Fenomenul supraconductibilitate

Acasă | Despre noi | feedback-ul

In 1911, omul de știință olandez Kamenling Onnes a constatat că rezistivitatea mercurului pur la o temperatură a scăzut dramatic la zero. Curentul electric într-un conductor a rămas neschimbată pe termen nelimitat. Acest fenomen se numește supraconductibilitate.

Pe Figura 3.8. Acesta arată dependența de temperatură a rezistivitatea supraconductor. Temperatura. în care metalul de tranziție la starea supraconductoare apare se numește temperatură critică.

Figura 3.8. Dependența de temperatură a rezistivității unui superconductor

În prezent, superconductibilitatea observate la 22 de elemente chimice (Pb, Zn, Al, etc.) și mai mult de 100 de aliaj metalic (de exemplu, AU2 Bi).

Multă vreme starea supraconductoare a diferite metale și compuși pot fi obținute numai la temperaturi foarte scăzute realizabile cu heliu lichid. Până la începutul anului 1986, valoarea maximă observată a temperaturii critice a fost de 23 K. 1986-1987. El a observat un număr de supraconductori de temperatură ridicată având o temperatură critică de 100 K, iar apoi cele de mai sus. Acesta a fost un important discontinuă, așa cum a fost depășită „linie de azot“: o astfel de temperatură se realizează cu ajutorul azotului lichid. Spre deosebire de heliu, azot lichid produs la scară industrială.

Toate sunt expuse la supraconductori la temperaturi ridicate sunt încă aparțin grupei de produse ceramice de oxid de metal (compuși de tip La-Ba-Cu-O, Y-Ba-Cu-O). Studiul este deja deschis și căutarea de noi superconductoare la temperaturi ridicate sunt foarte rapid, într-un număr de țări (inclusiv cele din țara noastră).

Luați în considerare proprietățile de bază ale supraconductorilor.

Starea supraconductoare poate fi distrus de câmpuri magnetice. Astfel nepăsător, indiferent dacă acesta este un câmp extern la conductorul sau este creat de curentul care curge prin conductorul în sine. Intensitatea câmpului magnetic. care la o anumită temperatură determină trecerea unei substanțe dintr-o stare superconductor la o normală, numită critică. Câmpul critic depinde de temperatura T conform legii

unde H0 este câmpul critic la T = 0 C.

Grăitor această dependență este prezentată în ris.3.9. Când câmpul magnetic extern H. HC mare 2/3. Apare în stare intermediară supraconductoare caracterizată prin existența simultană a două regiuni în normal și starea supraconductoare.

O proprietate a unui supraconductor este expulzarea completă a câmpului magnetic al volumului interior în timpul introducerii sale în intensitatea câmpului electromagnetic extern. Acest fenomen se numește efect Meissner. Popping supraconductor câmp magnetic prezentat în ris.3.10.

Rezultată Densitatea fluxului magnetic în supraconductor este zero.

Aceasta implică faptul că permeabilitatea relativă a supraconductor este zero, iar susceptibilitatea magnetică este negativă și este egală (în valoare absolută) pe unitate. Aceasta este, supraconductor nu este doar un conductor perfect, dar, de asemenea, o diamagnetică perfectă.

Fizic, efectul Meissner datorită faptului că supraconductor plasat într-un câmp magnetic slab în suprafața stratului de grosime L »10 ¸100 nm a indus curenții persistente circulare care compensează câmpul aplicat extern. Parametrul L se numește adâncimea de pătrundere a câmpului magnetic în supraconductor.

Trecerea la starea supraconductoare este însoțită de o scădere a conductivității termice. Acest lucru indică faptul că electroni liberi, responsabili pentru transferul de căldură în metale, încetează să interacționeze cu zăbrele și să participe la transferul de căldură. În tranziția supraconductor în creșterea starea normală a entropiei este de aproximativ 10 -3 R (aici R - constanta universală a gazelor). diferență Shallow entropiile două state sugerează că, deși o stare supraconductoare este mai ordonată, este probabil acoperă doar o mică parte a electronilor.

