§ 21. Свойства сверхпроводников.

Явление сверхпроводимости было открыто нидерландским физиком X. Камерлинг-Оннессом в 1911 г. Согласно современной теории, на основные положения которой были развиты в работах Д. Лардина, Л. Купера, Дж. Шриффера (теория БКШ), явления сверхпроводимости металлов можно объяснить, следующим образом. При температурах, близких к абсолютному к нулю, меняется характер взаимодействия электронов между собой и атомной решеткой, так что становится возможным притягивание одноименно заряженных электронов и образование так называемых электронных (куперовских) пар. Поскольку куперовские пары в состоянии сверх проводимости обладают большой энергией связи, обмена энергетическими импульсами между ними и решеткой нет. При этом сопротивление металла становится равным нулю. С увеличением температуры некоторая часть электронов термически возбуждается и переходит одиночное состояние, характерное для обычных металлов. При достижении критической температуры Т все куперовские пары распадаются и состояние сверхпроводимости исчезает.

Аналогичный результат наблюдается при определенным значении магнитного поля ( критической напряженности Н или критической индукции В ), которое может быть создано собственным током и посторонними источниками. Критическая температура и критическая напряженность магнитного поля являются взаимосвязанными величинами (для чистых металлов):

Н = 11(1-Т/Т),

Где Н - критическая напряженность магнитного поля при абсолютном нуле; Т- критическая температура при отсутствии магнитного поля.

Следовательно, если идеальный сверхпроводник поместить в магнитное поле, то некоторой темпера туре Т < Т будет соответствовать определенное значение критической напряженности магнитного поля Н. При Н > Н и температура Т сверхпроводящие состояние исчезает.

Известно 35 сверхпроводниковых металлов и более 1000 сверхпроводниковых сплавов и химических соединений различных элементов. Установлены также сверхпроводящие свойства у некоторых полупроводников, например антимонида индия In Sb, серы, ксенона и пр. Для многих проводниковых материалов, таких как серебро, медь, золото, платина, даже при низких температурах достичь сверхпроводящего состояние пока не удалось. Параметры некоторых из сверхпроводниковых материалов представлены в табл. 5.

По физико - химическим свойствам элементарные сверхпроводники

( чистые металлы) можно разделить на мягкие ( Нg, Sn, Pb, In ) и жесткие ( Та, Ti, Zт. Nb).

Для мягких сверхпроводников характерны низкие температуры плавления и отсутствие внутренних механических напряжений, жесткие сверхпроводники отличаются наличием значительных внутренних напряжений.

С позиций термодинамики сверхпроводниковые материалы принято делить на сверхпроводники I ,II и III родов.

Для сверхпроводников I рода характерны скачкообразное изменение удельной теплоемкости и определенная температура перехода в сверхпроводящее состояние, которое можем разрушиться уже при малых критических температурах и напряженности магнитного поля примерно 1 кА/м, что затрудняет их использование. У таких материалов наблюдается эффект Майснера-Оксенфельда, заключающийся в том, что при переходе образца в сверхпроводящее состояние магнитного поле выталкивается из него, т.е. он становится идеальным диагнетком.

Таблица 5

Сверхпроводники	Критическая температура, С	Критическая Индукция, Тл
Элементарные: Иридий Алюминий Олово Индий Ртуть Тантал Ванадий Свинец Ниобий Сложные: Сплав 50% Сплав Соединения: Галлид ванадия Станнид ниобия	-272,86 -271,80 -269,30 -269.60 -268.80 -268,50 -267,70 -265,80 -263,60 -264,30 -263,50 -259,00 -255,00	0.002 0.010 0.031 0.030 0.046 0.083 0.130 0.080 0.195 12.000 1 1.000 50.000 22.000

Сверхпроводник II рода отличаются тем, что переход в сверхпроводящее состояние у них осуществляется не скачком, а постепенно. Для них характерны два критических значения магнитной индукции при температуре Т < Т . Если магнитная индукция во внешнем поле начинает превышать значение нижней критической индукции, то происходит частичное проникновение магнитного поля во всю толщину сверхпроводящего образца. При этом под действием силы Лоренца электроны сверхпроводнике начинают двигаться по окружностям, образуя так называемые вихри. Внутри вихря скорость вращения возрастает по мере приближения к оси до тех пор, пока не достигнет критического значения и не произойдет «срыв» сверхпроводимости. По мере увеличения внешнего магнитного поля количество вихрей возрастает, а расстояние между ними сокращается. Когда оно становится соизмеримым с размером куперовской пары, весь объем переходит в нормальное состояние и магнитное поле полностью проникает в образец.

К сверхпроводникам II рода из чистых металлов можно отнести только Nb ниобий, V ванадий и технеций Те.

Сверхпроводники III рода включает в себя неидеальные сверхпроводники II рода. Для них характерно наличие крупных неоднородностей, возникающих при выделении другой фазы или пластичном деформировании. Дефекты структуры может служить узлами закрепления вихрей (явления пининга), Что значительно повышает допустимые токи. Например, по проволоке из станнида ниобия NbSn в нолях С индукцией примерно 10 Тл можно пропускать ток с плотностью выше 10⁹ А/м². При частотах не более 10 кГц потери в этих материалах носят гистерезисный характер и не зависят от формы тока. На частотах 10....100Гц кристаллическая плотность переменного тока мало зависят от частоты и по амплитуде приближается к критической плотности постоянного тока.

Высокотемпературные сверхпроводники.

В 1986 г. Было обнаружено, что такие вещества, как La M С и О ( М = Ва, Sr), переходят и сверхпроводящее состояние при температуре, близкой к температуре жидкого азота. Позже в сплавах YBa С и О переход сверхпроводящее состояние происходил при температуре - 173 С и выше. Такие вещества, названные высокотемпературными сверхпроводниками, обладают структурой типа перовскита ( природный минерал СаTiО ) и представляет собой керамику с характерным расположением атомов. Одна фаза изумрудно - зеленого цвета, прозрачная и содержит ионы иттрия, бария и мели в соотношении 2:1:1. Другая фаза черного цвета, непрозрачная, содержит боль количество мели. Соотношения иттрия, бария и мели и ней 1:2:3. Именно это фаза и обладает сверхпроводящими свойствами.

Сверхпроводящее свойства системы Y-Ba-Cu-О зависят от соотношения двухвалентной и трехвалентной мели, изменяя это отношения.