Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Сверхпроводимость проводниковых материалов
Многие металлы и сплавы ниже определенной температуры (для каждого материала температура своя) переходят в сверхпроводящее состояние, т. е. их сопротивление постоянному току становится практически равным нулю. Если металл переходит в это состояние скачком – это сверхпроводник 1-го рода, если плавно – сверхпроводник 2-го рода (как правило, это сплав). Температура перехода в сверхпроводящее состояние называется критической (Ткр), выше этой температуры сверхпроводник переходит в обычное проводящее состояние (рис. 2.3). На рисунке показано поведение сверхпроводника 1-го рода – Iр. св. и сверхпроводника 2-го рода IIр. св. в широком диапазоне температур. При температуре плавления Тпл сопротивление резко растет, пока кристалл не перейдет в жидкое состояние. При дальнейшем повышении температуры сопротивление снова плавно возрастает. Очень кратко сверхпроводимость можно объяснить тем, что в металле при определенных условиях образуются пары электронов (куперовские пары), имеющие противоположные импульсы и спины. Такая пара взаимодействует с кристаллической решеткой – один электрон, отдавая ей свой импульс, переводит ее в возбужденное состояние; второй электрон этой пары забирает переданный решетке импульс и тем самым переводит ее в нормальное (первоначальное) состояние. В результате состояние решетки не изменяется, а между электронами, обменявшимися фотонами, возникает сила взаимного притяжения. Таких электронных пар в металле великое множество, но все они движутся согласованно, электронные волны их имеют одинаковые длины и фазы.
Рис. 2.3. Зависимость сверхпроводников Iр и IIр от температуры
Отсутствие сопротивления в сверхпроводнике объясняется тем, что движение всех электронных пар в металле можно описать как распространение одной (суммарной) электронной волны, которая не рассеивается кристаллической решеткой потому, что сама решетка участвует в образовании этой волны, т. е. собственные колебания решетки согласованы с электронной волной, имеют те же длины волн и фазы. Ток, возбуждаемый за счет внешнего источника (который затем выключается) в сверхпроводящей цепи, может сохраняться очень длительное время, если в ней поддерживать определенные условия. Кроме нулевого сопротивления сверхпроводники обладают свойствами идеальных диамагнетиков, магнитные силовые линии в них не проникают, выталкиваются. На разрыв электронных пар и переход в нормальное (несверхпроводящее) состояние требуется затрата определенной энергии, например: температуры, превышающей критическую Ткр; магнитного поля, превышающего Нкр (для каждого металла Нкр – свое); электрического тока, величина которого вызывает на поверхности сверхпроводника критическое магнитное поле – Нкр. Если энергия этих воздействий больше сил связи между электронными парами – они разрушаются, а металл теряет свое сверхпроводящее состояние, становясь обычным проводником. Надо заметить, что не все чистые металлы и сплавы переходят в сверхпроводящее состояние. Например, такие хорошие проводники при нормальных условиях как медь и серебро, не переходят в сверхпроводящее состояние даже при температурах близких к абсолютному нулю. В табл. 2.1 приведены некоторые проводниковые материалы, способные становиться сверхпроводниками при низких температурах, и их критические тепловые и критические магнитные поля.
Таблица 2.1
Применение сверхпроводников в мощных магнитах, трансформаторах, генераторах, линиях передач сводит к нулю потери в проводниках и позволяет значительно повышать плотность тока и напряженность магнитного поля. Сейчас ведутся работы по созданию высокотемпературных сверхпроводников. Предполагается, что ими будут керамические материалы.
Вопросы для самоконтроля 1. Чем обусловлена высокая проводимость проводников 1-го рода? 2. На какой параметр (в формуле проводимости) оказывают влияние повышение температуры, введение примесей в металл и механическое искажение кристаллической решетки? 3. Что собой представляет температурный коэффициент удельного электрического сопротивления проводников? 4. По какой формуле можно рассчитать сопротивление проводника при температуре выше комнатной, 20 °С? 5. Что собой представляет явление сверхпроводимости? 6. Почему при определенных (низких) температурах в некоторых проводниках сопротивление падает до нуля? 7. Какие факторы могут вывести сверхпроводник из сверхпроводящего состояния?
|
Последнее изменение этой страницы: 2019-03-21; Просмотров: 300; Нарушение авторского права страницы