od temperature absolutne ničle. Na Celzijevi lestvici je temperatura absolutne ničle -273,16°C, torej je omenjena temperatura 4,15 K enaka -269,01°C. V nadaljevanju bomo poskušali podati zaokrožene vrednosti.

Slika nastanka električnega upora je seveda bolj kompleksna in si jo bomo podrobneje ogledali kasneje.

Metoda "destilacije", podobna postopku destilacije vode.

Leta 1911 je nizozemski znanstvenik Kamerlingh Onnes med preučevanjem električne prevodnosti živega srebra pri zelo nizkih temperaturah odkril zanimiv pojav – superprevodnost. Pojav superprevodnosti je, da živo srebro, svinec, cink, aluminij in nekatere druge kovine, ko se globoko ohladijo na zelo nizko temperaturo, nenadoma pri 2-8 ° K popolnoma izgubijo odpornost na električni tok.

Električni upor se gladko zmanjšuje z nižanjem temperature in običajno v območju zelo nizkih temperatur

z določenim pojemkom (slika 97). Toda pri nekaterih kovinah se pri temperaturi, značilni za vsako od njih - na "točki pretvorbe v superprevodnik" - upor nenadoma nenadoma zmanjša za vsaj deset milijard krat, verjetno dokler popolnoma ne izgine (slika 98). V vsakem primeru se kljub izjemni občutljivosti uporabljenih merilnih metod izkaže, da je električni upor v superprevodnem stanju nezaznavno majhen in morda enak nič.

riž. 97. Običajna narava odvisnosti upora od temperature v območju nizkih temperatur.

riž. 98. Skok pri izginotju upora za superprevodnik.

Ko skozi tanko svinčeno žico v stanju superprevodnosti teče tok tisoče amperov na kvadratni centimeter, med koncema žice ni opaziti padca potenciala. Prav tako ni opaznega ustvarjanja toplote iz toka.

Tok, ko je enkrat vzbujen v zaprtem superprevodnem obroču, ne zmanjša vrednosti več deset ur - dokler se ohranja stanje globokega hlajenja, ki zagotavlja superprevodnost.

Prehod v stanje superprevodnosti ne spremljajo nenadne spremembe drugih lastnosti kovine (razen magnetnih). Raziskave Keesoma in de Haasa so pokazale, da prehod v stanje superprevodnosti ni povezan s spremembami v strukturi kristalne mreže. Ugotovljeno je bilo, da v trenutku superprevodnosti (v nemagnetizirani kovini) ni sproščanja ali absorpcije toplote; koeficient toplotnega raztezanja se ne spremeni; le toplotna kapaciteta (pri nizkih temperaturah zelo majhna) doživi majhen skok v smeri povečanja.

Poskusi, ki jih je izvedel Schoenberg (1937), so pokazali, da lahko intenzivna magnetizacija superprevodnika uniči njegovo superprevodnost. Ta okoliščina nalaga omejitev dovoljene gostote toka v superprevodniku: magnetno polje previsokega toka povzroči izginotje superprevodnosti. Vendar, ko se tok zmanjša ali ko več

Po globokem ohlajanju se ponovno vzpostavi stanje superprevodnosti.

Številne študije so pokazale, da v popolnoma čisti kovini v stanju superprevodnosti ves tok prehaja skozi površino kovine, sama kovina pa postane neprepustna za magnetna in električna polja. Tako se je izkazalo, da je izraz "superprevodnost" mogoče obravnavati kot celo geometrijski pomen, in sicer pomen takšnega stanja kovine, ko tok prehaja "nad" (ali "na vrhu") kovine, ne da bi prodrl znotraj. Seveda se fizikalne in kemične lastnosti kovine ne manifestirajo v obliki odpornosti proti toku, ki teče "na vrhu" kovine. A to seveda še vedno ne pojasni bistva pojava.

Subtilne poskuse izvaja dopisni član. Akademija znanosti ZSSR A.I. Shalnikov je dokazal, da je globina prodiranja magnetnega polja v superprevodnik desettisočinke milimetra. Poznejši poskusi A. I. Shalnikova (1947) so odkrili, da prehod v superprevodnost kosa kovine med globokim ohlajanjem poteka skozi vmesno stanje, ko (v skladu s teorijo, ki jo je razvil akademik L. D. Landau) kovina razdeljena na tanke plasti superprevodnosti, izmenjujejo se s plastmi normalne prevodnosti.

