Надпровідники першого та друго роду (стр. 2 из 5)

Дослід Камерлінг-Оннеса: відкриття надпровідності.

Явище надпровідності є незвичайно яскравим проявом квантових закономірностей в макроскопічних масштабах. Надпровідність - це перебіг електричного струму по провідникові без опору. Пропадає опір у надпровідників при деякій температурі, званою критичною температурою, і залишається нульовим аж до температури абсолютного нуля.

Рис. 3. Залежність питомого опору ртуті від температури

В даний час встановлено, що в надпровідному стані питомий опір надпровідників принаймі менше 10 – 21 Ом∙м, тобто в 10 – 17 разів менше опору міді при кімнатній температурі. Як видно з рис. 3, перехід з нормального в надпровідний стан відбувається дуже різко при критичній температурі.Як це задоволено часто буває, до відкриття явища надпровідності привів випадок. У 1908 році Камерлінг-Оннес вперше отримав рідкий гелій, і потім почав дослідження залежності опору різних чистих металів від температури. Спочатку це була платинова і золота тяганина, і їх опори, як і очікувалося, зменшувалися у міру зменшення температури, потім він приступив до вимірювання опору ртуті. Вибрана вона була тому, що ртуть можна дуже добре очистити від домішок шляхом вакуумної дистиляції, тобто просто кип'яченням. Все йшло як завжди при температурах рідкого кисню, азоту, водню, але в рідкому гелії опір впав до нуля. Цілком природно було припустити, що відбувається коротке замикання вимірювального ланцюга десь в кріостаті (приладі типу термоса, в якому проводяться експерименти з охолоджувальними рідинами (їх називають холодагентами) - азотом, воднем, гелієм). Вимірювання повторювали кілька разів, але весь час при температурі рідкого гелію ланцюг закорочувався. Тоді було вирішено замість U-подібної трубки, заповнюваною ртуттю, використовувати W-подібну і розмістити в ній вже декілька контактів. На жаль, до засмучення експериментаторів, вже тепер всі чотири сегменти закорочувалися. І лише випадок допоміг дізнати дійсну причину невдач.

Річ у тому, що початковий газоподібний гелій тоді було дуже важко отримати. Спочатку в лабораторії Камерлінг-Оннеса гелій здобували, подрібнюючи шматки гірської породи з Ісландії. Лише потім на кораблі привезли з Північної Кароліни гелій, що містить, пісок, і вдалося отримати чверть літра рідкого гелію. Природно, Камерлінг-Оннес, що називається, тремтів над гелієм. Особливо його турбувала можливість появи тріщин в скляному дьюаре. Щоб у разі появи тріщин гелій не випарувався в повітря, в кріостаті весь час підтримувався тиск, менший атмосферного. За наявності тріщин атмосферне повітря, потрапляючи в них, заморозилося б і тим самим залікувало їх.

Звичайно, весь час стояти, напружено вдивляючись в свідчення манометра, було досить важко. І ось одного разу, коли Полотно – співробітник Камерлінг-Оннеса – проводив вимірювання, хлопчик задрімав, і тиск в кріостаті почав поволі підніматися. Тому почала підніматися і температура рідкого гелію. Полотно, знаходячись в кімнаті, де розташовувалися дзеркальні гальванометри, раптом виявив, що зайчики гальванометрів почали відхилятися, реєструючи появу опору у ртуті. Так із-за неуважності помічника і було відкрито явище надпровідності. До цього слід додати, що якби Камерлінг-Оннес не зменшував тиск гелієвої пари, то надпровідність у ртуті не була б їм виявлена, оскільки температура надпровідного переходу у ртуті (4,15 К) трохи менше температури кипіння рідкого гелію за нормальних умов (4,2 К).

Те, що зменшення тиску пари гелію приводить до пониження температури, легко зрозуміти. Всі знають, що в горах, де тиск повітря менший, ніж на рівнинах, зварити круто яйця не можна, і зв'язано це з тим, що температура кипіння води знижується. Те ж саме відбувається і з рідким гелієм - з пониженням тиску його температура кипіння знижується.

4. Ідеальний провідник і надпровідник. Ефект Мейснера.

Для аналізу поведінки ідеального провідника в магнітному полі розглянемо контур, поміщений в поле з індукцією B_a (рис.4, а). Якщо площа, обмежена кільцем рівна А, то потік, що пронизує кільце, можна описати по формулі

.

При зміні прикладеного поля в кільці індукуються струми. Вони направлені так, що створений ними усередині кільця потік прагне компенсувати зміну потоку, викликану зміною прикладеного поля. Між індукційним струмом і електрорушійною силою (-АdB_а/dt)справедливо наступне співвідношення:

,

де R і L - повний опір і індуктивність контура.

У звичайному кільці наведені струми із-за кінцевого опору швидко затухають і потік, пронизливий контур приймає нове значення. У разі ідеальної провідності R=0, останнє співвідношення приймає вигляд

або

Li+AB_a=const.