Teoria microscopică a supraconductibilitate a fost dezvoltat în 1957 de către NN Bogolyubov Dzh.Bardinym, A.Kuperom și Dzh.Shrifferom. Să luăm în considerare pe scurt esența acestei teorii.

Electronii liberi dintr-un metal pentru a forma un gaz de electroni, se supun statisticii Fermi-Dirac. Între actul electroni forțe repulsive, care a slăbit foarte mult de prezența câmpului de ioni pozitivi în rețeaua cristalină. Participarea grilajului ar putea duce la între electroni decât forțele de repulsie Coulomb, de asemenea, forțele de atracție reciproce. În anumite condiții, forțele de atracție pot prevala asupra forțelor de repulsie. Dacă unul dintre electronii este aproape de ionul, este această deplasare de ioni din poziția de echilibru - există o excitație latice elementar. În trecerea la starea neexcitat principal răzuirea radiata cuantică de energie termică (frecvență audio) - fonon. care este absorbit de un alt electron. Ca rezultat, între doi electroni are loc atracția prin schimbul de fononi, adică așa-numitele perechi Cooper.

Electronii care formează perechea Cooper, spinii sunt antiparalel, suma (total) a unei astfel de perechi de rotire este zero, și de aceea este un boson. Pentru bosoni, principiul lui Pauli nu se aplică, astfel încât numărul de particule Bose în aceeași stare cuantică, nu este limitat.

La temperaturi scăzute bosoni se acumulează în starea de sol, de la care acestea sunt dificil de tradus într-o stare excitată. Din punctul de vedere al teoriei band la nivel de stat la sol este sub nivelul Fermi și separat de celelalte nivele de energie gap (fantă) lățime Dès (Figura 3.11). Lățimea a diferenței de energie la T = 0 K a fost de aproximativ 3,5 kts.

Porțiunea minimă de energie, care se poate obține o pereche de Cooper la nivelul principal, este DES. La temperaturi scăzute, această energie se obține din zăbrele nu poate. Prin urmare, electronii se deplasează într-un metal, fără a pierde energie fără frânare. Cu creșterea temperaturii, lățimea diferenței de energie scade, perechile de electroni sunt rupte. Când TC temperatura lățimea spațiului liber de energie este zero, iar starea supraconductoare dispare.

Distanța dintre electronii dintr-o pereche Cooper

unde vF - viteza de electroni la nivelul Fermi.

Evaluarea arată că # 948; ≈10 -6 m; Aceasta înseamnă că electronii sunt separate unul de altul la o distanță de 10 perioade de grilajul aprilie (d

10 -10 m). Toți electronii de conducție sunt asociate cu o echipa formata din perechi Cooper, extinzându-se pe întregul volum al cristalului. O particularitate a acestei benzi electroni într-un supraconductor este imposibilitatea de a face schimb de energie între electroni și zăbrele este porțiuni mici, mai puțin decât energia de legătură a unei perechi Cooper.

Atunci când o astfel de circulație se produce electroni colective imprastiere undelor de electroni prin vibratii termice ale rețelei sau impuritatea, ele încercuiesc nodurile cu zăbrele sau atomi impuritățile fără a modifica energia. Și acest lucru înseamnă că nu există nici o rezistență electrică.

Proprietățile supraconductori le face materiale promițătoare pentru utilizarea practică în inginerie electrică și putere. În prezent, pe pierderile de căldură Joule în derivațiile este estimat la 30-40%, adică, mai mult de o treime din energia totală produsă este cheltuit în zadar - să „încălzire“ a universului. În cazul în care puterea de transmisie la firul supraconductor cu rezistență zero, atunci o astfel de pierdere nu este deloc. supraconductori Bazat poate genera motoare și generatoare electrice, cu o eficiență ridicată.

Prin utilizarea bobine supraconductoare și solenoizi sunt deja câmpuri magnetice uriașe de până la 16 MA / m. Aceste câmpuri sunt necesare pentru a rezolva problema fuziunii termonucleare controlate pentru menținerea plasmei la cald, pentru dezvoltarea transportului pe pernă magnetică, lagăre magnetice, detectoarele de microunde și alte dispozitive.