Pojav superprevodnosti so odkrili v 23 kovinah in številnih zlitinah. Temperature, pri katerih kovina, ko se ohladi, nenadoma pokaže superprevodnost - točko pretvorbe v superprevodnik - so podane za nekatere kovine v tukaj vključeni tabeli.

Točke pretvorbe v superprevodnik na absolutni temperaturni skali

(glej skeniranje)

riž. 99 prikazuje, kako pride do padca upora, ko kovino ohladimo do te mere, da postane superprevodnik.

Kovine, ki ob globokem ohlajanju postanejo superprevodniki, nikakor niso najboljši prevodniki pri sobni temperaturi. Nasprotno, najboljši prevodniki so bakreni,

srebro in zlato - stanje superprevodnosti ni bilo zaznano, kljub dejstvu, da sta bila ohlajena na temperature zelo blizu absolutne ničle,

Vse kovine, ki se po globokem ohlajanju spremenijo v superprevodnike, tvorijo kompaktno skupino v periodičnem sistemu elementov D. I. Mendelejeva, ki je prikazan na sliki 2. 100 uokvirjeno.

riž. 99. Temperaturna sprememba upornosti kovin blizu absolutne ničle (superprevodnost).

riž. 100. Položaj superprevodnih elementov v periodnem sistemu Mendelejeva. Številke pod simboli elementov so temperature prehoda v superprevodno stanje.

Pojav superprevodnosti opazimo tudi pri mnogih zlitinah. Zanimivo je, da superprevodne zlitine pri nizkih temperaturah niso le zlitine superprevodnih kovin, ampak tudi nekatere zlitine s prevladujočo kovino, ki v svoji čisti obliki ne kaže superprevodnosti. Obstajajo celo superprevodne zlitine in spojine, ki so v celoti sestavljene iz elementov, ki ne spadajo med superprevodnike. To so zlitine bizmuta in zlata, molibdenovih in volframovih karbidov.Polprevodnik pri 1,6 K postane superprevodnik.

Najvišje točke prehoda v stanje superprevodnosti imajo: niobijev niobijev karbid zlitina kositra in niobija, najvišjo točko pa niobijev nitrid.

Skoraj pol stoletja je bil fenomen superprevodnosti slabo razumljen. Šele leta 1957 je ameriškim fizikom Bardeenu, Cooperju, Schrieferju in v popolnejši obliki akademiku Nikolaju Nikolajeviču Bogoljubovu končno uspelo ustvariti zadovoljivo teorijo superprevodnosti.

Izkazalo se je, da je superprevodnost v mnogih pogledih razložena podobno kot pojav superfluidnosti tekočin. Kot je bilo omenjeno v zvezku I na strani 367, je superfluidnost opažena v tekočem heliju II pri temperaturah pod 2,18 °; tekoči helij ima zaradi superfluidnosti nenavadno visoko toplotno prevodnost (skoraj milijon in pol krat večjo od vode, dva tisoč krat večja kot baker pri sobni temperaturi).

V enem od svojih člankov (1958) N. N. Bogolyubov piše:

»...Nastala je naslednja slika gibanja superfluidne tekočine: v nasprotju z gibanjem navadne tekočine ali plina, v katerem se posamezni delci gibljejo naključno, kaže gibanje superfluidne tekočine visoko stopnjo urejenosti. To je posledica dejstva, da delci superfluidne tekočine močno medsebojno delujejo. Ta interakcija je še posebej močna pri delcih z nasprotno usmerjenimi hitrostmi. Pravilno upoštevanje te interakcije je bila posebna težava pri ustvarjanju teorije superfluidnosti, podobno težavo je imela teorija superprevodnosti ...

Doslej je v fiziki veljalo splošno mnenje, da globoka podobnost v obnašanju sistema, sestavljenega iz atomov helija, in sistema, sestavljenega iz elektronov, ni mogoča. Dejstvo je, da so statistične lastnosti teh delcev, ki določajo obnašanje sistemov, sestavljenih iz njih, zelo različne: helijeva jedra se podrejajo Bosejevi statistiki, elektroni pa Fermijevi statistiki.