Таким чином, повний магнітний потік через контур без опору (Li+AB_a) не може змінитися. Навіть при зниженні зовнішнього поля до нуля, внутрішній потік зберігається завдяки циркулюючому в замкнутому кільці індукованого незгасаючого струму.

Все вищевикладене відносилося до умови, при якій кільце, знаходячись в прикладеному магнітному полі, охолоджувалося нижче за температуру Т_к, при якій зникав опір. Якщо ж контур спочатку охолодити, а потім прикласти зовні поле, то результуючий внутрішній потік залишиться рівним нулю не дивлячись на наявність зовнішнього поля.

Рис. 4. а) б)

Розглянемо поведінку ідеального провідника в магнітному полі. Припустимо, що зразок з ідеального провідника проходить наступні стадії: спочатку охолоджується нижче за деяку температуру, коли падає опір, а потім накладається магнітне поле. Опір по будь-якому довільно вибраному замкнутому контуру усередині металу рівний нулю. Отже, величина магнітного потоку, ув'язненого усередині цього кільця, залишається рівною нулю. Довільність вибору контура дозволяє укласти, що магнітний потік рівний нулю за всім обсягом зразка. Це пов'язано з індукованими магнітним полем незгасаючими струмами по поверхні зразка. Вони створюють магнітний потік, щільність якого В_i всюди усередині металу точно рівна по величині і протилежна по щільності потоку прикладеного магнітного поля В_a. Таким чином, виникає ситуація, коли поверхневі струми, часто звані що екранують, перешкоджають проникненню в зразок магнітного потоку прикладеного поля. Якщо усередині речовини, що знаходиться в зовнішньому полі, магнітний потік рівний нулю, то говорять, що він проявляє ідеальний діамагнетизм. При зниженні щільності прикладеного поля до нуля зразок залишається в своєму ненамагніченому стані.

У іншому випадку, коли магнітне поле прикладене до зразка, що знаходиться вище за перехідну температуру, кінцева картина помітно зміниться. Для більшості металів ( окрім феромагнетиків ) значення відносної магнітної проникності близьке до одиниці. Тому щільність магнітного потоку усередині зразка практично рівна щільності потоку прикладеного поля. Зникнення електроопору після охолоджування не робить впливу на намагніченість, і розподіл магнітного потоку не міняється. Якщо тепер понизити прикладене поле до нуля, то щільність магнітного потоку усередині надпровідника не може мінятися, на поверхні зразка виникають незгасаючі струми, що підтримують усередині магнітний потік. В результаті зразок залишається весь час намагніченим. Таким чином, намагніченість ідеального провідника залежить від послідовності зміни зовнішніх умов.

У перебіг майже чверті століття вважали, що єдиною характеристичною властивістю надпровідного стану є відсутність електричного опору. Це означає, що надпровідник в магнітному полі поводитиметься так, як описано вищим. Проте такий підхід приводить до неоднозначного опису надпровідної фази.

Експеримент, що ілюструє перехід з надпровідного стану в звичайне продемонстрував, що надпровідники - щось більше, ніж ідеальні провідники. Вони володіють додатковою властивістю, відсутнім від металу, просто позбавленого опору: метал в надпровідному стані ніколи не дозволяє магнітному потоку проникнути всередину, завжди В_i=0.

Коли надпровідник охолоджується в слабкому магнітному полі, то при температурі переходу на його поверхні виникає незгасаючий струм, циркуляція якого перетворює внутрішній магнітний потік в нуль. Це явище, що полягає в тому, що усередині надпровідника щільність магнітного потоку завжди, навіть в зовнішньому магнітному полі, рівна нулю, називається ефектом Мейснера.

Ефект виштовхування магнітного поля з надпровідника можна пояснити на основі уявлень про намагніченість. Якщо екрануючі струми, повністю компенсуючи зовнішнє магнітне поле, повідомляють зразку магнітний момент m, то намагніченість M виражається співвідношенням

,

де V - об'єм зразка. Можна говорити про те, що екрануючі струми приводять до появи намагніченості, відповідної намагніченості ідеального феромагнетика з магнітною сприйнятливістю, рівною мінус одиниці.

5.Надпровідники першого та другого роду.

Надпровідники першого роду.

Проаналізуємо протікання струму по провіднику круглого поперечного перерізу, що знаходиться в надпровідному стані. У відмінності від екрануючого струму, що виникає при накладанні магнітного поля, струм від зовнішнього джерела називатимемо транспортним. Якби цей струм протікав усередині надпровідника, він створював би в його об'ємі магнітне поле, що протирічить ефекту Мейснера. Отже, струм, що протікає повинен бути обмежений тонким шаром біля поверхні, в який проникає магнітне поле. Товщина цього поверхневого шару рівна глибині проникнення Δ.