Сверхпроводимость 2 (стр. 2 из 3)

которая будет притягиваться к другому электрону.

При высоких температурах достаточно сильное интенсивное тепловое движение отбрасывает частицы друг от друга,размывает ионную “шубу“, что фактически уменьшает силы притяжения.При низких же температурах силы притяжения играют очень важную роль.

Возникновение межэлектронного притяжения не противоречит законам физики.Два электрона, несомненно, отталкиваются друг от друга ,если находятся в пустоте.

В среде же сила их взаимодействия равна

(ε-диэлектрическая проницаемость среды).Если среда такова ,что ε <0, то одноименные заряды (в данном случае электроны) будут притягиваться.

Кристаллическая решетка и является той средой , которая делает отрицательной диэлектрическую проницаемость в сверхпроводнике.

3.Расстояние между электронами пары равно:

где h-постоянная Планка,u_F-скорость электрона на уровне Ферми ,

k – постоянная Больцмана, Т_c–температура перехода в сверхпроводящее состояние.Оценка показывает,что δ=10 см,т.е.электроны,образующие пару ,

находятся на расстоянии порядка 10⁴ периодов кристаллической

решетки.Вся электронная система сверхпроводника представляет собой связанный коллектив ,простирающийся на громадные , по атомным масштабам,

расстояния.

Если при сколь угодно низких температурах кулоновское отталкивание между электронами преобладает над притяжением,образующим пары ,то вещество (металл или сплав) остается по своим электрическим свойствам нормальным.Если же при температуре Т происходит преобладание сил притяжения над силами отталкивания,то вещество переходит в cверхпроводящее состояние

4.Важнейшей особенностью связанного в пары коллектива электронов в сверхпроводнике является невозможность обмена энергией между электронами и решеткой малыми порциями,меньшими ,чем энергия связи пары электронов.

Это означает, что при соударении электронов с узлами кристаллической решетки не изменяется энергия электронов и вещество ведет себя как сверхпроводник с нулевым удельным сопротивлением.

Квантомеханическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решетки или примесях.А это и означает отсутствие электрического сопротивления.

Условия сверхпроводимости.

1.Сверхпроводники I и II рода.

Когда магнитный поток проходит через проводник без потерь и когда энергия связана с поверхностями раздела между участками n-фазы и s-фазы ( граница между двумя фазами всегда обладает поверхностной энергией.)

Рис. 5

На рис. 5 а-сверхпроводник с идеальным диамагнетизмом;б-сверхпроводник в смешанном состоянии.Заштрихованные области соответствуют сверхпроводящему состоянию(s-фазе), незаштрихованные- нормальному (n-фазе).При толщине слоев s- фазы,меньшей глубины проникновения , магнитный поток пронизывает и сверхпроводящие слои(Н- напряженность внешнего магнитного поля).

Искажения плотности сверхпроводящих электронов не могут проявлятся на расстояниях,меньших длины когерентности ξ~ΔS.

В поверхностную энергию дают вклад эффекты,зависящие как от глубины проникновения λ,так и от длины когерентности ξ.Как было показано ,вклад в поверхностную энергию отрицателен( т.к. при этом объем чистой s-фазы

уменьшается на величину порядка λS, где S-площадь поверхности s-фазы) и , следовательно, добавка к внутренней энергии сверхпроводника уменьшается на величину порядка λSH²/8π.Если выполняется условия ξ>λ(болееточный расчет дает условие ξ>λ^1/2),тообразование слоистой структуры энеогетически невыгодно и сверхпроводник существует в виде сплошной s-фазы.

Такие сверхпроводники называются сверхпроводимостью I рода.К ним принадлежат почти все чистые сверхпроводники .Если же выполняется условие ξ<λ^1/2,то энергетически выгодно образование слоистой структуры и сверхпроводники находятся в смешанном состоянии.Такие сверхпроводники называются свехпроводимостью II рода.К ним относятся многие сверхпроводящие сплавы и сверхпроводники, загрязненные примесями.

2.Сверхпроводимость может разрушаться током..

Если сверхпроводник II рода поместить в сильное внешнее магнитное поле, то критический ток в нем окажется равным 0,т.е. протекание сквозь угодно малого тока будет сопровождаться тепловыми потерями.Возникает система вихревых нитей и при пропуске тока происходит их взаимодействие.Опытным путем доказано,что жесткие сверхпроводники выдерживают сильные магнитные поля,а благодаря неоднородностям структуры через них можно пропускать большие токи.

3.Созданы новые сверхпроводящие вещества , дающие возможность получать поля около 200 кгс. Перспектива открытий в этой области неограничена.

