Сверхпроводимость

СверхпроводимостьСВЕРХПРОВОДИМОСТЬ, способность проводить электрический ток практически без омического сопротивления; явление открыто в Лейдене Каммерлинг-Оннесом в 1911 г. Изучая температурный ход электросопротивления Hg при очень низких температурах, он обнаружил, что Hg при температуре ниже 4,22° К практически теряет сопротивление. В дальнейшем эти исследования велись в специальных низкотемпературных (криогенных) лабораториях в Берлине, Торонто (Канада) и Вашингтоне. Оказалось, что при крайне низких температурах целый ряд веществ обладает сопротивлением, по крайней мере в 10—12 раз меньшим, чем при комнатной температуре. Если создать ток в замкнутом контуре из сверхпроводников, то этот ток продолжает циркулировать и при отсутствии источника ЭДС. Токи Фуко в сверхпроводнике сохраняются очень долгое время и не затухают из-за отсутствия джоулева тепла. Оказалось, что токи до 300 А продолжали течь много часов подряд. Изменение силы тока составляло не более 1/20000 в час, т. е. практически она не менялась. Джоулево тепло не выделялось вовсе. Изучение происхождения тока через ряд различных сверхпроводников показало, что сопротивление контактов между сверхпроводниками также равно нулю. Отличительным свойством сверхпроводимости является отсутствие явления Холла. В то время как в обычных проводниках под влиянием магнитного поля ток в металле смещается, т. е. меняется распределение тока, в сверхпроводнике это явление отсутствует. Ток в сверхпроводнике как бы закреплен на своем месте.

Сверхпроводимость исчезает: 1) под влиянием повышения температуры, 2) под действием достаточно сильного магнитного поля и 3) при достаточно большой плотности электрического тока в образце. С повышением температуры до некоторой Тк почти внезапно появляется заметное омическое сопротивление. Переход от сверхпроводимости к обычной проводимости тем круче и внезапнее, чем однороднее образец и наиболее крут он в монокристаллах (фиг. 1), например, в олове в мелкокристаллическом агрегате (кривая I) область перехода составляет 0,03°, при наличии в образце олова нескольких крупных зерен область перехода (кривая II) равна 0,01°, в монокристаллах (кривая III) - 0,002°.

Сверхпроводимость

Для идеального монокристалла она путем экстраполяции вычисляется равной 0,0005°. Следовательно, практически перехода этот осуществляется мгновенно и резко. Торчка Тк не зависит от ориентации кристалла по отношению к электрическому току. При действии постоянного магнитного поля Тк сдвигается в сторону низших температур. С повышением силы поля до некоторой Нт сверхпроводимость исчезает круто и внезапно. Крутизна и здесь особо велика в монокристаллах. Чем ниже температура, тем больше Нт. Зависимость Нт от температуры (фиг. 2 и 3) подчиняется опытному закону:

Sverchprovodimost f1

Для некоторых веществ по-видимому имеет место зависимость от Т в первой степени. При действии магнитного поля на сверхпроводимость наблюдается особого вида гистерезис, а именно: если, повышая магнитное поле, уничтожить сверхпроводимость при Н = Нт, то с понижением интенсивности поля сверхпроводимость появится вновь при поле Sverchprovodimost f2 меняется от образца к образцу и обычно составляет около 10% Нт. Повышение силы тока в образце также приводит к исчезновению сверхпроводимости, т. е. при этом понижается Тк.

Сверхпроводимость

Сверхпроводимость

Чем ниже температура, тем больше та предельная сила тока iт, при которой сверхпроводимость уступает место обычной проводимости. Т. о. при определении истинной Тк приходится на опыте определять Тк для различных значений силы измерительного тока, а затем экстраполировать результаты измерений к нулевой силе тока. Было показано, что влияние силы тока по существу сводится к действию на образец магнитного поля, создаваемого самим током. Оказалось, что Тк м. б. несколько понижена, если через сверхпроводник пропускать переменный ток; чем выше частота (до 107), тем сильнее понижение Тк. Причина этого явления не выяснена. Весьма возможно, что оно объясняется тем обстоятельством, что при высокой частоте ток концентрируется в тонком поверхностном слое (скинэффект), и здесь плотность тока должна возрастать с частотой, и поэтому ранее достигается предельная плотность тока.

Сверхпроводимость наблюдается как у элементов, так и у сплавов и металлических соединений. Из элементов следующие оказались несомненно способными приходить в состояние сверхпроводимости Hg, Sn (белое), Pb, Tl, In, Ga, Та, Th, Ti, Nb. В некоторых опытах сверхпроводимость обнаруживал Cd. Некоторые авторы полагают, что все металлы при достаточной очистке - сверхпроводники, однако это не соответствует опытным данным. Исследования сплавов весьма неполны, но уже намечены характерные черты. В эвтектиках, в которых один из компонентов сам м. б. сверхпроводником, ток по-видимому пробегает по зернам этого компонента, и константы Тк, характеризующие сплав, идентичны константам данного компонента. В твердых растворах и соединениях сверхпроводимость появляется нередко. Характерны соединения из веществ, которые сами по себе не становятся сверхпроводниками, таковы, например, CuS, VN, ZnN, WC, МоС, Мо2С и сплав Аu—Bi. Т. о. не чистота элемента необходима для появления сверхпроводимости, а особые условия строения, появляющиеся при определенных сочетаниях атомов. Сплав Аu—Bi становится сверхпроводником при некоторых концентрациях, но носителем сверхпроводимости здесь является какая-то одна еще не выделенная окончательно фаза. Наблюдаемые Тк пока не превосходят 11°К. Наблюдаемые Н0 у элементов порядка нескольких сот гауссов у сплавов доходят до 30000 гауссов (сплав Рb—Bi при 35% Bi).

Теории сверхпроводимости еще не существует вовсе. Все попытки создать ее не увенчались успехом. По-видимому, электроны, несущие ток, проходят в сверхпроводнике, не сталкиваясь с атомами. Поэтому с наступлением сверхпроводимости электроны по-видимому перестают участвовать в теплопроводности. Параллелизм между тепло- и электропроводностью, характерный для металлов (закон Видемана-Франца), исчезает при сверхпроводимости. При наступлении сверхпроводимости не меняется ни теплоемкость, ни кристаллическая структура. Вещества, могущие становиться сверхпроводимыми согласно работ Государственного физико-технического института, по-видимому даже при комнатной температуре обнаруживают очень малый холл-эффект, что свидетельствует о характерном для них движении электронов. Применение сверхпроводимости в технике принципиально могло бы произвести полную революцию в деле передачи и канализации электроэнергии (без омических потерь). Малость наблюдаемых Тк (11°К, т. е. - 262°С) является сейчас непреодолимым практическим препятствием. Неизвестно можно ли получить сверхпроводимость при более высоких температурах. Ниже приведена таблица сверхпроводящих веществ и их Тк.

Сверхпроводящие вещества

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 20 - 1933 г.