4.6. Надпровідники і кріопровідники

До кріопровідників і надпровідників відносяться метали, що працюють при дуже низьких температурах, що наближаються до абсолютного нуля. Явище надпровідності було відкрите В. Камерлінг-Оннесом в 1911 році. Ним було виявлено, що при охо-лодженні до температури скраплення гелію (4,2 К) опір замо-роженої ртуті різким стрибком падає практично до нуля (10^-25 Ом·м), що в 10¹⁷ разів менше опору міді. В наш час відомо 35 таких металів і більше тисячі сплавів і хімічних з’єднань, у яких при дуже низьких температурах питома провідність стає нескінченною величиною. Ряд елементів проявляє надпровідні властивості при низьких тисках, наприклад, такі напівпровідники, як кремній, германій, селен, сурма і т.д. Разом з тим такі метали як мідь, срібло, платина, золото та інші перевести в надпровідний стан не вдалося. Наявність у речовини такої провідності називається надпровідністю, а температура при якій речовина переходить у надпровідний стан, називається температурою надпровідного переходу (Т_С). Матеріа-ли, що переходять у надпровідний стан, називаються надпровідни-ками. Цей перехід є оборотним процесом: при підвищенні температури до значення Т_С надпровідність зникає і матеріал переходить у звичайний стан з кінцевим значенням провідності .

Явище надпровідності відповідно до квантової теорії виникає в результаті притягання електронів один до одного. Таке притягання можливе тільки в середовищі, що містить позитивно заряджені іони, поле яких послабляє сили кулонівського відштовхування між електронами. Притягаються тільки ті електрони, які беруть участь у процесі електропровідності. У результаті такого притягання електронів з протилежними напрямками імпульсів і спінів утворюють так звані куперовські пари. Вирішальну роль в утворенні цих пар відіграє взаємодія електронів з тепловими коливаннями решітки – фононами. Обмінна фононна взаємодія й викликає сили притягання між електронами. Електрон, що рухається серед позитивно заряджених іонів, електростатичними силами притягає до себе найближчі іони. У результаті такого зсуву іонів в зоні траєкторії електрона локально зростає густина позитивного заряду. Другий електрон, що рухається услід за першим, може притягатися областю з надлишковим позитивним зарядом. За рахунок непрямої взаємодії з решітками між першим і другим електронами виникають сили притягання. Другий електрон взаємодіє з першим, при цьому утворюючи куперовську пару. При абсолютному нулі всі електрони зв'язані в пари. При підвищенні температури за рахунок теплової енергії відбувається розрив деяких електронних пар.

Перехід речовини в надпровідний стан при його охолодженні відбувається в дуже вузькому діапазоні температур (соті частки градуса). Установлено, що порушення надпровідності відбувається не тільки при підвищенні температури, що перевищує значення Т_с, але також при виникненні на поверхні надпровідника магнітного поля з магнітною індукцією, що перевищує значення індукції переходу В_с. Причому для чистих надпровідникових металів – надпровідників першого роду (свинець, ртуть, індій, олово, алюміній) немає значення, чи створюється ця індукція струмом, що протікає по надпровіднику чи зовнішнім джерелом магнітного поля. У надпровідників першого роду цей перехід відбувається стрибкоподібно, як тільки напруженість поля досягне критичного значення.

Надпровідники другого роду переходять з одного стану в інший поступово; для них розрізняють нижню Н_св1 і верхню Н_св2 критичні напруженості поля. В інтервалі між ними матеріал перебуває в проміжному гетерогенному стані, в якому співіснують нормальна й надпровідна фази. Співвідношення між їхніми обсягами залежить від напруженості поля. Надпровідниками другого роду в основному є інтерметалічні з'єднання й сплави. Із чистих металів до надпровідників другого роду можна віднести лише ніобій, ванадій і технецій.

Критична напруженість магнітного поля для надпровідників першого роду становить близько 10⁵ А/м, а для надпровідників другого роду значення верхньої критичної напруженості може перевищувати 10⁷ А/м.

Слід зазначити, що особливістю надпровідників є те, що магнітне поле не проникає в товщу зразка. Силові лінії поля обгинають надпровідник. Це явище зумовлено воно тим, що в поверхневому шарі надпровідника виникає круговий незатухаючий струм, що повністю компенсує зовнішнє поле в товщині зразка. У результаті цього надпровідники є ідеальними діамагнетиками з магнітною проникністю, що дорівнює нулю. Експериментально це підтвердив В.К.Аркад’єв, продемонструвавши дослід, коли постійний магніт висів у повітрі над кільцем з надпровідного матеріалу, в якому циркулювали індуковані магнітом незатухаючі струми.

Рис.4.11. Діаграма стану надпровідника другого (криві 1 і 2) і

першого (крива 3) роду.

Однак розподіл речовин за їхніми надпровідними властивос-тями на два види не є абсолютним. Будь-який надпровідник першого роду можна перетворити в надпровідник другого роду, якщо створити в ньому достатню концентрацію дефектів кристалічних решіток. Надпровідність ніколи не спостерігається в системах, в яких існує феро- і антиферомагнетизм. Утворенню надпровідного стану в напівпровідниках і діелектриках перешкоджає мала концентрація вільних електронів. Але в матеріалах з великою діелектричною проникністю сили кулонівського відштовхування між електронами ослаблені, тому в деяких з них може спостерігатися явище надпровідності.

Параметри деяких надпровідників подано в табл. 4.3.

Табл. 4.3.

Надпровідник	Температура переходу ТС, К	Критичне значення індукції, ВС, Тл
Алюміній Al	1,2	0,01
Олово Sn	3,7	0,031
Індій In	3,4	0,03
Ртуть Hg	4,2	0,46
Свинець Pb	7,2	0,08

Надпровідники знаходять застосування для виготовлення магнітних систем, що втримують плазму в реакторах керованого термоядерного синтезу, в магнітогідродинамічних (МГД) перетворювачах теплової енергії в електричну, як індуктивні накопичувачі енергії для покриття пікових потужностей. Застосування над провідників в електричних машинах для створення обмоток збудження дає змогу виключити з машин осердя з електротехнічної сталі. Проводяться дослідження зі створення надпровідних ліній електропередачі на постійному й змінному струмах. Перспективним є створення надшвидкісного транспорту на магнітній подушці.

Поряд з надпровідністю в сучасній техніці використовується явище кріопровідності, тобто робота металу при кріогенних температурах, коли опір стає дуже малим, але є кінцевою величиною. Метали, що володіють такою властивістю, але без переходу в надпровідний стан, називаються кріопровідниками. Для отримання якісних кріопровідників необхідна висока чистота металу. Як правило використовуються метали, що мають при кріогенних температурах, які є вищими температур надпровідності, найменше значення питомого опору. До них відносять: при температурі рідкого водню – алюміній (20,3 К), а при температурі рідкого азоту – берилій (77,4 К).