Splošno sliko obnašanja elektronov v superprevodnem stanju si lahko predstavljamo takole. Prosti elektroni kovine tvorijo v tem stanju povezan »kolektiv«, po svojih lastnostih podoben tistemu, ki ga v teoriji superfluidnosti imenujemo kondenzat ... Gibanje takega kolektiva kot celote je stabilno. Z dodatno stabilizacijo z delovanjem magnetnega polja to gibanje (električni tok v kovini) ne naleti na upor.”

N. N. Bogolyubov, ki je v prejšnjih letih izboljšal teorijo superfluidnosti tekočin, je uporabil matematično metodo, ki jo je ustvaril za analizo pogojev za nastanek in naravo gibanja omenjenega "kolektivnega kondenzata" elektronov. N. N. Bogolyubov je pokazal, da čeprav električno odbijanje elektronov preprečuje, da bi se združili v povezan »kolektiv«, je to v manjši meri, kot so verjeli Bardeen, Cooper in Schriefer. Ameriški fiziki, ki so se držali predpostavke, da so elektroni združeni v pare, so dobili številne formule za količine, ki označujejo stanje superprevodnosti; iste formule, skupaj z nekaterimi novimi sklepi, daje strožja teorija N. N. Bogolyubova.

(77 K), veliko cenejša kriogena tekočina.

Enciklopedični YouTube

1 / 5

✪ Lekcija 296. Temperaturna odvisnost odpornosti kovin. Superprevodnost

✪ Superprevodnost. Električni tok v različnih okoljih. Izobraževalni film

✪ SUPERPREVODNIK IN KVANTNA LEVITACIJA!

✪ Superprevodnost (pripoveduje fizik Boris Fain)

✪ Električna prevodnost različnih snovi | Fizika 10. razred #57 | Informativna lekcija

Podnapisi

Zgodovina odkritja

Osnova za odkritje pojava superprevodnosti je bil razvoj tehnologij za hlajenje materialov na ultranizke temperature. Leta 1877 sta francoski inženir Louis Cayette in švicarski fizik Raoul Pictet neodvisno ohladila kisik v tekoče stanje. Leta 1883 sta Zygmunt Wróblewski in Karol Olszewski izvedla utekočinjenje dušika. Leta 1898 je Jamesu Dewarju uspelo pridobiti tekoči vodik.

Leta 1893 je nizozemski fizik Heike Kamerlingh Onnes začel preučevati problem ultranizkih temperatur. Uspelo mu je ustvariti najboljši kriogenski laboratorij na svetu, v katerem je 10. julija 1908 pridobil tekoči helij. Kasneje mu je uspelo znižati temperaturo na 1 Kelvin. Kamerlingh Onnes je uporabil tekoči helij za preučevanje lastnosti kovin, zlasti za merjenje odvisnosti njihovega električnega upora od temperature. Po klasičnih teorijah, ki so obstajale v tistem času, bi moral upor gladko padati z nižanjem temperature, obstajalo pa je tudi mnenje, da bi se pri prenizkih temperaturah elektroni praktično ustavili in bi kovina popolnoma prenehala prevajati tok. Poskusi, ki jih je izvedel Kamerlingh Onnes s svojima pomočnikoma Cornelisom Dorsmanom in Gillesom Holstom, so sprva potrdili sklep o gladkem zmanjševanju odpornosti. Vendar pa je 8. aprila 1911 nepričakovano odkril, da je električni upor pri 3 Kelvinih (približno −270 °C) praktično enak nič. Naslednji poskus, izveden 11. maja, je pokazal, da do močnega padca odpornosti na ničlo pride pri temperaturi okoli 4,2 K (kasneje natančnejše meritve so pokazale, da je ta temperatura 4,15 K). Ta učinek je bil popolnoma nepričakovan in ga takrat veljavne teorije niso mogle pojasniti.

Ničelni upor ni edina značilnost superprevodnikov. Ena glavnih razlik med superprevodniki in idealnimi prevodniki je Meissnerjev učinek, ki sta ga leta 1933 odkrila Walter Meissner in Robert Oxenfeld.

Kasneje je bilo ugotovljeno, da se superprevodniki delijo v dve veliki družini: superprevodniki tipa I (kamor sodi predvsem živo srebro) in superprevodniki tipa II (ki so običajno zlitine različnih kovin). Delo L. V. Shubnikova v tridesetih letih prejšnjega stoletja in A. A. Abrikosova v petdesetih letih prejšnjega stoletja je imelo pomembno vlogo pri odkritju superprevodnosti tipa II.

