Сверхпроводящие металлы и сплавы

Сверхпроводимость впервые была обнаружена у ртути при 4,2 К голландским физиком Каммерлинг-Оннесом в 1911 году. Температура, при которой электрическое сопротивление резко падает до нуля называется критической температурой перехода. Если в кольце сверхпроводника индуцировать ток, то он долго не затухает. Электрическое сопротивление сверхпроводника приблизительно в 10¹⁷ раз меньше электрического сопротивления меди при 20^˚С. Квантовая теория сверхпроводимости была разработана только в 1957 году американскими физиками Бардиным, Купером, Шлиффером (БКШ). Явление сверхпроводимости возникает, когда электроны с противоположным направлением спина и импульса связываются в пары называемыми куперовскими. Притяжение электронов возможно только в среде, содержащей положительно заряженные ионы, поле которых ослабляет силы кулоновского отталкивания между ними. Силы притяжения возникают в результате обменного фононного взаимодействия.

Схема образования электронной пары:

1-ый электрон смещает ионы

образуется область ( + )

к ней притягивается 2-ой электрон

Примерно 10^-4 электронов создает пары, которые распадаются и вновь образуются. За счет образования электронных пар энергия системы уменьшается и в энергетическом спектре материала появляется область запрещенных состояний - энергетическая щель. Размер щели зависит от температуры: чем температура меньше, тем больше изменение энергии. При Т Т_св щель исчезает. Так как электрическое сопротивление обусловлено рассеянием электронов на тепловых колебаниях решетки, то при Т Т_св энергии тепловых колебаний не хватает для перевода электронов в возбужденное состояние, то есть для преодоления изменения энергии. Отсюда электроны не рассеиваются, а электрическое сопротивление стремится к нулю.

Переход в сверхпроводящее состояние происходит в интервале сотых долей ˚С. Неупорядоченность структуры немного расширяет этот интервал.

Важной особенностью сверхпроводников является то что внешнее магнитное поле не проникает в их толщу, затухая в поверхностном слое за счет круговых токов. Это называется эффектом Мейснера (δ = 10^-7-10^-8 м).

Сверхпроводник - идеальный диамагнетик(μ = 0), выталкивается из магнитного поля с большой силой. При напряженности поля больше критического значения может быть разрушено состояние сверхпроводимости. При этом, если этот переход скачкообразный, то сверхпроводимость называется сверхпроводимостью I рода, а если постепенно, то II рода. Для сверхпроводимости I рода Н_крит.= 10⁵А/м, для II рода 10⁷А/м. Сверхпроводимость может быть разрушена также большим током I > I_крит..

, где r- радиус проводника.

Сверхпроводящие материалы - это 26 металлов. Еще 13 элементов (Si, Ge, Te, Sb, Se и др.) проявляют сверхпроводимость под давлением, а также многие сплавы. Всего известно более 2000 соединений, обладающих сверхпроводимостью. Из металлических сплавов максимальную температуру сверхпроводимости имеют: Nb₃Sn-18,3˚K; Nb₃Ga-20,3˚K; Nb₃Ge-21-24,3˚K. Эти материалы могут охлаждаться жидким водородом, что дешевле, чем гелий.

В 1986-87 г.г. открыта высокотемпературная сверхпроводимость у ряда металлооксидных соединений: La-Sr-Cu-O; Y-Ba-Cu-O. Т_крит.=100-150˚К и больше. Однако из-за непостоянства свойств и малой механической прочности пока они не нашли практического применения.

Применение: сверхсильные магнитные поля (Н>10⁷А/м) для накопителей энергии, силовые кабели, трансформаторы и линии электропередач большой мощности. Удержание плазмы в реакторах термоядерного синтеза. За счет исключения сердечников из электрических машин, их масса уменьшается в 5-6 раз. Вычислительная техника - быстродействующие ячейки ЭВМ. Железнодорожный транспорт на «магнитной подушке». Высокочувствительные ИК - датчики.