Применение сверхпроводимости.

Продолжается поиск материалов,позволяющих получать все более мощные магнитные поля. Соленоиды создают не просто сильные магнитные поля.Возможно получение однородных полей в достаточно большой области пространства,что весьма важно при проведении научных исследований,

посвященных изучению свойств вещества в магнитном поле.

Наиболее заманчиво применение сверхпроводников в обмотках соленоидов для получения сверхсильных магнитных полей- порядка 100 000э и выше. Сильные магнитные поля необходимы,например, при управлении плазменными пучками в установках для исследования и возможного получения управляемых термоядерных реакций и в современных ускорителях заряженных частиц высоких энергий.

В этом случае энергию надо затрачивать только на охлаждение обмоток до температур ниже критической.

Каждый элемент провода с током в такой обмотке находится в очень сильном магнитном поле соседних витков,поэтому целесообразно применять сверхпроводники II рода,выдерживающие большие магнитные поля. Для этих целей выявлены сверхпроводимость III рода( ниобий-цирконий или ниобий-олово).

Сверхпроводящие сплавы используются для получения сверхмощных постоянных магнитов. В отличие от обычного электромагнита сверхпров. не нуждается во внешнем источнике питания,поскольку протекающий в нем ток не испытывает электрического сопротивления.

Другим примером применения сверхпроводников является клистрон-управляющий элемент в электрических цепях.На проводник,по которому течет электрический ток, наматывается несколько витков также сверхпроводящей проволоки, но обладающей более высоким значением критического поля Н к.1Меняя ток в витках,можно создать критическое поле в управляемом сверхпроводнике, что приведет к его “запиранию” вследствие потери им С.

Много исследований посвящается вопросу об использовании сверхпров. при создании вычислительных машин.Сверхпроводящий ток является незатухающим.Это позволяет использовать его в качестве идеального запоминающего устройства,хранящего большие и легко считываемые запасы информации.

Скорость “ вспоминания” сверхпроводящих устройств значительно превышает возможности человеческого мозга.Они в состоянии всего лишь за 10^-6 сек выбрать нужную информацию из 10¹¹ ее единиц.

В вычислительной технике используется двоичная система.Двойственность сверхпроводников( они могут находиться или в нормальном,или в сверхпроводящем состоянии),быстрота их перехода под действием темпера-

туры или магнитного поля из одного состояния в другое позволяют использовать их в качестве элементов вычислительных машин. И в качестве переключающих устройств,работающих с очень высокой скоростью при малых затратах мощности, сверхпроводники идеальны.

Одно из таких устройств –так называемый проволочный криотрон.

Слово ”криотрон” греческого происхождения (cryo- холод).Изобретен этот прибор американским ученым Баком.Прибор состоит из проволоки,

сделанной,например,из свинца или тантала, по которой протекает сверхпроводящий ток .Эта проволока называется клапаном.На нее намотана более тонкая –из ниобия.Катушка,образованная этим тонким проводом,

называется управляющей.При протекании по ней достаточно большого тока сверхпроводимость в клапане разрушается.

Ниобий был выбран в качестве материала,из которого изготовляется управляющий провод,по той простой причине,что сверхпров. сохраняетсся в нем при достаточно сильных магнитных полях.Критические поля свинца или тантала,образующих клапан,являются весьма малыми ,и сверхпров.в них поэтому разрушается при пропускании в ниобиевой катушке достаточно слабого тока.

Сопротивление в клапане меняется при этом скачком от нуля до некоторого конечного значенитя.Уменьшением тока в управляемом проводе снова восстанавливается сверхпроводящие состояния свинца или тантала.

Скорость переключения в клиотронах достигает двух наносекунд

(2*10^-9сек).Высокая скорость в сочетании с простотой устройства и лежит в основе использования сверхпроводящих криотронов в вычислительной технике.ЭВМ,использующая сверхпроводящие устройства,выделяется

своей необычной компактностью.

Вполне возможным является создание миниатюрного сверхпроводящего триода.Его можно представить себе состоящим всего из трех наклеенных друг на друга металлических пленок , причем роль сетки обычной радиолампы играет средняя полоска , в которой регулируется ток и создаваемое им магнитное поле.

Сверхпроводник ,в толщу которого не проникает магнитное поле, всегда окружен магнитной “ подушкой”.

Эффект механического отталкивания используется для создания опор без трения.Сверхпроводящая сфера благодаря диамагнитному эффекту висит над кольцом,в котором циркулирует незатухающий ток.Сила тяжести