Zelo pomembno za praktično uporabo pri visokozmogljivih elektromagnetih je bilo odkritje superprevodnikov v petdesetih letih 20. stoletja, ki so lahko vzdržali močna magnetna polja in prenašali visoke tokovne gostote. Tako je bil leta 1960 pod vodstvom J. Künzlerja odkrit material Nb 3 Sn, žica iz katerega lahko prepušča tok z gostoto do 100 kA/cm² pri temperaturi 4,2 K, ki je v magnetno polje 8,8 T.

Leta 2015 je bil postavljen nov rekord za temperaturo, pri kateri je dosežena superprevodnost. Za H 2 S (vodikov sulfid) pri tlaku 100 GPa je bil zabeležen superprevodni prehod pri temperaturi 203 K (-70 ° C).

Razvrstitev

Obstaja več kriterijev za razvrščanje superprevodnikov. Tu so glavne:

Lastnosti superprevodnikov

Ničelen električni upor

Za enosmerni električni tok je električni upor superprevodnika enak nič. To so dokazali s poskusom, ko so v zaprtem superprevodniku inducirali električni tok, ki je v njem brez slabljenja tekel 2,5 leta (poskus je prekinila stavka delavcev, ki so dostavljali kriogene tekočine).

Superprevodniki v visokofrekvenčnem polju

Strogo gledano, trditev, da je upor superprevodnikov enak nič, velja samo za enosmerni električni tok. V izmeničnem električnem polju je upor superprevodnika različen od nič in narašča z naraščajočo frekvenco polja. Ta učinek je v jeziku dvofluidnega modela superprevodnika razložen s prisotnostjo poleg superprevodnega deleža elektronov tudi navadnih elektronov, katerih število pa je majhno. Ko superprevodnik postavimo v konstantno polje, to polje znotraj superprevodnika postane nič, saj bi sicer superprevodni elektroni pospeševali v neskončnost, kar je nemogoče. Vendar pa je v primeru izmeničnega polja polje znotraj superprevodnika različno od nič in tudi pospešuje normalne elektrone, s katerimi sta povezani tako končni električni upor kot Joulove toplotne izgube. Ta učinek je še posebej izrazit pri takih frekvencah svetlobe, za katere je kvantna energija h ν (\displaystyle h\nu ) dovolj za prenos superprevodnega elektrona v skupino normalnih elektronov. Ta frekvenca običajno leži v infrardečem območju (približno 10 11 Hz), zato se v vidnem območju superprevodniki praktično ne razlikujejo od običajnih kovin.

Fazni prehod v superprevodno stanje

Trenutno ima faza HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) najvišjo znano vrednost kritične temperature - 135 K, pri zunanjem tlaku 350 tisoč atmosfer pa se temperatura prehoda poveča na 164 K, kar je le 19 K nižja od najnižje temperature, zabeležene v naravnih razmerah na površju Zemlje. Tako so superprevodniki v svojem razvoju prešli od kovinskega živega srebra (4,15 K) do visokotemperaturnih superprevodnikov, ki vsebujejo živo srebro (164 K). Leta 2000 je bilo dokazano, da rahlo fluoriranje zgoraj omenjene živosrebrove keramike omogoča dvig kritične temperature pri normalnem tlaku na 138 K.

Prehod snovi v superprevodno stanje spremlja sprememba njenih toplotnih lastnosti. Vendar je ta sprememba odvisna od vrste zadevnega superprevodnika. Tako za superprevodnike tipa I v odsotnosti magnetnega polja pri temperaturi prehoda T c prehodna toplota (absorpcija ali sproščanje) gre na nič, zato pride do skoka v toplotni kapaciteti, kar je značilno za fazni prehod vrste ΙΙ. Ta temperaturna odvisnost toplotne kapacitete elektronskega podsistema superprevodnika kaže na prisotnost energijske vrzeli v porazdelitvi elektronov med osnovnim stanjem superprevodnika in nivojem elementarnih vzbujevanj. Ko se prehod iz superprevodnega stanja v normalno stanje izvede s spremembo uporabljenega magnetnega polja, mora biti toplota absorbirana (na primer, če je vzorec toplotno izoliran, se njegova temperatura zmanjša). In to ustreza faznemu prehodu 1. reda. Pri superprevodnikih tipa II bo prehod iz superprevodnega v normalno stanje pod kakršnimi koli pogoji fazni prehod tipa II.