Высокотемпературная сверхпроводимость

Мы знаем, что с понижением температуры сопротивление металлических проводников уменьшается. В 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес установил, что при охлаждении ртути в жидком гелия ее сопротивление сначала уменьшался постепенно , а при температуре 4,1 К резко падал до нуля. Явление уменьшения сопротивления до нуля при температуре, отличной от абсолютного нуля, называется сверхпроводимостью. Впоследствии сверхпроводимость была обнаружена у свинца, цинка, олова, алюминия и других металлов, а также в некоторых сплавах.

 

Со времен открытия явления и до 1957 г., когда американцы Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шрифер построили соответствующую теорию, само явление сверхпроводимости считалось одной из величайших загадок науки. Но дальнейшее развитие физики, и особенно материаловедения, показал, что тайн осталось еще много. И одна из них заключается в том, что до сих пор нельзя предсказать, какой будет критическая температура новой исследуемого вещества, и вообще это вещество будет сверхпроводником.

 

Еще в 60-е годы ученые заметили, что для пленки олова, помещенной в сильное электрическое поле, критическая температура сверхпроводящего перехода Т становится немного выше. Эффект объяснил в 1965 русский физик В. Сандомирский. Дело в том, что в соответствии направлено электрическое поле может обогатить поверхностный слой полупроводникового или металлического образца носителями тока такого знака, вызывает обратное поле. Это следует из электростатики и согласуется с общим принципом Ле-Шателье. В то же время теория утверждает, что Т, если зафиксировать все параметры, кроме концентрации носителей тока, а эту концентрацию менять, будет увеличиваться с ростом последней. Этот эффект и наблюдался. Но каким скудным он был в случае олова! В поле с напряженностью 3 • 10 В / см критическая температура Т = 3,722 К меняется на +0,00007 К.

 

Сверхпроводимость характеризуется абсолютным диамагнетизмом. В магнитном поле в сверхпроводящем материале возникают такие токи, магнитное поле которых полностью компенсирует внешнее магнитное поле, то есть магнитное поле выталкивается из сверхпроводника. Благодаря этому свойству возникает явление левитации сверхпроводника над магнитом (или магнита над поверхностью сверхпроводника), которое получило название гроб Магомета. Сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимость. Сверхпроводники различаются по своему поведению в отношении сильных магнитных полях, в зависимости от поверхностной энергии границы раздела сверхпроводящей и нормальной фаз. В сверхпроводников I рода эта поверхностная энергия положительна, и сверхпроводимость разрушается, если поле превышает определенный уровень, который называется критическим магнитным полем. В сверхпроводников второго рода поверхностная энергия границы раздела нормальной и сверхпроводящей фаз отрицательная, поэтому магнитное поле, когда его напряженность превышает определенное значение, начинает проникать в сверхпроводник постепенно в определенных местах, вокруг которых образуются вихревые токи. Если увеличивать магнитное поле дальше, то нормальных областей становится все больше, и при критическом поле сверхпроводимость разрушается полностью. Сверхпроводники второго рода используются для создания сверхпроводящих электромагнитов.

 

В1986 г. был открыт высокотемпературную сверхпроводимость керамик - сложных оксидных соединений бария, лантана, меди и других элементов. Сверхпроводимость таких керамик сохраняется до температур около 100К, которые можно получить, воспользовавшись значительно дешевле жидким азотом.

 

Явление сверхпроводимости - макроскопическое проявление квантовой природы вещества: атомов и электронов. Известно, что электроны в атоме могут находиться в особых состояниях, которым соответствуют дискретные значения энергии, т.е. атом может поглощать и излучать энергию порциями - квантами. Однако, если мы перейдем к макроскопического тела, где концентрация электронов превышает 10 1 / м, то квантовый характер изменения энергии каждого электрона «смазывается» большим количеством таких электронов, поглощающих или излучают энергию, и мы видим сплошной спектр поглощения или излучения энергии макроскопическими телами . Сверхпроводимость - чрезвычайно интересное и в определенной степени загадочное физическое явление, практическое применение которого должно принести человечеству бесчисленные достижения. Использование сверхпроводящих устройств оказывается одним из наиболее важных и перспективных путей энергосбережения. Оценки показывают, что применение сверхпроводимости позволит уменьшить потери при генерации, передачи, трансформации и использования электроэнергии примерно с 30-35% до 1-2%, что равнозначно построении нескольких новых мощных электростанций в Украине